摘要:本文研究了蒸氧制度（靜養(yǎng)時間、升溫速度、恒溫時間及恒溫溫度）對管片混凝土體積穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，并建立了蒸氧制度下管片混凝土自收縮大小預(yù)測模型。結(jié)果表明：蒸養(yǎng)有利于C50管片混凝土的后期體積穩(wěn)定性；靜養(yǎng)時間的延長、升溫速度加快、恒溫時間的增加和恒溫溫度提高均會降低C50管片混凝土的后期自收縮。
關(guān)鍵詞:蒸氧制度 C50管片混凝土 收縮
0 前言
盾構(gòu)法施工是修建地下隧道、管道工程主要方法。管片是隧道建設(shè)最重要和最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由若干預(yù)制管片或砌塊拼裝構(gòu)成隧道襯砌結(jié)構(gòu)體，管片必須滿足工程結(jié)構(gòu)要求與安全質(zhì)量指標要求，管片性能的優(yōu)劣對盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量和服役壽命具有決定性的影響。收縮是影響管片混凝土體積穩(wěn)定性和抗裂性能的重要因素[1]。混凝土因水膠比低、單方水泥用量大，其自收縮和干縮均較高，嚴重影響管片混凝土的體積穩(wěn)定性，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也有較大影響[2]。因此，收縮是混凝土在實際工程，特別是對混凝土體積穩(wěn)定性要求較高的隧道工程中需要深入研究的問題之一。當管片混凝土采用蒸養(yǎng)時，由于水泥水化速度加快，混凝土內(nèi)部早期水化產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)影響很大，蒸氧制度下混凝土收縮與標準養(yǎng)護時有較大區(qū)別。為此，本文主要研究了蒸養(yǎng)制度對C50管片混凝土收縮性能的影響。
1 原材料與試驗方法
1.1 原材料及C50管片混凝土配合比
水泥：亞東42.5R級普通硅酸鹽水泥；礦渣微粉：武鋼綠色冶金渣公司生產(chǎn)的磨細礦渣微粉，比表面積為440m2/kg，密度2.8g/cm3 ；細骨料：巴河河沙，細度模數(shù)為2.6；粗骨料：5~25連續(xù)級配的碎石，壓碎值為7.8%，針片狀含量為8.5%；外加劑：花王邁地150萘系高效減水劑，減水率為25%。
混凝土配合比如表1所示：
表1 混凝土試驗配合比 kg/m3
1.2 試驗方法
1) 混凝土成型及蒸養(yǎng)制度的設(shè)計
混凝土由強制式攪拌機拌和，攪拌時間為2min，振動密實成型。一部分試件采用標準養(yǎng)護，一部分采用蒸養(yǎng)。蒸養(yǎng)制度為：入模后預(yù)養(yǎng)3h，然后以15℃/h升溫至50℃，恒溫3h后以15℃/h降溫至室溫。為了考察蒸養(yǎng)參數(shù)變化對高強混凝土抗氯離子滲透性能的影響，分別對預(yù)養(yǎng)時間、升溫速度、恒溫時間及恒溫溫度進行了調(diào)整，具體試驗方案見表2。
表2 蒸養(yǎng)制度方案
2) 體積收縮試驗方法
參照GBJ82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行蒸養(yǎng)混凝土的收縮性能試驗，試件為尺寸100×100×515mm的棱柱體，對于蒸養(yǎng)混凝土試件，試件成型后按蒸養(yǎng)制度進行蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)結(jié)束后脫模并移入標準養(yǎng)護室（溫度20±3℃，濕度大于90%）養(yǎng)護，在3d齡期（從攪拌混凝土加水時算起）從標準養(yǎng)護室取出并立即移入恒溫恒濕室(溫度20±2℃，相對濕度60±5%)測定其初始長度，測量精度為0.001mm，此后按1、3、7、14、21、28、45、60、90、180d（從移入恒溫恒濕室內(nèi)算起）時間間隔測量其變形讀數(shù)；對標準養(yǎng)護試件，試件成型1d后脫模再移入標準養(yǎng)護室，在3d齡期（從攪拌混凝土加水時算起）從標準養(yǎng)護室取出并立即移入恒溫恒濕室(溫度20±2℃，相對濕度60±5%)測定其初始長度，測量精度為0.001mm，此后按1、3、7、14、21、28、45、60、90、180d（從移入恒溫恒濕室內(nèi)算起）時間間隔測量其變形讀數(shù)。
3) 自收縮試驗方法
每組混凝土成型3塊100×100×300mm的試件，成型時試件兩端預(yù)埋可拆卸式銅探頭。試件結(jié)束蒸養(yǎng)并脫模后，先用熔融石蠟對試件進行密封處理，再用塑料薄膜并涂抹凡士林包裹嚴實，將試件置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，1d后（從混凝土加水拌和時算起）測試試件初值并開始計時，此后分別測定1、3、7、14、21、28、45、60、90、180d（從計時算起）時試件變形讀數(shù)，精確到0.001mm，經(jīng)計算得到各混凝土試件相應(yīng)時期的自收縮率。
2 結(jié)果與分析
2.1蒸養(yǎng)參數(shù)對高強混凝土后期收縮性能的影響
圖1 靜養(yǎng)時間對C50管片混凝土收縮影響 圖2 升溫速度對蒸養(yǎng)高強混凝土收縮影響
由圖1可知，C50管片混凝土在45d齡期前收縮率增長較快，到60d后收縮基本穩(wěn)定。隨著靜養(yǎng)時間由2h增加到3h和4h時，蒸養(yǎng)混凝土60d的收縮率從2.36×10-4減小到2.2×10-4和2.13×10-4，90d收縮率從2.4×10-4蒸養(yǎng)C50管片混凝土的蒸養(yǎng)過程一般分為4個階段：靜養(yǎng)階段、升溫階段、恒溫階段和降溫階段。靜養(yǎng)階段能增強管片混凝土在升溫階段對結(jié)構(gòu)破壞的抵抗能力；升溫階段是指混凝土由常溫上升到恒定溫度的階段，應(yīng)避免混凝土溫度急速上升、體積膨脹而產(chǎn)生裂縫，升溫速度不能過快；恒溫階段是水泥水化速度最大、混凝土強度增長最快的階段，恒溫時間和恒溫溫度是主要控制參數(shù)；降溫階段，混凝土溫度逐步降至常溫。
為考察靜養(yǎng)時間、升溫速度、恒溫時間和恒溫溫度四蒸養(yǎng)參數(shù)對管片混凝土收縮性能的影響，選取了表2中p2、p3、p4、p6、p8、p10、p11、p14、p15進行管片混凝土收縮性能試驗，并與標準養(yǎng)護試件（p0）進行了對比。試驗結(jié)果如下圖1、圖2、圖3及圖4所示。
減小到2.35×10-4和2.2×10-4，180d收縮率從2.5×10-4減小到2.4×10-4和2.25×10-4。可見，隨著靜養(yǎng)時間的延長，蒸養(yǎng)C50管片混凝土的收縮率逐漸減小。因此，增加靜養(yǎng)時間對C50管片混凝土的后期體積穩(wěn)定性有利。
由圖2、圖3及圖4可知，提高蒸養(yǎng)時的升溫速度、延長C50管片混凝土恒溫時間或提高恒溫溫度，均能減小C50管片混凝土的收縮率。因此，提高升溫速度、延長恒溫時間或提高蒸養(yǎng)時的恒溫溫度同樣對C50管片混凝土的后期體積穩(wěn)定性有利。
圖3 恒溫時間對蒸養(yǎng)高強混凝土收縮影響 圖4 恒溫溫度對蒸養(yǎng)高強混凝土收縮影響
2.2 蒸養(yǎng)參數(shù)對C50管片混凝土自收縮的影響
為考察蒸養(yǎng)制度對高強混凝土自收縮性能的影響，按表2各蒸養(yǎng)制度研究分析了各蒸養(yǎng)參數(shù)，即靜養(yǎng)時間、升溫速度、恒溫時間及恒溫溫度，對C50管片混凝土自收縮的影響。從各試件的自收縮試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著養(yǎng)護時間的延長，各蒸養(yǎng)制度下高強混凝土的自收縮值逐漸增大，在14d至21d之前，自收縮增加速度較快，此后逐漸增幅減緩，至60d、90d時均趨于穩(wěn)定，為此，本文以各蒸養(yǎng)制度下90d時自收縮測試結(jié)果來評價蒸養(yǎng)制度中各蒸養(yǎng)參數(shù)對自收縮的影響。試驗中各蒸養(yǎng)制度下高強混凝土試樣的90d自收縮值列于表3中。
表3 不同蒸養(yǎng)制度下高強混凝土自收縮（×10-4）
1) 靜養(yǎng)時間
由表3中p1～p5所示結(jié)果可知，靜養(yǎng)時間對C50管片混凝土的自收縮性能有較明顯的影響，隨著靜養(yǎng)時間延長，C50管片混凝土自收縮減小，即其體積穩(wěn)定性能得到明顯改善。其原因主要是靜養(yǎng)時間對混凝土的初始強度形成有一定影響，靜養(yǎng)時間延長，蒸養(yǎng)時混凝土內(nèi)部因自干燥而產(chǎn)生的拉應(yīng)力增強，混凝土在蒸養(yǎng)前的結(jié)構(gòu)強度增大，抵抗變形的能力越強，從而混凝土的自收縮越低。
分析不同靜養(yǎng)時間對混凝土自收縮可知，靜養(yǎng)時間對混凝土的自收縮性能有顯著的影響，隨著靜養(yǎng)時間延長，蒸養(yǎng)混凝土的自收縮降低。本文各試樣蒸養(yǎng)參數(shù)均圍繞p3試樣蒸養(yǎng)參數(shù)的取值波動，試驗結(jié)果也圍繞P3試樣結(jié)果波動，因此取p3試樣為基準，通過回歸分析來建立各蒸養(yǎng)參數(shù)對混凝土自收縮影響的預(yù)測方程，其中靜養(yǎng)時間對混凝土自收縮影響的預(yù)測方程為：
式中， ,3ASε為p3試樣，即靜養(yǎng)3h、升溫速度15℃/h、恒溫溫度50℃、恒溫時間3h
進行蒸養(yǎng)的C50管片混凝土各測試時間的自收縮值（/10-4）， 與混凝土靜養(yǎng)時間ta1有關(guān)，稱為靜養(yǎng)時間相關(guān)性系數(shù)。取各試樣90d自收縮值為基準，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，經(jīng)曲線擬合可得，靜養(yǎng)系數(shù)與靜養(yǎng)時間ta1(單位：h)存在式(式2)所示關(guān)系式
由圖6可見，隨著靜養(yǎng)時間的延長，蒸養(yǎng)混凝土的靜養(yǎng)時間系數(shù)上升，即混凝土的后期自收縮值減小。因此，延長蒸養(yǎng)混凝土的靜停預(yù)養(yǎng)時間，有利于混凝土的后期體積穩(wěn)定。
圖6 靜養(yǎng)時間系數(shù)與靜養(yǎng)時間 圖7 升溫速度系數(shù)與升溫速度 
2) 升溫速度
升溫速度對蒸養(yǎng)混凝土90d自收縮影響的測試結(jié)果見表3中p3、p6～p8。四種升溫速度條件下，蒸養(yǎng)混凝土的自收縮隨著升溫速度的加快而減小，其原因主要是，在混凝土開始凝結(jié)硬化但尚不具有足夠強度的這段時期內(nèi)，混凝土內(nèi)部氣體與水由于升溫產(chǎn)生的熱脹作用，將增加混凝土中的孔隙量，并引起內(nèi)部裂縫，升溫速度越高，氣體和水汽產(chǎn)生熱脹作用越強，混凝土內(nèi)部形成的微細裂縫數(shù)量及裂縫寬度越大，即是混凝土內(nèi)部大孔數(shù)量和孔徑均增加，因此混凝土自干燥產(chǎn)生的收縮應(yīng)力反而越低，從而混凝土自收縮較低。
2) 升溫速度
升溫速度對蒸養(yǎng)混凝土90d自收縮影響的測試結(jié)果見表3中p3、p6～p8。四種升溫速度條件下，蒸養(yǎng)混凝土的自收縮隨著升溫速度的加快而減小，其原因主要是，在混凝土開始凝結(jié)硬化但尚不具有足夠強度的這段時期內(nèi)，混凝土內(nèi)部氣體與水由于升溫產(chǎn)生的熱脹作用，將增加混凝土中的孔隙量，并引起內(nèi)部裂縫，升溫速度越高，氣體和水汽產(chǎn)生熱脹作用越強，混凝土內(nèi)部形成的微細裂縫數(shù)量及裂縫寬度越大，即是混凝土內(nèi)部大孔數(shù)量和孔徑均增加，因此混凝土自干燥產(chǎn)生的收縮應(yīng)力反而越低，從而混凝土自收縮較低。由以上試驗結(jié)果和分析可知，升溫速度增加，蒸養(yǎng)混凝土自收縮下降，蒸養(yǎng)混凝土的自收縮與升溫速度相關(guān)。為了預(yù)測不同升溫速度對混凝土自收縮性能影響，以p3試樣（升溫速度中間值）為基準，可設(shè)混凝土經(jīng)V（℃/h）的速度升溫至50℃，C50管片混凝土自收縮率,ASε蒸養(yǎng)表示為：
式中， ,3ASε為p3組混凝土各測試時間的自收縮值（/10-4），b與混凝土蒸養(yǎng)升溫速度V有關(guān)，稱為升溫速度相關(guān)性系數(shù)。取各試樣90d自收縮試驗數(shù)據(jù)，進行曲線擬合與回歸分析(圖7)，得到升溫速度系數(shù)b與升溫速度V之間存在式4所示關(guān)系式（R2=0.989）：
由圖7可知，隨著蒸養(yǎng)時升溫速度的增加，蒸養(yǎng)混凝土的升溫速度系數(shù)增加，即混凝土的后期收縮值減小。因此，提高蒸養(yǎng)混凝土的升溫速度，有利于C50管片混凝土的后期體積穩(wěn)定。
升溫速度還應(yīng)該考慮鋼模受熱膨脹造成的影響。鋼模傳熱性能好，能夠按照控制的升溫速率快速達到預(yù)定的恒溫溫度，并產(chǎn)生一定的膨脹，而混凝土與鋼模的熱膨脹系數(shù)不同（鋼的熱膨脹系數(shù)約為15×10-6/℃，混凝土的熱膨脹系數(shù)約為10×10-6/℃），兩者膨脹不一致，膨脹量大的鋼模對膨脹量小的混凝土會產(chǎn)生拉應(yīng)力，在混凝土強度很低不足以承受這種拉應(yīng)力時就會產(chǎn)生裂紋。因此對于C50管片混凝土，應(yīng)嚴格控制工藝流程，不應(yīng)采用高于30℃/h的升溫溫度，并避免鋼模在蒸養(yǎng)過程中直接受到蒸汽的加熱。
3) 恒溫時間
由p9、p10、p3、p11、p12試樣的試驗結(jié)果可知，蒸養(yǎng)時恒溫時間延長，混凝土的自收縮值降低。這主要是因為：1）高溫養(yǎng)護時間越長，水泥水化程度和數(shù)量越高，同時混凝土內(nèi)更多的礦物摻和料參與二次水化反應(yīng)，混凝土的結(jié)構(gòu)強度就越高，抵抗混凝土自干燥產(chǎn)生收縮應(yīng)力的能力越強；2）本試驗中，混凝土是在結(jié)束蒸養(yǎng)后再開始自收縮的測試，而蒸養(yǎng)階段混凝土的自收縮已經(jīng)產(chǎn)生，恒溫時間越長，水泥水化程度越高、參與二次反應(yīng)的礦物摻合料也越多，因而產(chǎn)生的自收縮占總的自收縮比例就越高，試驗所測得的自收縮結(jié)果就越低；3）在高溫養(yǎng)護的作用下，混凝土成型過程中產(chǎn)生的氣泡及內(nèi)部水分均會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，隨著恒溫養(yǎng)護時間的延長，混凝土內(nèi)部的更多氣泡可能出現(xiàn)膨脹、破裂和連通現(xiàn)象，在混凝土內(nèi)部形成較多的微裂縫和連通孔，恒溫時間越長，出現(xiàn)連通孔道的幾率及其數(shù)量將大大提高，因而混凝土自干燥產(chǎn)生的收縮應(yīng)力就越小，因此表現(xiàn)出C50管片混凝土隨恒溫時間延長自收縮降低的趨勢。
由試驗結(jié)果和以上分析可知，蒸養(yǎng)混凝土自收縮大小與恒溫時間有關(guān)，恒溫時間延長，混凝土自收縮減小，為建立蒸養(yǎng)混凝土自收縮大小與恒溫時間的預(yù)測方程，同時減小預(yù)測誤差，本試驗以p3試樣（恒溫時間中間值）為基礎(chǔ)，建立不同恒溫時間下C50管片混凝土的自收縮率,ASε蒸養(yǎng)預(yù)測方程：gongshi5式中，,3ASε為p3組C50管片混凝土試樣各測試時間的自收縮值，c與混凝土蒸養(yǎng)恒溫時間有關(guān)，稱為恒溫時間相關(guān)性系數(shù)。采用各試樣90d試驗數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合和回歸分析(圖8)，得恒溫時間系數(shù)c與恒溫時間t2之間存在式（式 6）所示關(guān)系式：
R2=0.990，表明該預(yù)測方程中恒溫溫度系數(shù)c與恒溫溫度有較好的相關(guān)性。
由圖8可見，隨著恒溫時間的延長，恒溫時間系數(shù)增大，即蒸養(yǎng)混凝土的后期收縮值減小，說明延長蒸養(yǎng)混凝土恒溫時間有利于混凝土后期體積穩(wěn)定。在高強混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中，可通過延長恒溫時間的方法改善混凝土構(gòu)件成型以后的體積穩(wěn)定性。
圖8 恒溫時間系數(shù)與恒溫時間 圖9 恒溫溫度系數(shù)d與恒溫溫度
4) 恒溫溫度
由p3、p13～p15試樣的測試結(jié)果可知，蒸養(yǎng)時恒溫溫度升高，混凝土的自收縮值也降低。分析其原因是，1）恒溫溫度越高，水泥水化速度越快，參與水化的水泥數(shù)量越多，反應(yīng)程度也越高，參與二次水化反應(yīng)的礦物摻和料量也越多，因而混凝土的結(jié)構(gòu)強度就越高，抵抗混凝土自干燥產(chǎn)生收縮應(yīng)力的能力越強；2）在蒸養(yǎng)的條件下，混凝土成型過程中產(chǎn)生的氣泡及內(nèi)部水分均會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，可能出現(xiàn)破裂形成裂縫和連通現(xiàn)象，從而在混凝土內(nèi)部形成較多的微裂紋和連通孔。其他條件相同，恒溫溫度升高時，出現(xiàn)較大微裂紋的數(shù)量和幾率均將大大提高，混凝土自干燥產(chǎn)生的收縮應(yīng)力就越小，因此表現(xiàn)出C50管片混凝土隨恒溫溫度升高自收縮降低的趨勢。
由試驗結(jié)果可知，恒溫溫度升高時，蒸養(yǎng)混凝土自收縮值減小。為建立蒸養(yǎng)混凝土自收縮大小與恒溫溫度的預(yù)測方程，同時減小預(yù)測誤差，以p3試樣（恒溫溫度中間值）為基礎(chǔ)，建立不同恒溫溫度下C50管片混凝土的自收縮率,ASε蒸養(yǎng)預(yù)測方程：
式中，,3ASε為p3試樣各測試時間的自收縮值，而與混凝土蒸養(yǎng)恒溫溫度T有關(guān)，稱為恒溫溫度相關(guān)性系數(shù)。以各試樣90d自收縮值為基礎(chǔ)，對試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合和回歸分析(圖9)，恒溫溫度系數(shù)與恒溫溫度T之間存在式（式 8）所示關(guān)系式：
其R2=0.997，表明該預(yù)測方程中恒溫溫度系數(shù)d與蒸養(yǎng)時的恒溫溫度有很好的相關(guān)性。由圖9見，隨著恒溫溫度的提高，恒溫溫度系數(shù)上升，即蒸養(yǎng)混凝土的后期收縮值減小，說明蒸養(yǎng)時提高恒溫溫度有利于蒸養(yǎng)混凝土后期體積穩(wěn)定。在預(yù)制高強混凝土構(gòu)件生產(chǎn)中，可以通過提高恒溫溫度的方法改善混凝土構(gòu)件成型以后的體積穩(wěn)定性。
3 結(jié)論
(1) 蒸汽養(yǎng)護有利于C50管片混凝土的后期體積穩(wěn)定性，且隨著靜養(yǎng)時間的延長、恒溫溫度的提高、恒溫時間的延長后期體積穩(wěn)定性能越好；
(2) 靜養(yǎng)時間的延長、升溫速度加快、恒溫時間的增加和恒溫溫度提高均會降低蒸養(yǎng)C50管片混凝土的后期自收縮；
(3) 蒸養(yǎng)制度下C50管片混凝土自收縮大小的預(yù)測模型，可便捷地對自收縮大小進行計算預(yù)測，減小C50管片混凝土自收縮測試的工作量，便于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計和應(yīng)用；還可根據(jù)預(yù)測模型，按實際工程中對混凝土自收縮大小的要求，能適時地提供高強混凝土蒸養(yǎng)制度調(diào)整的可能性方案，便于工程應(yīng)用。
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