蒸养管片混凝土物理力学性能的影响因素研究.pdf

2 0 1 3年第 1期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 3 3 文章编号： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 1 - 0 0 3 3 0 3 蒸养管片混凝土物理力学性能的影响因素研究 朱瑶 宏 ， 占 文 ， 秦 明强 ， 李进辉 ( 1 宁波轨道交通工程建设指挥部 ， 浙江 宁波3 1 5 0 1 2 ； 2 中交武汉港湾工程设计研究 院有限公司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ； 3 长大桥梁建设施工技术交通行业 重点实验室 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ) 摘要 ： 利用某轨道交通工程管片设计配合比， 研 究了蒸养主要参数 、 养护制度、 水泥品种、 胶材用量及水 胶 比等 因素对管片混凝土物理力学性能的影响。结果表 明： 蒸养参数对混凝土脱模强度的影响顺序为： 恒温温度 恒温时间 静养 时间 升温速率 ； 2 8 d强度 的影响顺序为： 升温速 率 恒温温度 恒温 时 间 静养时间； 蒸养能显著提 高混凝土早期 强度 ， 尤其是脱模强度 ， 但会对其后期强度有不利影响； 配制 C 5 0管片混凝土宜选用 P 0 4 2 5水泥， 较优的胶材用量和水胶 比分别为 4 2 0 k g m 和 O 3 2 。 关键词 ： 管片 混凝土 力学性能 蒸养 中图分 类 号 ： T U 5 2 8 0 6 4 文 献标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 1 1 1 宁波轨道交通 1号线一期工程使用通用管片作为 盾构区间衬砌。管片采用 自防水混凝土进行结构 自防 水 ， 混凝土强度等级为 C 5 0 ， 抗渗等级 P 1 0 ， 盾构 区间 主体结构设计使用寿命 为 1 0 0年。管片采用真空吸盘 脱模， 脱模强度 1 5 M P a ， 不得使用早强混凝土 ， 为保障 管片脱模强度达到要求， 管片初凝后进行蒸汽养护。 本文利用宁波轨道 交通工程某 管片厂设计 配合 比， 研究 了蒸养主要控制参数 、 养护制度、 水泥品种 、 胶 材用量及水胶 比等因素对管片混凝土物理力学性能的 影响。 1 原 材料和试验 配合 比 1 1原 材 料 水 泥 分 别 使 用 余 姚 舜 江 P 04 2 5 、 P 1 I 4 2 5 、 P O 5 2 5 水泥 ； 粉煤灰为北仑 电厂 级粉煤灰 ； 细集料 为 闽江砂 ， 细度模数 2 6 ； 粗集料 为 52 5 m碎石 ； 外 加剂为中交武港院聚羧酸高性能管片专用外加剂 。 1 2设计 试 验配合 比 设计试验配合 比如表 1 所示。其标养下的抗压强 度 、 工作性能 、 抗渗性能如表 2所示。 由表 2可知 ， 上述设计 配合 比混凝土在标养条件 下 的工作性能、 2 8 d力学性能 、 抗渗性均满 足 C 5 0预 制管片的配制要求。可采 用该配合 比进 行蒸汽养 护 试验 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 - 2 0； 修 回 日期 ： 2 0 1 2 - 0 8 2 0 基 金项 目： 宁波市重大科技攻关项 目资助 ( 2 0 1 0 C 5 0 0 1 8 ) 作者简介 ： 朱瑶宏 ( 1 9 6 O 一) ， 男 ， 浙江 宁波人 ， 教授级高工 。 表 1设计试验配合 比 k g m 。 表 2 标准养护条件下设计试验配合 比混凝土 的性 能 2试验方案 管片生产过程中通常采用蒸汽养护提高管片混凝 土早期强度。蒸汽养护分为静停 、 升温、 恒温和降温 4 个阶段 ， 主要涉及静养 时间、 升温速率、 恒温时间和恒 温温度 4个关键蒸养参数 。 由于上述 4个关键参数对管片混凝土的物理力学 性能存在交互影响。每个 因素又分为 3种工况 ， 所 以 采用 四因素三水平正交试验 ， 以 1 0 h脱模强度和 2 8 d 抗压强度为考核指标 ， 研究蒸养参数对管片混凝土物 理力 学性 能 的影 响 。 在 优选 的蒸 养制 度基 础上研 究养 护制 度对 管片混 凝土力学性能的影响 ， 建立合理的管片养护制度 ， 进而 在该蒸养制度条件下保 持混凝土坍落度为 35 c m。 以 1 0 h脱模强度、 同养 2 8 d抗压强度 、 标养 2 8 d抗压 强度为考核指标 ， 研究水泥品种 、 胶材用量及水胶比等 因素对管片混凝土力学性能的影响。 3结果与讨 论 3 1 蒸养参数的影响 1 0 h脱模强度正交试验结果见表 3 ， 标养 2 8 d抗 铁道建筑 压强 度正 交试 验结 果见表 4 。 表 3脱模强度正交试验结果 注 ： A代表静养时间 ， 1 ， 2 ， 3水平 分别为 2 ， 3 ， 4 h ； B代表升 温速率 ， 1 ， 2 ， 3水平分别为 1 0 ， 1 5 ， 2 O h ； C代 表恒温 时间 ， 1 ， 2 ， 3水平分别 为 3 ， 4 ， 5 h ； D代 表恒温温 度 ， 1 ， 2 ， 3水 平分别 为 4 0， 5 O， 6 0 。 由表 3可知 ， 采用合适的蒸汽养护制度 ， 该配合比 混凝土的 1 0 h脱模 强度可 以满足 1 5 M P a的要求 。 此外 ， 影响脱模强度的蒸汽养护关键参数 的主次顺序 为 ： 恒温温度 恒温时间 静养时间 升温速率 。 表 4标养 2 8 d抗压强度正交试验结果 由表 4可知 ， 该配合比混凝土标养 2 8 d抗压强度 均满足 5 0 MP a的要求 ， 采用一定的蒸汽养护制度可 以达 到 6 0 MP a以上 。影 响标养 2 8 d抗压 强 度 的蒸 汽 养护关键参数的主次顺序为： 升温速率 恒温温度 恒温 时 间 静 养时 间 。 根据表 3和表 4的试验结果， 综合考虑脱模强度 和 2 8 d 抗压强度 ， 得出该配比管片混凝土的最佳蒸汽 养护制度 ： 静养 3 h+1 0 c I = h升温速率 +恒温 5 h+恒 温6 0 。 实际生产过程中， 一次蒸养周期不得 1 2 h 。最 佳蒸汽养护制度条件下蒸养周期过长， 对模具周转不 利 ， 因而根据前面试验结果和管片模具周转的要求 ， 对 蒸养参数进行了适当的改进。设计蒸养试件所采用的 养护工艺为 ： 试块成型后先静养 3 h ， 然后 以1 5 h 的 升温速度升温至5 5 ， 恒温 3 h 后 以1 5 h 的降温速 率降至室温。 3 2养护制 度 的影响 养护制度试验分别采用三种养护制度对 比： 标 准养护： 试件成型 1 d后脱模移入标准养护室养护 ( 温 度( 2 0 4 - 3 ) ， R H 9 0 ) ； 自然养护 ： 试件成型 1 d 脱模后进行 自然养护( 室外大气环境 中露天养护 ， ( 2 0 5 ) ， R H 6 5 ) ； 同条件养护： 试 件成型后进 行蒸 养 ， 蒸养结束后脱模 ， 经过 7 d水养 ， 自然养护至 2 8 d 。 试 验结 果见表 5 。 表 5 养护制度对管片混凝土物理力学性 能的影响 MP a 由表 5可知 ， 蒸养混凝土早期抗压强度( 7 d ) 明显 高于 自然养护和标准养护 ， 但是其 2 8 d的抗压强度却 要低于后两者 ， 这说明蒸养会对高强管 片混凝土后期 强度 产 生不利 的影 响 。 蒸养在加快水泥熟料水化速度 的同时 ， 还会提高 矿物掺合料的二次水化反应速度， 进而形成 以低碱性 水化硅酸钙为主体的水化硅酸钙 、 水化铝酸钙 、 水化铁 铝酸钙 ， 这些水化产物相互交叉延伸， 逐渐交织成具有 相 当强度的空间网络结构， 进而把骨料与未水化 的粒 子紧紧粘在一起 ， 形成具有局部较高密实程度 的水泥 石， 从而使得混凝土具有较高的早期强度 。 ， 但是这 种快速的水化反应速度会导致水化物分 布不均匀 ， 结 晶程度低 ， 晶体颗粒粗大， 从而造成混凝土整体密实程 度变差 ， 不利于其后期强度的发展。 标准养护过程是在高湿度条件下进行 的， 因而外 界环境 中有充足的水分能够使混凝土的水化反应持续 进行 ， 使得 其 内部 水化 产物 无论 是结 晶状态 ， 还是 分布 均优于蒸养和 自然养护 ， 因此该养护条件有利于混凝 土后 期强 度 的发 展 。 3 3水 泥品种 的影 响 不同品种水泥对 比试验结果见图 1 。 P 4 2 5 水泥 品种 图 1 不 同水泥 品种管 片混凝土 的物理力学性能 洲 J 圜厂 L 2 0 1 3年第 1期 朱瑶宏等 ： 蒸 养管片混凝土物理力学性 能的影 响因素研究 由图 1可知 ， 使用不 同品种水泥按该 配合 比配制 出的混 凝 土在合 适 的蒸 养 制 度 下 脱 模 强 度 和 2 8 d同 养 、 标养抗 压强 度均达到 C 5 0管片混凝土配制要求 。 相 比于P 0 4 2 5 水泥 ， 采用 P 4 2 5水泥和 P O5 2 5 水泥混凝土脱模强度和 2 8 d抗压强度均有提高。考 虑到水化热、 耐久性和经济性因素 ， P 04 2 5 水泥在合 适蒸养制度下 已可满足脱模强度和 2 8 d强度的要求 ， 故推荐使用 P 04 2 5 水泥。 3 4胶 材用 量 的影 响 使用P 04 2 5 水泥 ， 胶材组成 为 8 0 水泥 +2 0 粉煤灰 ， 水胶 比不变 ， 胶材用量选择试验结果见图 2 。 8 。 6 G 霎 。 骥 2。 0 4 2 0 4 3 0 胶材用量， ( k g ， m ) 图 2 不 同胶材用量 管片混凝土的物理力学性能 由图 2可知， 1 0 h脱模强度、 同养 2 8 d抗压强度 和标养 2 8 d 抗压强度均随着胶材用量的增加而增加 ， 各胶材用量配合 比的管片混凝土标养 2 8 d抗压强度 均大于 同养 2 8 d抗 压 强 度。其 中胶 材 用 量 为 4 1 0 k g m 时， 脱模强度稍低 ， 同养 2 8 d抗压强度刚好可满 足 C 5 0管 片 混 凝 土 配 制 要 求 ； 胶 材 用 量 达 到 4 2 0 k g m 以上之后 ， 脱模强度及 同养 2 8 d抗压强度均 可 满足 C 5 0管片混凝土配制要求 ： 脱模强度可达 1 8 MP a 以上 ， 同养 2 8 d抗压强度也达 5 8 MP a ， 存在一定的富 余 ； 胶材用量达到 4 3 0 k g m 时 ， 同养 2 8 d抗压强度达 到 6 3 MP a以上 ， 考虑 到强度过高有开裂风 险， 且过 高 的胶材 用 量 不 经 济 ， 因 此 较 优 的 胶 材 用 量 为 4 2 0 k g m 。 3 5 水 胶 比 的影响 胶材用量 4 2 0 k g m 基础上 ， 水胶 比选 择试验结 果 见 图 3 。 由图 3可知 ， 水 胶 比为 0 3 4时脱 模强度 为 1 4 6 MP a ， 达不到管片配制要求 ； 水胶 比为 0 3 2时脱模强 度为 1 7 5 M P a ， 同养 2 8 d强度及标养 2 8 d强度分别 为 6 1 7 MP a和 6 5 7 MP a ， 可满足配 制要求。随水胶 比减小 ， 强度有增大的趋势 ， 而过小水胶 比会影响混凝 土的工作性能 ， 增大混凝土的收缩 。因此管片混凝 土 较优的水胶比为 0 3 2 。 4 结论 O 3 2 水胶比 图 3 不同水胶 比混凝土的物理力学性能 1 ) 蒸养参数对混凝土脱模强度的影响顺序为 ： 恒 温温度 恒温时间 静养时间 升温速率 ； 对 2 8 d抗 压强度 的影响顺序为： 升温速率 恒温温度 恒温时 间 静养时间。设计蒸养制度时 ， 应在满足脱模强度、 2 8 d抗压强度的范围内， 依据管片模具周转时间选择 合适的蒸养参数。 2 ) 蒸汽养护能显著提高混凝土早期强度 ， 尤其是 脱模强度 ， 但对后期强度有不利影响。 3 ) 胶材组成 为 8 0 水 泥 +2 0 粉煤灰时 ， 使用 P 0 4 2 5 、 P 4 2 5 及 P O5 2 5均可达 到管 片脱模强 度和 2 8 d强度要求 ， 综合考虑水化热及经济性 因素 ， 建议优选 P 04 2 5 水泥。 4 ) 使用 P 0 4 2 5 水 泥， 胶材用量为 4 2 0 k g , m 即 可满足 C 5 0管片混凝土抗压 强度要求。在此基础上 优选 的水 胶 比为 0 3 2 。 5 ) 本试验是在 1 0 h脱模强度和 2 8 d抗压强度基 础上 优选 水 泥品种 、 胶凝 材 料用量 和水 胶 比 ， 管 片生产 用配合比还需结合管片外观质量 、 体积稳定性 、 抗裂及 耐久性能综合考虑 。 参 考 文 献 1 蔡亚宁 ， 乔中胜 北京地铁五号线预制盾构管 片的高性 能混 凝土研究 J 现代隧道技术 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 2 0 2 5 2 许颜军 ， 欧菁 ， 樊君 梅 ， 等 T B N 预制 管 片混凝 土配 合 比设 计与蒸养工艺优 化 J 水利 水 电工程 设 计 ， 2 0 0 6， 2 5( 2 ) ： 1 2 1 5 3 秦鸿根 ， 孙伟 ， 庞超 明， 等 地铁 工程用 C 5 0 P 1 0管片高性 能 混凝土制备与性能研究 J 粉煤灰 ， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 4 O 一 4 2 4 杨雄利 地铁 隧道衬砌 管片蒸 汽养护 预养期试 验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 6 7 6 9 5 丁庆军 ， 陈凯 ， 江海 明， 等 免蒸养高抗渗 耐久性盾构 隧道管 片配合比研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 1 4 1 1 6 ( 责任审编葛全红) O 黾苣 暇 rp r k L 豳豳 靴 二 嘛嚼豳曼 养 同 一 一 日 豳 一