中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001
摘要：通过开展蒸汽养护与标准养护和同条件养护的对比试验，研究了不同养护条件下C60高性能混凝土抗压强度、弹性模量和抗氯离子渗透性能随龄期的变化规律及相互关系，据此确定了C60高性能混凝土箱梁张拉前的合理养护时间。试验结果表明：通过优化设计的混凝土配比和蒸汽养护工艺的合理选择，可以有效控制蒸汽养护对混凝土带来的不利影响，保证混凝土在结构中的正常服役状态；蒸汽养护方式可以有效缩短后张法预应力箱梁的张拉养护时间，提高箱梁生产效率。
关键词：蒸汽养护；弹性模量；时变性能；电通量
1 引言
抗压强度和弹性模量是混凝土的重要力学性能指标，弹性模量是混凝土承受荷载后应力a与应变关系的一种直观反映。在后张法预应力混凝土箱梁张拉后，混凝土的弹性模量与箱梁的起拱、变形和干缩徐变等关系密切，因此，在箱梁进行张拉前对混凝土的强度和弹性模量有严格要求[1]。养护条件是影响混凝土强度和弹性模量随时间变化规律的重要因素[2]，蒸汽养护可以增加混凝土强度和弹性模量的发展速度，缩短预应力混凝土箱梁张拉前的养护时间。我国规范仅给出了普通混凝土抗压强度与弹性模量之间的计算关系，而对于蒸汽养护高性能混凝土早期弹性量时变规律的研究又较少[3，4，5]，因此，探索蒸汽养护高性能混凝土抗压强度与弹性模量随时间变化的规律及相互关系具有重要意义。
本次试验结合郑州市陇海路快速化工程预应力混凝土连续箱梁浇筑用C60高性能混凝土展开研究，为该工程预应力箱梁施工监测提供支持，也为类似工程施工提供参考。
2 试验概况
2.1 原材料及混凝土配比
试验所用原材料均从郑州市陇海路快速化工程箱梁预制厂原材料储料堆进行取样，保证与现场箱梁浇筑的原材料一致。水泥采用河南省焦作市春江水泥有限公司生产的标号为P.O 52.5的普通硅酸盐水泥，其具体物理力学性能如表1所示。粉煤灰选用河南省洛阳市首阳山火电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，具体检测性能指标如表2所示。矿渣粉选用沙钢集团安阳永兴钢铁有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，具体检测性能指标如表3所示。粗骨料采用5~10mm和10~20mm级配碎石，两种碎石级配通过最大振实密度法确定，质量比例为35：65；细骨料采用天然河沙，细度模数为2.6。减水剂采用中国水电十一局有限公司外加剂厂生产的SN-JG型液体聚羧酸高性能减水剂，性能符合GB 50119-2013技术规范要求，拌和用水为郑州市日常用自来水。
表1 水泥物理力学性能
表3 矿粉物理力学性能
混凝土配比选用施工现场预应力箱梁浇筑用高性能混凝土配合比，水胶比0.33，设计坍落度为180~220mm，胶凝材料中双掺粉煤灰和矿渣粉，混凝土配合比中各种材料用量分别为：水泥：粉煤灰：矿粉：砂：5~10mm石子：10~20mm石子：水：外加剂=359：48：72：670：383：711：158：7.19 kg/m3。
2.2试验设备
抗压强度试验采用YAW-3000型微机控制电液伺服压力试验机，弹性模量试验采用WE-1000D型液压式万能试验机，两台试验机精度均为±1%，性能符合《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005的规定。混凝土蒸汽养护采用ZKY-400型蒸汽快速养护箱，性能符合《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011的规定。混凝土弹性模量测定仪一套，数显千分表2个，其性能符合《杠杆表检定规程》JJG 35-2006中微变形测量仪的技术要求。抗氯离子渗透试验采用SDL-Ⅱ型混凝土电通量测定仪，其性能指标复合《混凝土氯离子电通量测定仪》JG/T 261-2009的规定。
2.3 试验方法
混凝土抗压强度和弹性模量试验方法均按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005中相关技术要求执行，立方体抗压强度试块尺寸为边长150mm的立方体，轴心抗压强度和弹性模量试块尺寸为150×150×300mm的棱柱体，试块尺寸偏差均符合规范要求。电通量试验方法按照《普通混凝土长期性能和耐久性能》GB/T50082-2009中相关技术要求执行，电通量试件采用直径（100±1）mm，高度（50±2）mm的圆柱体。标准养护、同条件养护和蒸汽养护试块测试龄期相对应，分别为2d、3d、5d、7d、14d、28d和60d，所有试块均在试验室内拌和成型，同条件养护试块在室内养护终凝收面以后放置在室外进行毛毡覆盖洒水养护，蒸汽养护试块为室内养护拆模后转移至蒸汽养护箱内按照蒸汽养护流程养护。为了进行对比分析，蒸汽养护流程跟工程现场一致，具体为：
3 试验结果及分析
3.1 力学性能试验结果
所有试块均为剔除异常数据以后取平均值，各个龄期不同养护条件下的混凝土强度和弹性模量试验结果见表2。其中fcu、fcu′和fcu"，fcp、fcp′和fcp"、Ec、Ec′和Ec"分别表示标准养护、同条件养护和蒸汽养护条件下混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和静力受压弹性模量。
表4 C60混凝土力学性能试验结果
3.2 抗压强度随龄期的变化关系
3.2.1立方体抗压强度
我国规范均规定混凝土标准养护28d的立方体抗压强度来评定混凝土的抗压强度等级，由于现代水泥生产技术的发展高性能外加剂的掺入及高性能外加剂的掺入，混凝土均呈现出早强的特性，从图2可以看出：混凝土标准养护2d龄期时立方体抗压强度达到28d龄期的60.9%，7d龄期时立方体抗压强度达到28d龄期的93.8%；相比于标准养护条件，同条件养护2d龄期时立方体抗压强度是标准养护条件的79.4%，7d龄期时立方体抗压强度达到标准养护的95.1%，其早强趋势相对减弱；而蒸汽养护条件下混凝土的早强趋势更加显著，混凝土蒸汽养护2d龄期的立方体抗压强度达到标准养护28d龄期的88.9%；分析原因为同条件养护受室外天气影响较大，同龄期时试块历经总度时低于标准养护。
图3弹性模量与养护龄期关系图
箱梁受荷载后应力状态和后期徐变收缩与混凝土的弹性模量密切相关，探索蒸汽养护混凝土弹性模量随时间的变化规律对监测桥梁安全运行有重要参考价值。图3给出了三种养护条件下弹性模量随时间的变化曲线，从曲线可以看出：标准养护和同条件养护两种养护方式下混凝土弹性模量与龄期的发展关系相似，在5d龄期之前混凝土弹性模量随龄期快速增长，5d之后随龄期增长速度显著减缓；相对于标准养护和同条件养护，蒸汽养护混凝土的弹性模量早期发展速度更快，2d龄期时弹性模量值已达标准养护28d龄期的90.9%，蒸汽养护2d龄期的弹性模量是标准养护2d龄期值的1.15倍。随着龄期的增长，蒸汽养护混凝土弹性模量的增长速度逐渐减慢，7d龄期时仅是标准养护1.03倍、是同条件养护的1.04倍，14d龄期后三种养护条件的弹性模量值基本相同，但是蒸汽养护混凝土的弹性模量在60d龄期内没有出现回缩现象。蒸汽养护混凝土弹性模量早期快速增长的原因在于蒸汽养护的高温高湿环境加速了混凝土内水泥的水化反应速度，而标准养护和同条件养护混凝土弹性模量快速增长原因在于混凝土内水泥水化反应的程度及水化热温升产生强度和硬化效应的不同。
3.4 抗氯离子渗透性能随龄期的变化关系
混凝土构件在服役过程中的破坏通常来自于内部受力钢筋的锈蚀，其中造成钢筋、预应力筋等锈蚀的介质主要是氯盐和硫酸盐以及混凝土的碳化等，包裹在受力钢筋和预应力筋外面的混凝土保护层构成了一道防护屏障，因此，混凝土的耐久性间接影响着结构的使用寿命。氯离子扩散的难易程度可以准确的反映混凝土的渗透性能，是评价混凝土耐久性能的重要指标之一，电通量法就是将饱和盐混凝土视为固体电解质，通过在其两端施加固定直流电压测定单位时间内通过的电通量反映混凝土的抗氯离子渗透性能。本次试验共计3种养护条件，7个龄期，其中Qc、Qc′和Qc"分别表示标准养护、同条件养护和蒸汽养护条件下混凝土电通量试验结果，具体试验数据如表5所示。
表5 混凝土电通量试验结果
图4 电通量与龄期关系曲线
通过表5和图4中的电通量试验结果可以看出：蒸汽养护方式的混凝土早龄期电通量值明显小于标准养护和同条件养护方式，这说明蒸汽养护可以加速混凝土耐久性能的形成，但是，随着龄期的增长，蒸汽养护混凝土试块的电通量值增长速率显著小于标准养护和同条件养护方式的试块。在28d龄期时，三种养护方式的电通量试验结果趋于一致，60d龄期时，蒸汽养护混凝土试块的电通量值未出现回缩。
4 结论
本课题对郑州市陇海路快速化工程预应力箱梁高性能混凝土抗压强度、弹性模量和电通量的时变性能及关系进行了试验研究，得到了如下结论：
（1）蒸汽养护可加速混凝土早龄期抗压强度和弹性模量的发展，蒸汽养护2d、3d龄期时混凝土的立方体抗压强度和弹性模量达到了设计值的90%以上，这说明在现场工期紧张时将预应力张拉时间提前到3d是可行的。
（2）蒸汽养护C60高性能混凝土的抗压强度、弹性模量和电通量试验结果与龄期成正比关系，同标准养护混凝土相比，蒸汽养护混凝土抗压强度和弹性模量早龄期发展趋势更加显著，而且在60d龄期内没有出现回缩现象。
（3）蒸汽养护条件可以显著加速C60高性能混凝土的强度及耐久性能发展，通过双掺优质粉煤灰和矿粉、优化混凝土配比等技术，可以有效控制蒸汽养护对混凝土的不利影响。
参考文献：
[1]JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].
[2]李杰.大掺量粉煤灰混凝土弹性模量试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.
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[5]赵顺波，郭磊，陈守开等.混凝土结构温控防裂分析[M].北京：中国水利水电出版社，2013.
论文作者:苏延峰,黄潇,段磊
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第21期
论文发表时间:2019/5/10
标签：混凝土论文; 弹性模量论文; 抗压强度论文; 蒸汽论文; 通量论文; 立方体论文; 标准论文; 《建筑细部》2018年第21期论文;