摘要:本文研究了蒸氧制度（靜養時間、升溫速度、恒溫時間及恒溫溫度）對管片混凝土體積穩定性能的影響規律，并建立了蒸氧制度下管片混凝土自收縮大小預測模型。結果表明：蒸養有利于C50管片混凝土的后期體積穩定性；靜養時間的延長、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。
關鍵詞:蒸氧制度 C50管片混凝土 收縮
0 前言
盾構法施工是修建地下隧道、管道工程主要方法。管片是隧道建設最重要和最關鍵的結構構件，由若干預制管片或砌塊拼裝構成隧道襯砌結構體，管片必須滿足工程結構要求與安全質量指標要求，管片性能的優劣對盾構隧道工程質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定性，對混凝土結構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時，由于水泥水化速度加快，混凝土內部早期水化產物的組成和結構影響很大，蒸氧制度下混凝土收縮與標準養護時有較大區別。為此，本文主要研究了蒸養制度對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，細度模數為2.6；粗骨料：5~25連續級配的碎石，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) 混凝土成型及蒸養制度的設計
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護，一部分采用蒸養。蒸養制度為：入模后預養3h，然后以15℃/h升溫至50℃，恒溫3h后以15℃/h降溫至室溫。為了考察蒸養參數變化對高強混凝土抗氯離子滲透性能的影響，分別對預養時間、升溫速度、恒溫時間及恒溫溫度進行了調整，具體試驗方案見表2。
表2 蒸養制度方案
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，對于蒸養混凝土試件，試件成型后按蒸養制度進行蒸養，蒸養結束后脫模并移入標準養護室（溫度20±3℃，濕度大于90%）養護，在3d齡期（從攪拌混凝土加水時算起）從標準養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算起）時間間隔測量其變形讀數；對標準養護試件，試件成型1d后脫模再移入標準養護室，在3d齡期（從攪拌混凝土加水時算起）從標準養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算起）時間間隔測量其變形讀數。
3) 自收縮試驗方法
每組混凝土成型3塊100×100×300mm的試件，成型時試件兩端預埋可拆卸式銅探頭。試件結束蒸養并脫模后，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，將試件置于標準養護室養護，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，精確到0.001mm，經計算得到各混凝土試件相應時期的自收縮率。
2 結果與分析
2.1蒸養參數對高強混凝土后期收縮性能的影響
圖1 靜養時間對C50管片混凝土收縮影響 圖2 升溫速度對蒸養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后收縮基本穩定。隨著靜養時間由2h增加到3h和4h時，蒸養混凝土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C50管片混凝土的蒸養過程一般分為4個階段：靜養階段、升溫階段、恒溫階段和降溫階段。靜養階段能增強管片混凝土在升溫階段對結構破壞的抵抗能力；升溫階段是指混凝土由常溫上升到恒定溫度的階段，應避免混凝土溫度急速上升、體積膨脹而產生裂縫，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；降溫階段，混凝土溫度逐步降至常溫。
為考察靜養時間、升溫速度、恒溫時間和恒溫溫度四蒸養參數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，并與標準養護試件（p0）進行了對比。試驗結果如下圖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，隨著靜養時間的延長，蒸養C50管片混凝土的收縮率逐漸減小。因此，增加靜養時間對C50管片混凝土的后期體積穩定性有利。
由圖2、圖3及圖4可知，提高蒸養時的升溫速度、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時的恒溫溫度同樣對C50管片混凝土的后期體積穩定性有利。
圖3 恒溫時間對蒸養高強混凝土收縮影響 圖4 恒溫溫度對蒸養高強混凝土收縮影響
2.2 蒸養參數對C50管片混凝土自收縮的影響
為考察蒸養制度對高強混凝土自收縮性能的影響，按表2各蒸養制度研究分析了各蒸養參數，即靜養時間、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果可以發現，隨著養護時間的延長，各蒸養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時均趨于穩定，為此，本文以各蒸養制度下90d時自收縮測試結果來評價蒸養制度中各蒸養參數對自收縮的影響。試驗中各蒸養制度下高強混凝土試樣的90d自收縮值列于表3中。
表3 不同蒸養制度下高強混凝土自收縮（×10-4）
1) 靜養時間
由表3中p1～p5所示結果可知，靜養時間對C50管片混凝土的自收縮性能有較明顯的影響，隨著靜養時間延長，C50管片混凝土自收縮減小，即其體積穩定性能得到明顯改善。其原因主要是靜養時間對混凝土的初始強度形成有一定影響，靜養時間延長，蒸養時混凝土內部因自干燥而產生的拉應力增強，混凝土在蒸養前的結構強度增大，抵抗變形的能力越強，從而混凝土的自收縮越低。
分析不同靜養時間對混凝土自收縮可知，靜養時間對混凝土的自收縮性能有顯著的影響，隨著靜養時間延長，蒸養混凝土的自收縮降低。本文各試樣蒸養參數均圍繞p3試樣蒸養參數的取值波動，試驗結果也圍繞P3試樣結果波動，因此取p3試樣為基準，通過回歸分析來建立各蒸養參數對混凝土自收縮影響的預測方程，其中靜養時間對混凝土自收縮影響的預測方程為：
式中， ,3ASε為p3試樣，即靜養3h、升溫速度15℃/h、恒溫溫度50℃、恒溫時間3h
進行蒸養的C50管片混凝土各測試時間的自收縮值（/10-4）， 與混凝土靜養時間ta1有關，稱為靜養時間相關性系數。取各試樣90d自收縮值為基準，對試驗數據進行回歸分析，經曲線擬合可得，靜養系數與靜養時間ta1(單位：h)存在式(式2)所示關系式
由圖6可見，隨著靜養時間的延長，蒸養混凝土的靜養時間系數上升，即混凝土的后期自收縮值減小。因此，延長蒸養混凝土的靜停預養時間，有利于混凝土的后期體積穩定。
圖6 靜養時間系數與靜養時間 圖7 升溫速度系數與升溫速度 
2) 升溫速度
升溫速度對蒸養混凝土90d自收縮影響的測試結果見表3中p3、p6～p8。四種升溫速度條件下，蒸養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，在混凝土開始凝結硬化但尚不具有足夠強度的這段時期內，混凝土內部氣體與水由于升溫產生的熱脹作用，將增加混凝土中的孔隙量，并引起內部裂縫，升溫速度越高，氣體和水汽產生熱脹作用越強，混凝土內部形成的微細裂縫數量及裂縫寬度越大，即是混凝土內部大孔數量和孔徑均增加，因此混凝土自干燥產生的收縮應力反而越低，從而混凝土自收縮較低。
2) 升溫速度
升溫速度對蒸養混凝土90d自收縮影響的測試結果見表3中p3、p6～p8。四種升溫速度條件下，蒸養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，在混凝土開始凝結硬化但尚不具有足夠強度的這段時期內，混凝土內部氣體與水由于升溫產生的熱脹作用，將增加混凝土中的孔隙量，并引起內部裂縫，升溫速度越高，氣體和水汽產生熱脹作用越強，混凝土內部形成的微細裂縫數量及裂縫寬度越大，即是混凝土內部大孔數量和孔徑均增加，因此混凝土自干燥產生的收縮應力反而越低，從而混凝土自收縮較低。由以上試驗結果和分析可知，升溫速度增加，蒸養混凝土自收縮下降，蒸養混凝土的自收縮與升溫速度相關。為了預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，可設混凝土經V（℃/h）的速度升溫至50℃，C50管片混凝土自收縮率,ASε蒸養表示為：
式中， ,3ASε為p3組混凝土各測試時間的自收縮值（/10-4），b與混凝土蒸養升溫速度V有關，稱為升溫速度相關性系數。取各試樣90d自收縮試驗數據，進行曲線擬合與回歸分析(圖7)，得到升溫速度系數b與升溫速度V之間存在式4所示關系式（R2=0.989）：
由圖7可知，隨著蒸養時升溫速度的增加，蒸養混凝土的升溫速度系數增加，即混凝土的后期收縮值減小。因此，提高蒸養混凝土的升溫速度，有利于C50管片混凝土的后期體積穩定。
升溫速度還應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定的恒溫溫度，并產生一定的膨脹，而混凝土與鋼模的熱膨脹系數不同（鋼的熱膨脹系數約為15×10-6/℃，混凝土的熱膨脹系數約為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生拉應力，在混凝土強度很低不足以承受這種拉應力時就會產生裂紋。因此對于C50管片混凝土，應嚴格控制工藝流程，不應采用高于30℃/h的升溫溫度，并避免鋼模在蒸養過程中直接受到蒸汽的加熱。
3) 恒溫時間
由p9、p10、p3、p11、p12試樣的試驗結果可知，蒸養時恒溫時間延長，混凝土的自收縮值降低。這主要是因為：1）高溫養護時間越長，水泥水化程度和數量越高，同時混凝土內更多的礦物摻和料參與二次水化反應，混凝土的結構強度就越高，抵抗混凝土自干燥產生收縮應力的能力越強；2）本試驗中，混凝土是在結束蒸養后再開始自收縮的測試，而蒸養階段混凝土的自收縮已經產生，恒溫時間越長，水泥水化程度越高、參與二次反應的礦物摻合料也越多，因而產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果就越低；3）在高溫養護的作用下，混凝土成型過程中產生的氣泡及內部水分均會出現膨脹現象，隨著恒溫養護時間的延長，混凝土內部的更多氣泡可能出現膨脹、破裂和連通現象，在混凝土內部形成較多的微裂縫和連通孔，恒溫時間越長，出現連通孔道的幾率及其數量將大大提高，因而混凝土自干燥產生的收縮應力就越小，因此表現出C50管片混凝土隨恒溫時間延長自收縮降低的趨勢。
由試驗結果和以上分析可知，蒸養混凝土自收縮大小與恒溫時間有關，恒溫時間延長，混凝土自收縮減小，為建立蒸養混凝土自收縮大小與恒溫時間的預測方程，同時減小預測誤差，本試驗以p3試樣（恒溫時間中間值）為基礎，建立不同恒溫時間下C50管片混凝土的自收縮率,ASε蒸養預測方程：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與混凝土蒸養恒溫時間有關，稱為恒溫時間相關性系數。采用各試樣90d試驗數據經曲線擬合和回歸分析(圖8)，得恒溫時間系數c與恒溫時間t2之間存在式（式 6）所示關系式：
R2=0.990，表明該預測方程中恒溫溫度系數c與恒溫溫度有較好的相關性。
由圖8可見，隨著恒溫時間的延長，恒溫時間系數增大，即蒸養混凝土的后期收縮值減小，說明延長蒸養混凝土恒溫時間有利于混凝土后期體積穩定。在高強混凝土預制構件生產中，可通過延長恒溫時間的方法改善混凝土構件成型以后的體積穩定性。
圖8 恒溫時間系數與恒溫時間 圖9 恒溫溫度系數d與恒溫溫度
4) 恒溫溫度
由p3、p13～p15試樣的測試結果可知，蒸養時恒溫溫度升高，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，參與水化的水泥數量越多，反應程度也越高，參與二次水化反應的礦物摻和料量也越多，因而混凝土的結構強度就越高，抵抗混凝土自干燥產生收縮應力的能力越強；2）在蒸養的條件下，混凝土成型過程中產生的氣泡及內部水分均會出現膨脹現象，可能出現破裂形成裂縫和連通現象，從而在混凝土內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，出現較大微裂紋的數量和幾率均將大大提高，混凝土自干燥產生的收縮應力就越小，因此表現出C50管片混凝土隨恒溫溫度升高自收縮降低的趨勢。
由試驗結果可知，恒溫溫度升高時，蒸養混凝土自收縮值減小。為建立蒸養混凝土自收縮大小與恒溫溫度的預測方程，同時減小預測誤差，以p3試樣（恒溫溫度中間值）為基礎，建立不同恒溫溫度下C50管片混凝土的自收縮率,ASε蒸養預測方程：
式中，,3ASε為p3試樣各測試時間的自收縮值，而與混凝土蒸養恒溫溫度T有關，稱為恒溫溫度相關性系數。以各試樣90d自收縮值為基礎，對試驗數據進行曲線擬合和回歸分析(圖9)，恒溫溫度系數與恒溫溫度T之間存在式（式 8）所示關系式：
其R2=0.997，表明該預測方程中恒溫溫度系數d與蒸養時的恒溫溫度有很好的相關性。由圖9見，隨著恒溫溫度的提高，恒溫溫度系數上升，即蒸養混凝土的后期收縮值減小，說明蒸養時提高恒溫溫度有利于蒸養混凝土后期體積穩定。在預制高強混凝土構件生產中，可以通過提高恒溫溫度的方法改善混凝土構件成型以后的體積穩定性。
3 結論
(1) 蒸汽養護有利于C50管片混凝土的后期體積穩定性，且隨著靜養時間的延長、恒溫溫度的提高、恒溫時間的延長后期體積穩定性能越好；
(2) 靜養時間的延長、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C50管片混凝土的后期自收縮；
(3) 蒸養制度下C50管片混凝土自收縮大小的預測模型，可便捷地對自收縮大小進行計算預測，減小C50管片混凝土自收縮測試的工作量，便于結構構件的設計和應用；還可根據預測模型，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制度調整的可能性方案，便于工程應用。
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