摘要:在蒸汽養護制度下, 隧道管片混凝土脫模強度與蒸汽養護制度關系密切。根據工程實際施工需要, 隧道管片蒸汽養護時間不宜超過12 小時。制備大斷面隧道管片, 蒸汽養護恒溫溫度應控制在55～65℃, 春秋季升溫時間采用3- 3- 3- 2 方式, 而冬季施工蒸汽養護升溫時間適宜采用5- 5- 3- 2 方式; 混凝土水灰比可控制在0.32～0.34, 坍落度可控制在30～70 mm, 蒸養后脫模強度≥23 MPa; 在55℃和65℃蒸汽養護制度下, 試樣XRD 圖譜同時出現AFt 衍射峰和AFm 衍射峰, 在外界條件的變化下, 由于晶型轉換而發生延遲AFt 現象。采用MPG 礦物添加劑, 能減少Ca(OH)2 結晶生成并促進C- S- H 膠凝的大量生成, 對蒸汽養護混凝土早期脫模強度有明顯改善作用。
關鍵詞:隧道 管片 混凝土 蒸養工藝 參數
中圖分類號: U453.6 ;U455.91 文獻標識碼: A
武漢長江隧道通過地層軟硬不均, 沿縱向具有地質條件變化復雜、沉降不均, 以及隧道埋深大、水壓大( 斷面最大水壓達到0.57 MPa) 等顯著特點, 因此研究大斷面隧道管片的生產關鍵技術不僅可以解決該工程的技術難題, 也為我國21 世紀大規模開發地下空間提供了關鍵材料和技術支撐。為制備滿足長江隧道工程特殊要求的大斷面隧道管片, 確立大斷面隧道管片蒸養關鍵工藝參數是技術難點之一。
不同原材料的蒸養工藝參數不同。礦碴微細粉商品混凝土具有早期強度低、后期強度高的特點, 將其應用于蒸汽養護混凝土預制構件中, 會使礦碴微細粉的耐熱性能得以充分發揮, 不僅混凝土的后期強度不降低, 而且混凝土早期強度也能明顯提高, 彌補了礦碴微細粉混凝土早期強度偏低的不足[1]。以礦碴微粉為主要摻合料, 在55℃～75℃蒸氣養護4～6 h 后的蒸養條件下, 混凝土強度明顯提高[2]。恒溫溫度60℃±5℃, 養護時間采用2-2-8-1 方式, 純普通硅酸鹽水泥混凝土采用蒸汽養護時可能強度倒縮, 而摻入粉煤灰后可較好地避免此不良現象, 并且蒸養粉煤灰混凝土后期強度一直都處于增長狀態[3]。
不同的混凝土預制構件的蒸養工藝參數不同。養護制備4 h、85 ℃的混凝土電桿具有良好的早期強度及耐久性[4]。預制混凝土箱梁恒溫溫度控制在50℃～53℃[5]。
不同研究者對盾構隧道管片混凝土蒸養工藝參數的設定看法不一: 管片升溫速度控制在15℃～20℃/ h,最高養護溫度45℃～50℃, 恒溫2～3 h, 降溫速度不大于20℃/h[6]; 管片升溫速度不得超過15℃/h, 最高溫度為60℃, 恒溫時間2 h, 降溫速度不超過20℃/h[7]; 管片升溫時速度宜控制在15℃/h, 最高養護溫度宜控制在60℃～80℃, 恒溫3～4 h,降溫速度宜控制在10℃/h[8]; 管片蒸養溫度為55℃～60℃, 最高不超過80℃, 恒溫時間一般在2 h 左右[9]; 恒溫溫度60℃, 養護時間采用2-2-8-1 方式, 制備的蒸養混凝土具有良好的力學性能和抗凍性能[10]。
蒸養升溫速率和降溫速率過快、恒溫溫度過高都會由于溫差應力引起混凝土開裂、裂紋數量增加;蒸養恒溫時間和靜停時間過短會降低混凝土脫模強度。
綜上所述, 影響混凝土蒸養工藝參數較多, 制備滿足長江隧道工程特殊要求的高質量大斷面隧道管片, 確立合理的大斷面隧道管片蒸養工藝參數意義重大。本文側重于對隧道管片蒸養工藝的機理進行研究, 并據此設立合理的蒸養工藝參數。
1 原材料基本性能檢測
1.1 水泥
水泥由武漢亞東水泥有限公司吳家山研磨廠生產的亞東水泥, 品種等級為42.5 普通硅酸鹽水泥,化學分析見表1。
1.2 工業廢碴
(1) 武鋼礦粉(Slag, 簡稱SL), 化學分析見表2。
(2) MPG, 礦物添加劑。
1.3 功能調節材料
( 1) 高效減水劑
武鋼浩源FDN“ZG”高效減水劑, 萘系; 管片廠用“RB”高效減水劑, 萘系。
( 2) MA、MB
自研蒸養混凝土專用外加劑。
1.4 粗細集料
( 1) 細集料
巴河河砂, 品質見表3。
(2) 粗集料
5~20 連續級配碎石,品質見表4。
2 結構層混凝土基本性能測試
2.1 結構層混凝土配合比及結果
結構層混凝土配合比及結果見表5、表6。
2.2 結構層混凝土試驗結果分析
2.2.1 膠凝材料及外加劑的影響
( 1) 膠凝材料的影響
外加劑摻量相同, J1 組膠凝材料總量為490kg/m3, J3 組膠凝材料總量為471 kg/m3。在60℃蒸汽養護制度下, J1 脫模強度31.5 MPa, 28 天強度54.8MPa; J3 脫模強度23.2 MPa, 28 天強度53.9 MPa。說明在蒸汽養護制度下, 膠凝材料用量對蒸汽養護制度下早期強度影響較大, 而后期影響不大。J2 膠凝材料用量為471 kg/m3, 礦粉摻量為20%, 脫模強度比J3 略高, 但28 天強度相對較低, 說明礦粉摻量增加對脫模強度影響小, 但對后期強度影響較大。在標準養護制度下養護28 天, J1 抗壓強度61.6 MPa, J3抗壓強度60.8 MPa, J2 抗壓強度59.4 MPa, 說明膠凝材料摻量在標準養護制度下對抗壓強度影響較小, 但對蒸汽養護制度下的抗壓強度影響較大。
( 2) 外加劑的影響
膠凝材料用量相同, 在60℃蒸汽養護制度下,J5 脫模強度為24.0 MPa, 再加入MA, J4 脫模強度與J5 相差較小, 再加入MB, J3 脫模強度與J4 相差較小, 說明MA、MB 對蒸汽養護制度下混凝土早期脫模強度影響并不大。蒸汽養護28 天, J4 相對于J5強度提高較大, 說明MA 對蒸汽養護混凝土28 天強度影響較大。
J11 外摻1%的MPG 添加劑, 坍落度較好, 而且相對于J4、J3, J11 脫模強度、28 天強度及標養28 天強度均明顯提高, 說明MPG 添加劑對蒸汽養55℃、
護及標養混凝土抗壓強度的改善都有明顯效果。
本實驗選用了RB 和ZG 兩種萘系減水劑, 根據J0、J6 試驗結果顯示, ZG 型減水劑相對于RB 型減水劑的減水效果較差一些。
2.2.2 蒸汽養護溫度的影響
對比J0、J2、J3、J6、J10 五組配方所采用的五種升溫制度, 50℃時的脫模強度最低, 恒溫養護溫度每升高5℃, 脫模強度都有所增長, 到65℃時最高, 恒溫養護溫度升至70℃時脫模強度降低。當恒溫養護溫度為50℃、55℃時, 在進行抗壓強度測試時, 混凝土破壞的強度變化曲線呈平滑曲線, 這說明混凝土強度發展仍處于塑性階段, 還沒有完全發展為剛性階段。當恒溫養護溫度為60℃、65℃時, 混凝土強度發展已較為完全, 抗壓強度破壞曲線呈突降型, 此時所測試抗壓強度也明顯高于50℃和55℃時抗壓強度。當恒溫養護溫度為70℃時, 混凝土抗壓強度降低, 這說明混凝土早期蒸汽養護溫度過高可能會因熱膨脹引起混凝土內部結構的破壞, 蒸汽養護70℃混凝土試塊表面已經出現較多可肉眼觀察到的裂紋, 裂縫長度為10～50 mm、10～20 mm 裂縫居多。
60℃、65℃試樣表面均未出現肉眼可見明顯裂紋。根據對50℃、55℃、60℃、65℃、70℃五種蒸汽養護溫度的研究發現, 采用混凝土快速蒸汽養護方法制備大斷面隧道管片適宜選用60℃～65℃蒸汽養護溫度。
2.2.3 蒸汽養護升溫方式的影響蒸汽養護升溫方式有兩種。
( 1) 第一種設置靜停溫度為20℃, 蒸汽養護升溫采用3- 3- 3- 2 方式, 即試樣成型后, 20℃靜停3 小時, 升溫3 小時, 升溫速率15℃/h, 到達養護溫度后恒溫養護3 小時, 降溫2 小時, 降溫速率15℃/h, 脫模。
( 2) 以混凝土冬季施工為參考, 設置靜停溫度隨環境變化, 實驗環境溫度5℃～10℃, 蒸汽養護升溫采用5- 5- 3- 2 方式, 即試樣成型后, 環境溫度靜停5 小時, 升溫5 小時, 升溫速率12℃/h, 到達養護溫度后恒溫養護3 小時, 降溫2 小時, 降溫速率15℃/h, 脫模。
J7- 605、J8- 605、J9- 605 蒸汽養護升溫方式采用第二種, 其它試樣蒸汽養護升溫方式均采用第一種。
以60℃為恒溫溫度, 對比兩種蒸汽養護升溫方式對混凝土抗壓強度的影響, J7- 605 脫?？箟簭姸葹?4.0 MPa, 略高于J3; J8- 605 脫模強度為31.2MPa, 明顯高于J2; J9- 605 脫模強度( 32.0 MPa) 略高于J6。說明相同恒溫溫度, 蒸汽養護升溫方式采取較低的升溫速率、較長的升溫時間有利于混凝土抗壓強度的增長。
2.3 微觀測試分析
2.3.1 XRD 分析
對蒸汽養護升溫時間采用3- 3- 3- 2 方式、恒溫溫度60℃的J0、J2、J4、J10 四組試樣做XRD 分析, 四組試樣均有明顯的Ca (OH)2 衍射峰、C3S 衍射峰、C2S衍射峰。C3S、C2S 的存在說明在蒸汽養護制度下, 11 個小時的蒸汽養護并未使膠凝組份充分水化, 仍有大量的膠凝組份處于未水化狀態。J0 組Ca(OH)2 衍射峰(0.4923 nm、0.2632 nm、0.1927 nm) 、C3S 衍射峰(0.3032 nm、0.2778 nm、0.2750 nm、0.2608 nm、0.2186nm、0.1767 nm、0.1626 nm) 、C2S 衍射峰(0.3032 nm、0.2778 nm、0.2750 nm、0.2608 nm、0.2186 nm、0.1626nm)都較強, 但并未出現明顯的AFt、AFm 衍射峰,如圖1 所示。對試樣中的Ca(OH)2 做定量分析, J0試樣Ca(OH)2 含量為13%, J2 試樣Ca(OH)2含量為8%, J4 試樣Ca(OH)2 含量為8%, J10 試樣中Ca(OH)2 含量為9%。Ca (OH)2 含量的定量分析說明, 礦粉等量替代水泥可以明顯減少礦物水化后
Ca(OH)2 的生成。膠凝礦物水化產物中Ca(OH)2 含量越少越有利于膠凝礦物水化產物結構的緊密, 對混凝土的強度及耐久性均有改善作用。同時加入礦粉, J2、J4、J10 均出現AFt 衍射峰, 說明加入礦粉后,CaO 的水化產物趨向于由Ca(OH)2 向AFt 的轉化。
對蒸汽養護升溫時間采用3- 3- 3- 2 方式、恒溫溫度分別為55℃、60℃、65℃、70℃的J10 組試樣做XRD 分析, C3S、C2S 的存在說明在55～70℃蒸汽養護制度下, 11 個小時的蒸汽養護并未使膠凝組份充分水化, 仍有大量的膠凝礦物處于未水化狀態。
55℃時Ca(OH)2 衍射峰、C3S 衍射峰、C2S 衍射峰都較強, 并有較明顯的AFt 衍射峰( 0.9718 nm) ( 圖2)。對試樣的Ca(OH)2 做定量分析, 55℃ 試樣中Ca(OH)2 含量為10%, 60℃試樣中Ca(OH)2 含量為9%, 65℃試樣中Ca(OH)2 含量為7%, 70℃ 試樣中Ca(OH)2 含量為11%。Ca(OH)2 含量的定量分析說明, 不同恒溫蒸汽養護制度下, 試樣Ca(OH)2 生成量不同, 65℃時試樣的Ca(OH)2 含量相對較少, 混凝土的脫模強度也相應較高, 但同時出現較明顯AFt 衍
射峰( 0.9804 nm) 和AFm 衍射峰( 0.8014 nm) 。AFt和AFm 同時存在可能引起晶型轉變對體積穩定性
的不良影響, 需要進一步研究。70℃試樣有AFt 衍射峰( 0.9847 nm) , 但并不明顯, 說明70℃混凝土試樣表面的裂紋及混凝土強度的降低可能并不是因為延遲AFt 引起, 而是由于溫度應力引起內部結構破壞導致強度降低。
對蒸汽養護升溫時間采用3- 3- 3- 2 方式、恒溫溫度65℃的J0、J10、J11 及恒溫溫度55℃ 的J2四組試樣做XRD 分析, J0 組Ca (OH)2 衍射峰、C3S衍射峰、C2S 衍射峰都較強, 并出現AFt 衍射峰( 0.9739 nm) , 如圖3 所示。對試樣中的Ca(OH)2 做定量分析, J0 試樣中Ca(OH)2 含量為12%, J10 試樣中Ca(OH)2 含量為7%, J2 試樣中Ca(OH)2 含量為10%, J11 試樣中Ca(OH)2 含量為7%。Ca(OH)2 含量的定量分析說明, 65℃恒溫蒸汽養護制度下, 礦粉等量替代水泥可以明顯減少礦物水化后Ca(OH)2 的生成; 但55℃恒溫蒸汽養護制度下的J2, 由于養護溫度過低, 膠凝礦物的水化不宜于C-S-H 凝膠的生成, 而較多生成Ca(OH)2, 導致膠凝礦物結構強度較低。J2 也出現了較為明顯的AFt 衍射峰( 0.9697 nm)和AFm 衍射峰( 0.8014 nm) 。AFt 衍射峰和AFm 衍射峰的同時出現也說明水化硫鋁酸鈣處于介穩狀態, 隨時可能因為外界環境的變化而導致晶型轉變。
由于AFt 和AFm 相互轉變后體積變化很大, 很容易引起試樣體積的不穩定, 這也說明55℃恒溫蒸汽養護制度對混凝土的強度發展不利, 提高混凝土管片脫模強度及耐久性應采用大于55℃恒溫蒸汽養護制度。J11 試樣Ca(OH)2 含量7%, 說明在65℃恒溫蒸汽養護制度下, 1%的MPG 添加劑更有利于C-S-H 凝膠的生成。
2.3.2 SEM 顯微圖譜分析
蒸汽養護升溫時間采用3- 3- 3- 2 方式、60℃恒溫蒸汽養護制度下, J0 試樣SEM 顯微圖譜中可明顯看到C-S-H 水化凝膠, 并有較小塊狀Ca(OH)2結晶顆粒, 如圖4(a)所示。
55℃恒溫蒸汽養護制度下, J10 試樣SEM 顯微圖譜中有顯明C-S-H 水化凝膠, 并有少量大塊狀Ca(OH)2 結晶顆粒, 如圖4(b)所示。大塊狀Ca(OH)2結晶顆粒表面較光滑平整, 不能與周圍凝膠及其它介質很好膠結硬化, 并且由圖2 的XRD 圖譜及Ca(OH)2的定量分析結果其Ca(OH)2 含量10%, 較高的Ca(OH)2含量及塊狀光滑表面的結晶狀態可能是導致55℃恒溫蒸汽養護制度下試樣強度較低的主要因素。
60℃恒溫蒸汽養護制度下, J10 試樣C-S-H 凝膠較多, 并且膠結面積較大, 整體結構較緊密, 沒有發現塊狀、表面光滑的Ca(OH)2 結晶, 如圖4(c) 所示。
65℃ 恒溫蒸汽養護制度下, J10 試樣C-S-H 凝膠較多, 同時出現光滑片狀、塊狀Ca(OH)2 結晶, 由Ca(OH)2 的定量分析結果, 65℃J10 試樣中Ca(OH)2含量僅有7%, 光滑片狀、塊狀Ca(OH)2 結晶顆粒對膠凝礦物水化產物強度影響并不大。70℃恒溫蒸汽養護制度下, J10 試樣中出現較多片狀Ca(OH)2 結晶, 并且Ca(OH)2 結晶與周圍凝膠結合較緊密, 但整體通道型大孔增加, 由Ca(OH)2 的定量分析結果,70℃J10 試樣中Ca(OH)2 含量增為11%, 也可能是導致70℃J10 試樣強度倒縮的原因。
J11 采用礦粉25%等量取代水泥, 并外摻1%MPG 添加劑, 在65℃恒溫蒸汽養護制度下, J11 試樣SEM 顯微圖譜中礦物水化產物主要以C-S-H 水化凝膠形式存在, 并且C-S-H 凝膠相互交叉搭接成較為緊密, 大通道空隙少, 如圖4(f)所示。并且, 圖譜中很少發現Ca(OH)2 結晶, 由圖3 所示, 定量分析Ca(OH)2 含量僅7%, 這也可能是J11 在65℃恒溫蒸汽養護制度下抗壓強度較高的原因。
3 結論
( 1) 制備大截面隧道管片, 蒸汽養護恒溫溫度應控制在55℃～65℃, 升溫時間采用3- 3- 3- 2方式, 而冬季施工蒸汽養護升溫適宜采用5- 5-3- 2 方式, 結構層混凝土水灰比可控制在0.32～0.34, 坍落度損失可控制在30～70 mm, 蒸養后脫模強度≥23 MPa;
( 2) 在65℃蒸汽養護制度下, J10 試樣XRD 圖譜同時出現AFt 和AFm, 在外界條件的變化下, 由于晶型轉化而出現延遲AFt 現象會導致體積膨脹引起管片開裂, 因此蒸汽養護溫度不宜超過65℃; 在55℃蒸汽養護制度下, J2 試樣XRD 圖譜同時出現AFt 和AFm, 考慮到脫模強度和延遲AFt 的潛在危害, 因此蒸汽養護溫度不宜低于55℃。
( 3) 在65℃ 蒸汽養護制度下, J11 試樣采用MPG 添加劑, MPG 添加劑能明顯減少Ca(OH)2 結晶生成而促進C-S-H 膠凝的大量生成, 對蒸汽養護混凝土早期脫模強度有明顯改善作用, 并可消除由于65℃蒸汽養護制度下延遲AFt 的潛在危害。
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