摘要:本文研究了蒸氧制度（静养时间、升温速度、恒温时间及恒温温度）对管片混凝土体积稳定性能的影响规律，并建立了蒸氧制度下管片混凝土自收缩大小预测模型。结果表明：蒸养有利于C50管片混凝土的后期体积稳定性；静养时间的延长、升温速度加快、恒温时间的增加和恒温温度提高均会降低C50管片混凝土的后期自收缩。
关键词:蒸氧制度 C50管片混凝土 收缩
0 前言
盾构法施工是修建地下隧道、管道工程主要方法。管片是隧道建设最重要和最关键的结构构件，由若干预制管片或砌块拼装构成隧道衬砌结构体，管片必须满足工程结构要求与安全质量指标要求，管片性能的优劣对盾构隧道工程质量和服役寿命具有决定性的影响。收缩是影响管片混凝土体积稳定性和抗裂性能的重要因素[1]。混凝土因水胶比低、单方水泥用量大，其自收缩和干缩均较高，严重影响管片混凝土的体积稳定性，对混凝土结构的耐久性也有较大影响[2]。因此，收缩是混凝土在实际工程，特别是对混凝土体积稳定性要求较高的隧道工程中需要深入研究的问题之一。当管片混凝土采用蒸养时，由于水泥水化速度加快，混凝土内部早期水化产物的组成和结构影响很大，蒸氧制度下混凝土收缩与标准养护时有较大区别。为此，本文主要研究了蒸养制度对C50管片混凝土收缩性能的影响。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料及C50管片混凝土配合比
水泥：亚东42.5R级普通硅酸盐水泥；矿渣微粉：武钢绿色冶金渣公司生产的磨细矿渣微粉，比表面积为440m2/kg，密度2.8g/cm3 ；细骨料：巴河河沙，细度模数为2.6；粗骨料：5~25连续级配的碎石，压碎值为7.8%，针片状含量为8.5%；外加剂：花王迈地150萘系高效减水剂，减水率为25%。
混凝土配合比如表1所示：
表1 混凝土试验配合比 kg/m3
1.2 试验方法
1) 混凝土成型及蒸养制度的设计
混凝土由强制式搅拌机拌和，搅拌时间为2min，振动密实成型。一部分试件采用标准养护，一部分采用蒸养。蒸养制度为：入模后预养3h，然后以15℃/h升温至50℃，恒温3h后以15℃/h降温至室温。为了考察蒸养参数变化对高强混凝土抗氯离子渗透性能的影响，分别对预养时间、升温速度、恒温时间及恒温温度进行了调整，具体试验方案见表2。
表2 蒸养制度方案
2) 体积收缩试验方法
参照GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行蒸养混凝土的收缩性能试验，试件为尺寸100×100×515mm的棱柱体，对于蒸养混凝土试件，试件成型后按蒸养制度进行蒸养，蒸养结束后脱模并移入标准养护室（温度20±3℃，湿度大于90%）养护，在3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）从标准养护室取出并立即移入恒温恒湿室(温度20±2℃，相对湿度60±5%)测定其初始长度，测量精度为0.001mm，此后按1、3、7、14、21、28、45、60、90、180d（从移入恒温恒湿室内算起）时间间隔测量其变形读数；对标准养护试件，试件成型1d后脱模再移入标准养护室，在3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）从标准养护室取出并立即移入恒温恒湿室(温度20±2℃，相对湿度60±5%)测定其初始长度，测量精度为0.001mm，此后按1、3、7、14、21、28、45、60、90、180d（从移入恒温恒湿室内算起）时间间隔测量其变形读数。
3) 自收缩试验方法
每组混凝土成型3块100×100×300mm的试件，成型时试件两端预埋可拆卸式铜探头。试件结束蒸养并脱模后，先用熔融石蜡对试件进行密封处理，再用塑料薄膜并涂抹凡士林包裹严实，将试件置于标准养护室养护，1d后（从混凝土加水拌和时算起）测试试件初值并开始计时，此后分别测定1、3、7、14、21、28、45、60、90、180d（从计时算起）时试件变形读数，精确到0.001mm，经计算得到各混凝土试件相应时期的自收缩率。
2 结果与分析
2.1蒸养参数对高强混凝土后期收缩性能的影响
图1 静养时间对C50管片混凝土收缩影响 图2 升温速度对蒸养高强混凝土收缩影响
由图1可知，C50管片混凝土在45d龄期前收缩率增长较快，到60d后收缩基本稳定。随着静养时间由2h增加到3h和4h时，蒸养混凝土60d的收缩率从2.36×10-4减小到2.2×10-4和2.13×10-4，90d收缩率从2.4×10-4蒸养C50管片混凝土的蒸养过程一般分为4个阶段：静养阶段、升温阶段、恒温阶段和降温阶段。静养阶段能增强管片混凝土在升温阶段对结构破坏的抵抗能力；升温阶段是指混凝土由常温上升到恒定温度的阶段，应避免混凝土温度急速上升、体积膨胀而产生裂缝，升温速度不能过快；恒温阶段是水泥水化速度最大、混凝土强度增长最快的阶段，恒温时间和恒温温度是主要控制参数；降温阶段，混凝土温度逐步降至常温。
为考察静养时间、升温速度、恒温时间和恒温温度四蒸养参数对管片混凝土收缩性能的影响，选取了表2中p2、p3、p4、p6、p8、p10、p11、p14、p15进行管片混凝土收缩性能试验，并与标准养护试件（p0）进行了对比。试验结果如下图1、图2、图3及图4所示。
减小到2.35×10-4和2.2×10-4，180d收缩率从2.5×10-4减小到2.4×10-4和2.25×10-4。可见，随着静养时间的延长，蒸养C50管片混凝土的收缩率逐渐减小。因此，增加静养时间对C50管片混凝土的后期体积稳定性有利。
由图2、图3及图4可知，提高蒸养时的升温速度、延长C50管片混凝土恒温时间或提高恒温温度，均能减小C50管片混凝土的收缩率。因此，提高升温速度、延长恒温时间或提高蒸养时的恒温温度同样对C50管片混凝土的后期体积稳定性有利。
图3 恒温时间对蒸养高强混凝土收缩影响 图4 恒温温度对蒸养高强混凝土收缩影响
2.2 蒸养参数对C50管片混凝土自收缩的影响
为考察蒸养制度对高强混凝土自收缩性能的影响，按表2各蒸养制度研究分析了各蒸养参数，即静养时间、升温速度、恒温时间及恒温温度，对C50管片混凝土自收缩的影响。从各试件的自收缩试验结果可以发现，随着养护时间的延长，各蒸养制度下高强混凝土的自收缩值逐渐增大，在14d至21d之前，自收缩增加速度较快，此后逐渐增幅减缓，至60d、90d时均趋于稳定，为此，本文以各蒸养制度下90d时自收缩测试结果来评价蒸养制度中各蒸养参数对自收缩的影响。试验中各蒸养制度下高强混凝土试样的90d自收缩值列于表3中。
表3 不同蒸养制度下高强混凝土自收缩（×10-4）
1) 静养时间
由表3中p1～p5所示结果可知，静养时间对C50管片混凝土的自收缩性能有较明显的影响，随着静养时间延长，C50管片混凝土自收缩减小，即其体积稳定性能得到明显改善。其原因主要是静养时间对混凝土的初始强度形成有一定影响，静养时间延长，蒸养时混凝土内部因自干燥而产生的拉应力增强，混凝土在蒸养前的结构强度增大，抵抗变形的能力越强，从而混凝土的自收缩越低。
分析不同静养时间对混凝土自收缩可知，静养时间对混凝土的自收缩性能有显著的影响，随着静养时间延长，蒸养混凝土的自收缩降低。本文各试样蒸养参数均围绕p3试样蒸养参数的取值波动，试验结果也围绕P3试样结果波动，因此取p3试样为基准，通过回归分析来建立各蒸养参数对混凝土自收缩影响的预测方程，其中静养时间对混凝土自收缩影响的预测方程为：
式中， ,3ASε为p3试样，即静养3h、升温速度15℃/h、恒温温度50℃、恒温时间3h
进行蒸养的C50管片混凝土各测试时间的自收缩值（/10-4）， 与混凝土静养时间ta1有关，称为静养时间相关性系数。取各试样90d自收缩值为基准，对试验数据进行回归分析，经曲线拟合可得，静养系数与静养时间ta1(单位：h)存在式(式2)所示关系式
由图6可见，随着静养时间的延长，蒸养混凝土的静养时间系数上升，即混凝土的后期自收缩值减小。因此，延长蒸养混凝土的静停预养时间，有利于混凝土的后期体积稳定。
图6 静养时间系数与静养时间 图7 升温速度系数与升温速度 
2) 升温速度
升温速度对蒸养混凝土90d自收缩影响的测试结果见表3中p3、p6～p8。四种升温速度条件下，蒸养混凝土的自收缩随着升温速度的加快而减小，其原因主要是，在混凝土开始凝结硬化但尚不具有足够强度的这段时期内，混凝土内部气体与水由于升温产生的热胀作用，将增加混凝土中的孔隙量，并引起内部裂缝，升温速度越高，气体和水汽产生热胀作用越强，混凝土内部形成的微细裂缝数量及裂缝宽度越大，即是混凝土内部大孔数量和孔径均增加，因此混凝土自干燥产生的收缩应力反而越低，从而混凝土自收缩较低。
2) 升温速度
升温速度对蒸养混凝土90d自收缩影响的测试结果见表3中p3、p6～p8。四种升温速度条件下，蒸养混凝土的自收缩随着升温速度的加快而减小，其原因主要是，在混凝土开始凝结硬化但尚不具有足够强度的这段时期内，混凝土内部气体与水由于升温产生的热胀作用，将增加混凝土中的孔隙量，并引起内部裂缝，升温速度越高，气体和水汽产生热胀作用越强，混凝土内部形成的微细裂缝数量及裂缝宽度越大，即是混凝土内部大孔数量和孔径均增加，因此混凝土自干燥产生的收缩应力反而越低，从而混凝土自收缩较低。由以上试验结果和分析可知，升温速度增加，蒸养混凝土自收缩下降，蒸养混凝土的自收缩与升温速度相关。为了预测不同升温速度对混凝土自收缩性能影响，以p3试样（升温速度中间值）为基准，可设混凝土经V（℃/h）的速度升温至50℃，C50管片混凝土自收缩率,ASε蒸养表示为：
式中， ,3ASε为p3组混凝土各测试时间的自收缩值（/10-4），b与混凝土蒸养升温速度V有关，称为升温速度相关性系数。取各试样90d自收缩试验数据，进行曲线拟合与回归分析(图7)，得到升温速度系数b与升温速度V之间存在式4所示关系式（R2=0.989）：
由图7可知，随着蒸养时升温速度的增加，蒸养混凝土的升温速度系数增加，即混凝土的后期收缩值减小。因此，提高蒸养混凝土的升温速度，有利于C50管片混凝土的后期体积稳定。
升温速度还应该考虑钢模受热膨胀造成的影响。钢模传热性能好，能够按照控制的升温速率快速达到预定的恒温温度，并产生一定的膨胀，而混凝土与钢模的热膨胀系数不同（钢的热膨胀系数约为15×10-6/℃，混凝土的热膨胀系数约为10×10-6/℃），两者膨胀不一致，膨胀量大的钢模对膨胀量小的混凝土会产生拉应力，在混凝土强度很低不足以承受这种拉应力时就会产生裂纹。因此对于C50管片混凝土，应严格控制工艺流程，不应采用高于30℃/h的升温温度，并避免钢模在蒸养过程中直接受到蒸汽的加热。
3) 恒温时间
由p9、p10、p3、p11、p12试样的试验结果可知，蒸养时恒温时间延长，混凝土的自收缩值降低。这主要是因为：1）高温养护时间越长，水泥水化程度和数量越高，同时混凝土内更多的矿物掺和料参与二次水化反应，混凝土的结构强度就越高，抵抗混凝土自干燥产生收缩应力的能力越强；2）本试验中，混凝土是在结束蒸养后再开始自收缩的测试，而蒸养阶段混凝土的自收缩已经产生，恒温时间越长，水泥水化程度越高、参与二次反应的矿物掺合料也越多，因而产生的自收缩占总的自收缩比例就越高，试验所测得的自收缩结果就越低；3）在高温养护的作用下，混凝土成型过程中产生的气泡及内部水分均会出现膨胀现象，随着恒温养护时间的延长，混凝土内部的更多气泡可能出现膨胀、破裂和连通现象，在混凝土内部形成较多的微裂缝和连通孔，恒温时间越长，出现连通孔道的几率及其数量将大大提高，因而混凝土自干燥产生的收缩应力就越小，因此表现出C50管片混凝土随恒温时间延长自收缩降低的趋势。
由试验结果和以上分析可知，蒸养混凝土自收缩大小与恒温时间有关，恒温时间延长，混凝土自收缩减小，为建立蒸养混凝土自收缩大小与恒温时间的预测方程，同时减小预测误差，本试验以p3试样（恒温时间中间值）为基础，建立不同恒温时间下C50管片混凝土的自收缩率,ASε蒸养预测方程：gongshi5式中，,3ASε为p3组C50管片混凝土试样各测试时间的自收缩值，c与混凝土蒸养恒温时间有关，称为恒温时间相关性系数。采用各试样90d试验数据经曲线拟合和回归分析(图8)，得恒温时间系数c与恒温时间t2之间存在式（式 6）所示关系式：
R2=0.990，表明该预测方程中恒温温度系数c与恒温温度有较好的相关性。
由图8可见，随着恒温时间的延长，恒温时间系数增大，即蒸养混凝土的后期收缩值减小，说明延长蒸养混凝土恒温时间有利于混凝土后期体积稳定。在高强混凝土预制构件生产中，可通过延长恒温时间的方法改善混凝土构件成型以后的体积稳定性。
图8 恒温时间系数与恒温时间 图9 恒温温度系数d与恒温温度
4) 恒温温度
由p3、p13～p15试样的测试结果可知，蒸养时恒温温度升高，混凝土的自收缩值也降低。分析其原因是，1）恒温温度越高，水泥水化速度越快，参与水化的水泥数量越多，反应程度也越高，参与二次水化反应的矿物掺和料量也越多，因而混凝土的结构强度就越高，抵抗混凝土自干燥产生收缩应力的能力越强；2）在蒸养的条件下，混凝土成型过程中产生的气泡及内部水分均会出现膨胀现象，可能出现破裂形成裂缝和连通现象，从而在混凝土内部形成较多的微裂纹和连通孔。其他条件相同，恒温温度升高时，出现较大微裂纹的数量和几率均将大大提高，混凝土自干燥产生的收缩应力就越小，因此表现出C50管片混凝土随恒温温度升高自收缩降低的趋势。
由试验结果可知，恒温温度升高时，蒸养混凝土自收缩值减小。为建立蒸养混凝土自收缩大小与恒温温度的预测方程，同时减小预测误差，以p3试样（恒温温度中间值）为基础，建立不同恒温温度下C50管片混凝土的自收缩率,ASε蒸养预测方程：
式中，,3ASε为p3试样各测试时间的自收缩值，而与混凝土蒸养恒温温度T有关，称为恒温温度相关性系数。以各试样90d自收缩值为基础，对试验数据进行曲线拟合和回归分析(图9)，恒温温度系数与恒温温度T之间存在式（式 8）所示关系式：
其R2=0.997，表明该预测方程中恒温温度系数d与蒸养时的恒温温度有很好的相关性。由图9见，随着恒温温度的提高，恒温温度系数上升，即蒸养混凝土的后期收缩值减小，说明蒸养时提高恒温温度有利于蒸养混凝土后期体积稳定。在预制高强混凝土构件生产中，可以通过提高恒温温度的方法改善混凝土构件成型以后的体积稳定性。
3 结论
(1) 蒸汽养护有利于C50管片混凝土的后期体积稳定性，且随着静养时间的延长、恒温温度的提高、恒温时间的延长后期体积稳定性能越好；
(2) 静养时间的延长、升温速度加快、恒温时间的增加和恒温温度提高均会降低蒸养C50管片混凝土的后期自收缩；
(3) 蒸养制度下C50管片混凝土自收缩大小的预测模型，可便捷地对自收缩大小进行计算预测，减小C50管片混凝土自收缩测试的工作量，便于结构构件的设计和应用；还可根据预测模型，按实际工程中对混凝土自收缩大小的要求，能适时地提供高强混凝土蒸养制度调整的可能性方案，便于工程应用。
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