摘要:在蒸汽养护制度下, 隧道管片混凝土脱模强度与蒸汽养护制度关系密切。根据工程实际施工需要, 隧道管片蒸汽养护时间不宜超过12 小时。制备大断面隧道管片, 蒸汽养护恒温温度应控制在55～65℃, 春秋季升温时间采用3- 3- 3- 2 方式, 而冬季施工蒸汽养护升温时间适宜采用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, 蒸养后脱模强度≥23 MPa; 在55℃和65℃蒸汽养护制度下, 试样XRD 图谱同时出现AFt 衍射峰和AFm 衍射峰, 在外界条件的变化下, 由于晶型转换而发生延迟AFt 现象。采用MPG 矿物添加剂, 能减少Ca(OH)2 结晶生成并促进C- S- H 胶凝的大量生成, 对蒸汽养护混凝土早期脱模强度有明显改善作用。
关键词:隧道 管片 混凝土 蒸养工艺 参数
中图分类号: U453.6 ;U455.91 文献标识码: A
武汉长江隧道通过地层软硬不均, 沿纵向具有地质条件变化复杂、沉降不均, 以及隧道埋深大、水压大( 断面最大水压达到0.57 MPa) 等显著特点, 因此研究大断面隧道管片的生产关键技术不仅可以解决该工程的技术难题, 也为我国21 世纪大规模开发地下空间提供了关键材料和技术支撑。为制备满足长江隧道工程特殊要求的大断面隧道管片, 确立大断面隧道管片蒸养关键工艺参数是技术难点之一。
不同原材料的蒸养工艺参数不同。矿碴微细粉商品混凝土具有早期强度低、后期强度高的特点, 将其应用于蒸汽养护混凝土预制构件中, 会使矿碴微细粉的耐热性能得以充分发挥, 不仅混凝土的后期强度不降低, 而且混凝土早期强度也能明显提高, 弥补了矿碴微细粉混凝土早期强度偏低的不足[1]。以矿碴微粉为主要掺合料, 在55℃～75℃蒸气养护4～6 h 后的蒸养条件下, 混凝土强度明显提高[2]。恒温温度60℃±5℃, 养护时间采用2-2-8-1 方式, 纯普通硅酸盐水泥混凝土采用蒸汽养护时可能强度倒缩, 而掺入粉煤灰后可较好地避免此不良现象, 并且蒸养粉煤灰混凝土后期强度一直都处于增长状态[3]。
不同的混凝土预制构件的蒸养工艺参数不同。养护制备4 h、85 ℃的混凝土电杆具有良好的早期强度及耐久性[4]。预制混凝土箱梁恒温温度控制在50℃～53℃[5]。
不同研究者对盾构隧道管片混凝土蒸养工艺参数的设定看法不一: 管片升温速度控制在15℃～20℃/ h,最高养护温度45℃～50℃, 恒温2～3 h, 降温速度不大于20℃/h[6]; 管片升温速度不得超过15℃/h, 最高温度为60℃, 恒温时间2 h, 降温速度不超过20℃/h[7]; 管片升温时速度宜控制在15℃/h, 最高养护温度宜控制在60℃～80℃, 恒温3～4 h,降温速度宜控制在10℃/h[8]; 管片蒸养温度为55℃～60℃, 最高不超过80℃, 恒温时间一般在2 h 左右[9]; 恒温温度60℃, 养护时间采用2-2-8-1 方式, 制备的蒸养混凝土具有良好的力学性能和抗冻性能[10]。
蒸养升温速率和降温速率过快、恒温温度过高都会由于温差应力引起混凝土开裂、裂纹数量增加;蒸养恒温时间和静停时间过短会降低混凝土脱模强度。
综上所述, 影响混凝土蒸养工艺参数较多, 制备满足长江隧道工程特殊要求的高质量大断面隧道管片, 确立合理的大断面隧道管片蒸养工艺参数意义重大。本文侧重于对隧道管片蒸养工艺的机理进行研究, 并据此设立合理的蒸养工艺参数。
1 原材料基本性能检测
1.1 水泥
水泥由武汉亚东水泥有限公司吴家山研磨厂生产的亚东水泥, 品种等级为42.5 普通硅酸盐水泥,化学分析见表1。
1.2 工业废碴
(1) 武钢矿粉(Slag, 简称SL), 化学分析见表2。
(2) MPG, 矿物添加剂。
1.3 功能调节材料
( 1) 高效减水剂
武钢浩源FDN“ZG”高效减水剂, 萘系; 管片厂用“RB”高效减水剂, 萘系。
( 2) MA、MB
自研蒸养混凝土专用外加剂。
1.4 粗细集料
( 1) 细集料
巴河河砂, 品质见表3。
(2) 粗集料
5~20 连续级配碎石,品质见表4。
2 结构层混凝土基本性能测试
2.1 结构层混凝土配合比及结果
结构层混凝土配合比及结果见表5、表6。
2.2 结构层混凝土试验结果分析
2.2.1 胶凝材料及外加剂的影响
( 1) 胶凝材料的影响
外加剂掺量相同, J1 组胶凝材料总量为490kg/m3, J3 组胶凝材料总量为471 kg/m3。在60℃蒸汽养护制度下, J1 脱模强度31.5 MPa, 28 天强度54.8MPa; J3 脱模强度23.2 MPa, 28 天强度53.9 MPa。说明在蒸汽养护制度下, 胶凝材料用量对蒸汽养护制度下早期强度影响较大, 而后期影响不大。J2 胶凝材料用量为471 kg/m3, 矿粉掺量为20%, 脱模强度比J3 略高, 但28 天强度相对较低, 说明矿粉掺量增加对脱模强度影响小, 但对后期强度影响较大。在标准养护制度下养护28 天, J1 抗压强度61.6 MPa, J3抗压强度60.8 MPa, J2 抗压强度59.4 MPa, 说明胶凝材料掺量在标准养护制度下对抗压强度影响较小, 但对蒸汽养护制度下的抗压强度影响较大。
( 2) 外加剂的影响
胶凝材料用量相同, 在60℃蒸汽养护制度下,J5 脱模强度为24.0 MPa, 再加入MA, J4 脱模强度与J5 相差较小, 再加入MB, J3 脱模强度与J4 相差较小, 说明MA、MB 对蒸汽养护制度下混凝土早期脱模强度影响并不大。蒸汽养护28 天, J4 相对于J5强度提高较大, 说明MA 对蒸汽养护混凝土28 天强度影响较大。
J11 外掺1%的MPG 添加剂, 坍落度较好, 而且相对于J4、J3, J11 脱模强度、28 天强度及标养28 天强度均明显提高, 说明MPG 添加剂对蒸汽养55℃、
护及标养混凝土抗压强度的改善都有明显效果。
本实验选用了RB 和ZG 两种萘系减水剂, 根据J0、J6 试验结果显示, ZG 型减水剂相对于RB 型减水剂的减水效果较差一些。
2.2.2 蒸汽养护温度的影响
对比J0、J2、J3、J6、J10 五组配方所采用的五种升温制度, 50℃时的脱模强度最低, 恒温养护温度每升高5℃, 脱模强度都有所增长, 到65℃时最高, 恒温养护温度升至70℃时脱模强度降低。当恒温养护温度为50℃、55℃时, 在进行抗压强度测试时, 混凝土破坏的强度变化曲线呈平滑曲线, 这说明混凝土强度发展仍处于塑性阶段, 还没有完全发展为刚性阶段。当恒温养护温度为60℃、65℃时, 混凝土强度发展已较为完全, 抗压强度破坏曲线呈突降型, 此时所测试抗压强度也明显高于50℃和55℃时抗压强度。当恒温养护温度为70℃时, 混凝土抗压强度降低, 这说明混凝土早期蒸汽养护温度过高可能会因热膨胀引起混凝土内部结构的破坏, 蒸汽养护70℃混凝土试块表面已经出现较多可肉眼观察到的裂纹, 裂缝长度为10～50 mm、10～20 mm 裂缝居多。
60℃、65℃试样表面均未出现肉眼可见明显裂纹。根据对50℃、55℃、60℃、65℃、70℃五种蒸汽养护温度的研究发现, 采用混凝土快速蒸汽养护方法制备大断面隧道管片适宜选用60℃～65℃蒸汽养护温度。
2.2.3 蒸汽养护升温方式的影响蒸汽养护升温方式有两种。
( 1) 第一种设置静停温度为20℃, 蒸汽养护升温采用3- 3- 3- 2 方式, 即试样成型后, 20℃静停3 小时, 升温3 小时, 升温速率15℃/h, 到达养护温度后恒温养护3 小时, 降温2 小时, 降温速率15℃/h, 脱模。
( 2) 以混凝土冬季施工为参考, 设置静停温度随环境变化, 实验环境温度5℃～10℃, 蒸汽养护升温采用5- 5- 3- 2 方式, 即试样成型后, 环境温度静停5 小时, 升温5 小时, 升温速率12℃/h, 到达养护温度后恒温养护3 小时, 降温2 小时, 降温速率15℃/h, 脱模。
J7- 605、J8- 605、J9- 605 蒸汽养护升温方式采用第二种, 其它试样蒸汽养护升温方式均采用第一种。
以60℃为恒温温度, 对比两种蒸汽养护升温方式对混凝土抗压强度的影响, J7- 605 脱模抗压强度为24.0 MPa, 略高于J3; J8- 605 脱模强度为31.2MPa, 明显高于J2; J9- 605 脱模强度( 32.0 MPa) 略高于J6。说明相同恒温温度, 蒸汽养护升温方式采取较低的升温速率、较长的升温时间有利于混凝土抗压强度的增长。
2.3 微观测试分析
2.3.1 XRD 分析
对蒸汽养护升温时间采用3- 3- 3- 2 方式、恒温温度60℃的J0、J2、J4、J10 四组试样做XRD 分析, 四组试样均有明显的Ca (OH)2 衍射峰、C3S 衍射峰、C2S衍射峰。C3S、C2S 的存在说明在蒸汽养护制度下, 11 个小时的蒸汽养护并未使胶凝组份充分水化, 仍有大量的胶凝组份处于未水化状态。J0 组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)都较强, 但并未出现明显的AFt、AFm 衍射峰,如图1 所示。对试样中的Ca(OH)2 做定量分析, J0试样Ca(OH)2 含量为13%, J2 试样Ca(OH)2含量为8%, J4 试样Ca(OH)2 含量为8%, J10 试样中Ca(OH)2 含量为9%。Ca (OH)2 含量的定量分析说明, 矿粉等量替代水泥可以明显减少矿物水化后
Ca(OH)2 的生成。胶凝矿物水化产物中Ca(OH)2 含量越少越有利于胶凝矿物水化产物结构的紧密, 对混凝土的强度及耐久性均有改善作用。同时加入矿粉, J2、J4、J10 均出现AFt 衍射峰, 说明加入矿粉后,CaO 的水化产物趋向于由Ca(OH)2 向AFt 的转化。
对蒸汽养护升温时间采用3- 3- 3- 2 方式、恒温温度分别为55℃、60℃、65℃、70℃的J10 组试样做XRD 分析, C3S、C2S 的存在说明在55～70℃蒸汽养护制度下, 11 个小时的蒸汽养护并未使胶凝组份充分水化, 仍有大量的胶凝矿物处于未水化状态。
55℃时Ca(OH)2 衍射峰、C3S 衍射峰、C2S 衍射峰都较强, 并有较明显的AFt 衍射峰( 0.9718 nm) ( 图2)。对试样的Ca(OH)2 做定量分析, 55℃ 试样中Ca(OH)2 含量为10%, 60℃试样中Ca(OH)2 含量为9%, 65℃试样中Ca(OH)2 含量为7%, 70℃ 试样中Ca(OH)2 含量为11%。Ca(OH)2 含量的定量分析说明, 不同恒温蒸汽养护制度下, 试样Ca(OH)2 生成量不同, 65℃时试样的Ca(OH)2 含量相对较少, 混凝土的脱模强度也相应较高, 但同时出现较明显AFt 衍
射峰( 0.9804 nm) 和AFm 衍射峰( 0.8014 nm) 。AFt和AFm 同时存在可能引起晶型转变对体积稳定性
的不良影响, 需要进一步研究。70℃试样有AFt 衍射峰( 0.9847 nm) , 但并不明显, 说明70℃混凝土试样表面的裂纹及混凝土强度的降低可能并不是因为延迟AFt 引起, 而是由于温度应力引起内部结构破坏导致强度降低。
对蒸汽养护升温时间采用3- 3- 3- 2 方式、恒温温度65℃的J0、J10、J11 及恒温温度55℃ 的J2四组试样做XRD 分析, J0 组Ca (OH)2 衍射峰、C3S衍射峰、C2S 衍射峰都较强, 并出现AFt 衍射峰( 0.9739 nm) , 如图3 所示。对试样中的Ca(OH)2 做定量分析, J0 试样中Ca(OH)2 含量为12%, J10 试样中Ca(OH)2 含量为7%, J2 试样中Ca(OH)2 含量为10%, J11 试样中Ca(OH)2 含量为7%。Ca(OH)2 含量的定量分析说明, 65℃恒温蒸汽养护制度下, 矿粉等量替代水泥可以明显减少矿物水化后Ca(OH)2 的生成; 但55℃恒温蒸汽养护制度下的J2, 由于养护温度过低, 胶凝矿物的水化不宜于C-S-H 凝胶的生成, 而较多生成Ca(OH)2, 导致胶凝矿物结构强度较低。J2 也出现了较为明显的AFt 衍射峰( 0.9697 nm)和AFm 衍射峰( 0.8014 nm) 。AFt 衍射峰和AFm 衍射峰的同时出现也说明水化硫铝酸钙处于介稳状态, 随时可能因为外界环境的变化而导致晶型转变。
由于AFt 和AFm 相互转变后体积变化很大, 很容易引起试样体积的不稳定, 这也说明55℃恒温蒸汽养护制度对混凝土的强度发展不利, 提高混凝土管片脱模强度及耐久性应采用大于55℃恒温蒸汽养护制度。J11 试样Ca(OH)2 含量7%, 说明在65℃恒温蒸汽养护制度下, 1%的MPG 添加剂更有利于C-S-H 凝胶的生成。
2.3.2 SEM 显微图谱分析
蒸汽养护升温时间采用3- 3- 3- 2 方式、60℃恒温蒸汽养护制度下, J0 试样SEM 显微图谱中可明显看到C-S-H 水化凝胶, 并有较小块状Ca(OH)2结晶颗粒, 如图4(a)所示。
55℃恒温蒸汽养护制度下, J10 试样SEM 显微图谱中有显明C-S-H 水化凝胶, 并有少量大块状Ca(OH)2 结晶颗粒, 如图4(b)所示。大块状Ca(OH)2结晶颗粒表面较光滑平整, 不能与周围凝胶及其它介质很好胶结硬化, 并且由图2 的XRD 图谱及Ca(OH)2的定量分析结果其Ca(OH)2 含量10%, 较高的Ca(OH)2含量及块状光滑表面的结晶状态可能是导致55℃恒温蒸汽养护制度下试样强度较低的主要因素。
60℃恒温蒸汽养护制度下, J10 试样C-S-H 凝胶较多, 并且胶结面积较大, 整体结构较紧密, 没有发现块状、表面光滑的Ca(OH)2 结晶, 如图4(c) 所示。
65℃ 恒温蒸汽养护制度下, J10 试样C-S-H 凝胶较多, 同时出现光滑片状、块状Ca(OH)2 结晶, 由Ca(OH)2 的定量分析结果, 65℃J10 试样中Ca(OH)2含量仅有7%, 光滑片状、块状Ca(OH)2 结晶颗粒对胶凝矿物水化产物强度影响并不大。70℃恒温蒸汽养护制度下, J10 试样中出现较多片状Ca(OH)2 结晶, 并且Ca(OH)2 结晶与周围凝胶结合较紧密, 但整体通道型大孔增加, 由Ca(OH)2 的定量分析结果,70℃J10 试样中Ca(OH)2 含量增为11%, 也可能是导致70℃J10 试样强度倒缩的原因。
J11 采用矿粉25%等量取代水泥, 并外掺1%MPG 添加剂, 在65℃恒温蒸汽养护制度下, J11 试样SEM 显微图谱中矿物水化产物主要以C-S-H 水化凝胶形式存在, 并且C-S-H 凝胶相互交叉搭接成较为紧密, 大通道空隙少, 如图4(f)所示。并且, 图谱中很少发现Ca(OH)2 结晶, 由图3 所示, 定量分析Ca(OH)2 含量仅7%, 这也可能是J11 在65℃恒温蒸汽养护制度下抗压强度较高的原因。
3 结论
( 1) 制备大截面隧道管片, 蒸汽养护恒温温度应控制在55℃～65℃, 升温时间采用3- 3- 3- 2方式, 而冬季施工蒸汽养护升温适宜采用5- 5-3- 2 方式, 结构层混凝土水灰比可控制在0.32～0.34, 坍落度损失可控制在30～70 mm, 蒸养后脱模强度≥23 MPa;
( 2) 在65℃蒸汽养护制度下, J10 试样XRD 图谱同时出现AFt 和AFm, 在外界条件的变化下, 由于晶型转化而出现延迟AFt 现象会导致体积膨胀引起管片开裂, 因此蒸汽养护温度不宜超过65℃; 在55℃蒸汽养护制度下, J2 试样XRD 图谱同时出现AFt 和AFm, 考虑到脱模强度和延迟AFt 的潜在危害, 因此蒸汽养护温度不宜低于55℃。
( 3) 在65℃ 蒸汽养护制度下, J11 试样采用MPG 添加剂, MPG 添加剂能明显减少Ca(OH)2 结晶生成而促进C-S-H 胶凝的大量生成, 对蒸汽养护混凝土早期脱模强度有明显改善作用, 并可消除由于65℃蒸汽养护制度下延迟AFt 的潜在危害。
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