水泥與混凝土制品的蒸汽養(yǎng)護生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)進展

1、水泥與混凝土制品的蒸汽養(yǎng)護生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)進展彭 波 1， 2，丁慶軍 1，王紅喜 1，曾 波 11武漢理工大學，武漢 430070； 2武漢市商品混凝土管理站，武漢 430015摘 要： 使用水泥與混凝土制品可以提高建筑工程施工效率， 其中許多制品需要進行蒸 汽養(yǎng)護以提高早期強度， 加快模具周轉(zhuǎn)。 蒸汽養(yǎng)護為水泥混凝土制品生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 科學合理的蒸養(yǎng)制度與工藝是生產(chǎn)高質(zhì)量水泥混凝土制品的重要前提之一， 但很多水泥混凝 土制品生產(chǎn)企業(yè)對蒸汽養(yǎng)護的重要性認識缺乏， 生產(chǎn)與管理經(jīng)驗缺乏， 導致生產(chǎn)的水泥混凝 土制品質(zhì)量不能滿足設計要求。 通過對水泥混凝土制品的蒸汽養(yǎng)擴工藝、 外加劑使用、 裂

2、縫 控制等技術(shù)現(xiàn)狀與開展趨勢 lt 了闡述，希望對水泥與混凝土制品行業(yè)開展起到積極作 用。關(guān)鍵詞： 制品； 蒸汽養(yǎng)護； 工藝； 外加劑； 裂縫 水泥與混凝土制品具有工廠化生產(chǎn)質(zhì)量好、 工藝簡單、 生產(chǎn)周期短、 現(xiàn)場施工及濕作業(yè) 大大減少、 混凝土遺灑和噪聲擾民降低等優(yōu)點， 而且還能使業(yè)主大幅度節(jié)省投資， 并盡早使 建筑物投入使用、 產(chǎn)生效益。 同時由于預制構(gòu)件的混凝土已完成了收縮變形， 預應力構(gòu)件以 預應力抵消拉應力， 因此其裂縫控制性能優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)， 如果配以高強鋼筋而形成高 效鋼筋預應力構(gòu)件， 增大預制構(gòu)件跨度和承載力， 那么可以適應大開間結(jié)構(gòu)的要求。 隨著混凝 土建筑業(yè)的開展，水泥

3、與混凝土制品的傳統(tǒng)優(yōu)勢將日益顯現(xiàn)出來 1 。為了在較短時間內(nèi)得到足夠的強度， 通常采用一些加速水泥混凝土硬化的方法， 如蒸汽 養(yǎng)護，使用早強劑等， 效率最高的技術(shù)是蒸汽養(yǎng)護。 目前，蒸汽養(yǎng)護技術(shù)一般用于鐵路枕木、 隧道管片、 混凝土梁、混凝土管樁、 電線桿等預制構(gòu)件產(chǎn)品生產(chǎn)中。隨著在惡劣環(huán)境下的工 程越來越多， 蒸養(yǎng)混凝土構(gòu)件在使用過程中的耐久性要求也越來越高， 因此迫切需要研制出 本錢低、性能優(yōu)良、適合蒸養(yǎng)的高性能混凝土 2 。有關(guān)高性能混凝土研究工作國內(nèi)外多集 中在常規(guī)養(yǎng)護條件下，蒸汽養(yǎng)護高性能混凝土試驗及應用研究開展得較少。1 混凝土蒸汽養(yǎng)護工藝制品蒸汽養(yǎng)護工藝一般分為靜停、升溫、差過大

4、或恒溫溫度過高而導致混凝土產(chǎn)生裂縫，溫溫度 3 。1 1 靜停階段 靜停階段也稱預養(yǎng)期、 前置期或靜置期，恒溫、降溫 4個階段， 為了防止制品因內(nèi)外溫應嚴格控制蒸養(yǎng)過程中的升、 降溫速率及恒為制品澆注成型后及蒸汽養(yǎng)護開始前在大氣環(huán)定程度的水化， 具有一定的 靜停階段時間的長短與混凝土的 般認為，較長的預養(yǎng) 但是較長的預境下的一段放置時間。 該階段主要是保證混凝土中水泥進行了 結(jié)構(gòu)強度， 以防止升溫期混凝土體積膨脹對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。 配比、水泥的種類、環(huán)境的溫濕度、升溫速率等因素有很大的關(guān)系。 時間有樹于提高混凝土初期結(jié)構(gòu)強度， 抵抗混凝土在升溫過程中的腫脹變形，養(yǎng)時間對于實際生產(chǎn)中的生產(chǎn)效率又不

5、利。 不同文獻上建議的養(yǎng)護時間很不相同， 在構(gòu)件廠中多取13 ho因此在實際生產(chǎn)中由于預養(yǎng)時間受許多因素影響， 所以應根據(jù)現(xiàn)實情況進行試驗、 調(diào)整， 一般的做法是： 在采用早強劑等外加劑， 或采用高標號或早強型水泥， 或在夏季環(huán)境溫度高， 在升溫速率較慢等情況下，可適當縮短預養(yǎng)時間；反之，那么要適當延長預備養(yǎng)時間。1 2 升溫階段 蒸氣養(yǎng)護水泥與混凝土制品的結(jié)構(gòu)強度及整體性能主要是在升溫階段形成，該階段決定著制品的蒸養(yǎng)質(zhì)量， 因此升溫階段的養(yǎng)護參數(shù)，如升溫速率、 溫濕度的協(xié)調(diào)、外模板與蒸汽 之間的溫差等參數(shù)需要經(jīng)過大量試驗確定和嚴格控制。升溫速率的控制主要是調(diào)節(jié)制品的硬化強度和熱脹變形產(chǎn)生的溫

6、度應力之間的關(guān)系，避免升溫過程中混凝土溫度應力超過其硬化強度造成混凝土開裂，如在北方較低氣溫時， 要保持較低的升溫速率， 最好將升溫速率控制在 10C/h左右。如果制品早期預養(yǎng)時間越長，初期結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度越高，升溫速率可以相應提高；反之，那么需緩慢升溫。熱蒸汽與冷混凝土表面相接觸時要凝結(jié)成水， 會導致制品外表的水灰比增大影響制品外表質(zhì)量， 因此應要采用一 定的工藝來控制制品外表的濕度， 一般可采用棉氈、 土工布等保水材料在開始升溫前覆蓋于 制品的裸露面上。 外模板一般都是鋼材， 在快速升溫過程中， 水泥石的熱脹變形能力遠大于 鋼材， 這會造成制品與模板相互連接部位產(chǎn)生裂紋， 如管片混凝土手孔部位

7、， 一般采用減小 升溫速率來解決。1 3 恒溫階段恒溫階段的主要控制參數(shù)是恒溫溫度和恒溫時間。 對于水泥與混凝土制品， 恒溫階段的 溫度越高和養(yǎng)護時間越長， 制品的強度開展越快和最終獲得的強度越高。 但過高的恒溫溫度 和較長的熱養(yǎng)時間會造成制品后期強度的損失或其它特性受損，所以選擇適宜的恒溫溫度對于蒸養(yǎng)過程非常重要。在制品實際蒸養(yǎng)過程中，恒溫時間超過某一值時，制品強度會出現(xiàn) “鋸齒波動， 強度時 升時降， 有人解釋為與硬化混凝土中的內(nèi)壓應力有關(guān)。 在水泥水化初期， 混凝土有足夠的空 間容納水化生成產(chǎn)物， 隨著水化產(chǎn)物的不斷生成， 水泥石獲得結(jié)構(gòu)強度； 但當制品獲得一定 強度， 水化產(chǎn)物充滿混凝

8、土空間， 仍然有水泥粒子進行水化生成水化產(chǎn)物新生物， 使得固相 體積增大， 那么在混凝土內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)壓， 在已定型的水泥石結(jié)構(gòu)中引起應力，產(chǎn)生微裂紋， 導致 強度回縮； 而隨著水泥水化繼續(xù)進行生成更多的水化產(chǎn)物， 已出現(xiàn)的微裂紋又有可能重新愈 合，促進強度重新增長。1 4 降溫階段降溫階段要緩慢停汽、 均勻降溫、 保持濕度。 蒸養(yǎng)混凝土的強度主要來自于升溫和恒溫 階段，但是降溫階段對于蒸養(yǎng)混凝土的強度仍然有影響，這些影響主要表現(xiàn)在降溫過程中， 表層降溫快，收縮亦快；內(nèi)層降溫慢 因混凝土的導熱系數(shù)較小 ，收縮亦慢，于是在構(gòu)件表 里產(chǎn)生溫差， 在表層混凝土中產(chǎn)生拉應力， 當拉應力超過混凝土強度時， 就

9、會在混凝土中產(chǎn) 生裂縫。 裂縫將對混凝土的結(jié)構(gòu)造成不良影響， 例如結(jié)構(gòu)強度的下降、 耐久性劣化等。 因此， 在降溫速率的選擇上，對于厚大尺寸構(gòu)件、低強度構(gòu)件或低配筋構(gòu)件，需要緩慢降溫， 減少溫差，以防止出現(xiàn)過大的收縮拉應力；反之，對于小型構(gòu)件、高強度構(gòu)件或高配筋的構(gòu)件， 那么可容許降溫稍快一些。 蒸汽養(yǎng)護完全撤除后， 仍必須對制品進行養(yǎng)護， 如覆蓋土工布保濕， 噴灑溫水，保證高強混凝土后期養(yǎng)護質(zhì)量，減少裂縫的產(chǎn)生。2 外加劑技術(shù)Mehta等人4調(diào)查使用了 17年的舊金山灣 SanMateo橋，該橋采用純水泥來成型混凝土 梁。結(jié)果說明： 局部采用蒸氣養(yǎng)護混凝土梁已經(jīng)損壞不得不進行修補， 局部梁采

10、用自然養(yǎng)護 的混凝土梁那么沒有出現(xiàn)任何腐蝕的跡象。 Detwiler 等人 5 的研究結(jié)果說明： 蒸氣養(yǎng)護時水泥 水化產(chǎn)物沒有足夠的時間擴散， 水化產(chǎn)物分散不均勻， 使混凝土孔結(jié)構(gòu)變得粗糙， 硬化結(jié)構(gòu) 會出現(xiàn)較大的孔； 同時水化產(chǎn)物 CH 晶體及 CSH 凝膠都會變得緊密， 導致孔隙率增大， 從而降低波特蘭水泥混凝土抵抗氯離子滲透的能力。因此， 高性能蒸汽養(yǎng)護混凝土已成為近年來國內(nèi)外研究的一大熱點，研究說明高效減水劑和礦物摻合料等外加劑已成為高性能蒸汽混凝土必不可少的第5、第 6 組分。對蒸汽養(yǎng)護的水泥與混凝土制品來講， 外加劑技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)， 它們的使用可以使制品的實際水灰 比降低， 早

11、期強度提高而能滿足制品成型要求。 高效減水劑雖然降低制品水灰比， 但不能有 效地改善混凝土的抗腐蝕性能，而采用礦物摻合料可以有效地解決這一問題2 ，其機理是礦物摻合料一方面可以起到微集料作用， 增加混凝土制品的密實度， 另一方面還可以利用其 火山灰效應與水泥石中的 CH發(fā)生反響，減少 C H含量，生成更多的凝膠物質(zhì)。劉寶舉 6研究說明， 當粉煤灰摻量大于 30時， 混凝土并不表現(xiàn)出很好的蒸養(yǎng)適應性，其脫模強度低于普通蒸養(yǎng)混凝土， 且后期強度的增長速率亦較比照空白組混凝土的慢。 在對 粉煤灰進行改性并將之與磨細礦渣混合后， 粉煤灰混凝土的蒸養(yǎng)適應性可以得到改善。 超細 摻合料更有利于蒸汽養(yǎng)護水泥

12、與混凝土制品強度的增長， 這是因為摻合料細度越大， 其與水 泥的接觸面積越大，與 Ca(OH)2 發(fā)生反響的有效面積也越大，從而與 Ca(OH) ：的反響程度 及水化產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量也隨之增加。 采用超細礦物摻合料取代局部水泥， 不僅可以解決通 常生產(chǎn)大摻量水泥混凝土軌枕中所出現(xiàn)的高水化熱、 堿集料反響增大等缺陷， 而且可以增強 混凝土的耐久性、降低軌枕的造價。粉煤灰、礦渣等礦物摻合料含有大量的活性 SiO2 和 A12O3 ，這些物質(zhì)能與石灰或水泥水化所析出的Ca(OH)2 反響生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)；在消耗 Ca(OH)2 的同時，又加速了水泥的水化產(chǎn)生二次水化產(chǎn)物，其組成

13、和結(jié)構(gòu)與熟料礦物水化物所析出的Ca(OH)2 數(shù)量有關(guān)； 2 種過程相互制約， 互為條件， 最終生成以低堿性水化硅酸鈣為主體的水化硅酸鈣、 水化鋁酸鈣凝膠體、 水化鐵酸鈣凝膠體以及 局部水化石榴子石的產(chǎn)物， 形成具有較高強度的水泥石 ，。在蒸養(yǎng)條件下， 粉煤灰等礦物摻 合料的火山灰活性表達得更加明顯。3 裂縫控制技術(shù) 如果蒸養(yǎng)制度沒有控制好，蒸汽養(yǎng)護水泥與混凝土制品很容易由于溫度應力而產(chǎn)生裂 縫，其次是干縮和徐變造成的結(jié)構(gòu)裂紋。裂縫局部是應力集中區(qū)域，在制品的使用過程中， 會降低結(jié)構(gòu)的整體性，因此防止和控制溫度裂縫的發(fā)生，對于混凝土的養(yǎng)護工作十分重要。蒸汽養(yǎng)護水泥與混凝土制品裂縫的產(chǎn)生主要有

14、2 種，一種是不當?shù)恼羝B(yǎng)護制度造成的裂 縫，一種是在脫模后的不當養(yǎng)護制度造成的裂縫。 前者主要是由于混凝土受熱不均勻而造成 混凝土的 “腫脹 ，或者是由于混凝土與模具之間的膨脹不協(xié)調(diào)而造成的剪切應力； 后者主要 是制品剛從蒸汽養(yǎng)護模具里拿出， 溫度較高， 而直接暴露在空氣中， 而混凝土是熱的不良導 體，內(nèi)部的高溫與外表的低溫差異過大， 從核心到外表的溫度梯度過大， 從而引起了較大的 溫度應力。 一般前者解決方法是通過大量試驗確定蒸汽養(yǎng)護制度和合理的蒸養(yǎng)工藝， 后者解 決方法是采用水養(yǎng)護， 即保證混凝土外表的濕度， 又控制混凝土溫度梯度， 使核心混凝土的 溫度梯度比擬平緩，不會產(chǎn)生過大的溫度應力，防止裂縫的產(chǎn)生。4 結(jié)語由于對水泥與混凝土蒸汽