高超，刘正洪，姬勇刚，李家和，袁刚，程贤明，周永祥

（1.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.云南交投公路建设第二工程有限公司，云南 昆明 650228；4.云南临云高速公路有限公司，云南 临沧 675800）

蒸养能够加快混凝土早期强度的增长速度，进而加快预制构件模板的周转，提高生产效率，梁、地铁盾构管片、管桩、轨枕等混凝土预制构件主要采用蒸养工艺进行工厂化预制生产[1-4]。早期高温养护在加速胶凝材料水化进程时会造成水化产物分布不均匀、微结构损伤等问题，从而导致经蒸养的混凝土后期力学性能等低于标养的预制构件[5-6]。针对上述问题，有学者进行了蒸养制度对混凝土孔结构、抗压强度、抗冲击性、脆性、耐久性的影响研究，并研究了减少蒸养对混凝土后期性能不利影响的改善措施。马昆林等[7]的研究表明，蒸养造成混凝土大于200 nm 以上的有害孔比例远高于标养。彭波[8]的研究表明，提高恒温温度可增加水化产物的粗短纤维状晶体数量，从而提高早期强度，但易增加未水化颗粒周围的屏蔽膜，不利于混凝土后期强度的增长。谢友均等[9]的研究表明，蒸养温度的升高使混凝土峰值应力显著降低，应变率效应显著提高。胡益彰[10]的研究表明，复合矿物掺合料可减轻高温蒸养对混凝土后期强度的不利影响，减小干燥收缩。贺智敏[11]的研究表明，随着蒸养温度的升高，混凝土的脆性增大，掺入矿物掺合料可改善蒸养混凝土的脆性。张国良等[12]的研究表明，复合掺合料能提高混凝土的脱模强度和模板周转率。王发洲等[13]的研究表明，内养护能加快蒸养水泥砂浆的总体水化程度。

基于上述研究，本试验研究蒸养温度对C50 混凝土脱模强度、抗压强度、轴压强度、劈拉强度、抗压弹模、收缩和受压徐变的影响，并进一步研究了低碱速凝剂和硫铝酸盐水泥对C50 混凝土凝结时间、脱模强度、减水剂用量、标养和经蒸养后不同龄期强度的影响，试验研究结果为预制构件选择蒸养温度和配合比提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）胶凝材料：P·O42.5 水泥（OPC）、Ⅱ级粉煤灰、S95 级矿渣粉、低碱速凝剂、42.5 级快硬硫铝酸盐水泥（R·SAC），主要技术性能分别见表1～表4。

表1 2种水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰的主要技术性能

表3 矿渣粉的主要技术性能

表4 低碱速凝剂的主要技术性能

（2）骨料：粗骨料为5～25 mm 连续级配石灰岩碎石，堆积密度1461 kg/m3，饱和面干吸水率0.9%；细骨料为天然砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.8，含泥量0.8%。

（3）减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率28%，泌水率比≤20%，坍落度保留值（1 h）≥140 mm。

（4）水：自来水。

1.2 C50 混凝土配合比

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》配制C50混凝土，配合比见表5，混凝土拌合物坍落度为150～180 mm。

表5 C50 混凝土配合比 kg/m3

1.3 养护条件

混凝土成型后分别采用4种不同养护条件：养护方式Y1为标准养护[温度（20±2）℃，相对湿度大于95%]；养护方式Y2、Y3、Y4 为先蒸养，蒸养制度为成型后静停3 h，以15 ℃/h的速率升温至恒温温度（Y2、Y3、Y4 分别为50、60、70 ℃），恒温4 h，以15 ℃/h 的速率降温至20 ℃后转入标准养护。

1.4 试验方法

混凝土的凝结时间：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；混凝土的抗压强度、轴压强度、劈拉强度和静力受压弹性模量：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；混凝土的收缩、徐变性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土耐久性和长期性能试验方法标准》进行测试，收缩采用接触法在3 d 龄期时从标养室取出移入恒温恒湿室[温度（20±2）℃，相对湿度（60±5）%]开始测试，徐变采用在28 d龄期时加荷。

2 结果与分析

2.1 养护条件对混凝土性能的影响

2.1.1 对力学性能的影响（见表6）

表6 养护条件对混凝土力学性能的影响

由表6 可知：

（1）随着蒸养恒温温度的升高，脱模强度大幅度提高，恒温温度为60 ℃与70 ℃的脱模强度分别为50 ℃时的127%、171%，这是由于胶凝材料水化速度与温度在一定范围内正相关，蒸养时早期的温度越高，水泥水化速度和矿物掺合料二次水化速度也越快，水泥水化产物和矿物掺合料二次水化反应形成的低钙硅比C-S-H，将骨料与未水化胶凝材料形成具有局部较高密实度的水泥石，从而使早期的脱模强度随着恒温温度的升高而显著提高[14]。

（2）随着蒸养恒温温度的升高，28 d 龄期时混凝土的抗压强度、轴压强度、劈拉强度和抗压弹性模量均逐渐降低，且均低于标养混凝土。由此可知，蒸养会对混凝土后期力学性能发展产生不利影响，蒸养恒温温度50 ℃时对混凝土28 d 的力学性能影响较小，抗压强度、轴压强度、劈拉强度、抗压弹性模量均可达到标养混凝土的90%以上。

虽然经过蒸养的混凝土早期强度较高，但高温养护使水化产物没有足够的时间扩散，分布不均匀，钙矾石和氢氧化钙结晶程度低、颗粒粗大，C-S-H 凝胶颗粒尺寸也变大、颗粒之间的边界清晰，使得混凝土的密实程度变差[14]。不均匀的热膨胀变形导致水化产物与骨料界面过渡区出现微裂纹，钙矾石容易在微裂纹处形成并富集，进一步导致微裂纹的扩展。蒸养过程中水分向蒸汽转变而产生的热胀力会对水化产物及与骨料界面过渡区等产生膨胀压，混凝土内部结构受到破坏作用，继而产生微裂纹[11]。这些因素会抵消一部分蒸养加速水化进程带来的正面作用，不利于混凝土后期强度的发展，都会造成混凝土结构后期的强度增长缓慢，低于同龄期的标养混凝土。

随着蒸养恒温温度从50 ℃升高至70 ℃，蒸养养护进一步促进水化产物的形成，特别是加快了矿物掺合料的水化反应，生成更多的C-S-H 凝胶，大量的凝胶孔使混凝土总孔隙率增加，C-S-H 凝胶表面及孔壁存在大量凝胶水。蒸养恒温温度升高，水由液体向气体转变的速度增加，膨胀压力差逐渐增大，在混凝土内部形成连通性孔隙，对混凝土内部孔结构的破坏作用也越强。随着蒸养恒温温度的升高，水化产物分布的均匀性进一步变差，混凝土的密实度降低。因此，蒸养恒温温度越高，28 d 抗压强度、轴压强度、劈拉强度、抗压弹性模量降低幅度越大。

2.1.2 收缩性能

不同养护条件对混凝土收缩率的影响如图1所示。

图1 不同养护条件对混凝土收缩率的影响

由图1 可知，标养和蒸养混凝土的自收缩在60 d 以前增长较快，60～180 d 增长缓慢。标养和蒸养恒温温度为50、60、70℃条件下，180 d 收缩率分别为346×10-6、319×10-6、301×10-6、274×10-6，60 d 收缩率占180 d 收缩率分别为89%、88%、92%、95%。随着蒸养恒温温度的升高，各龄期收缩率逐渐降低，且均低于标养。这主要是混凝土在蒸养期间水泥水化和矿物掺合料二次水化速度快，蒸养期间产生的混凝土自收缩占总的自收缩量较大的比例，而且高强混凝土的自收缩占总收缩量较大比例，因此蒸养混凝土在不同龄期的收缩率均小于标养。随着恒温温度升高，水泥水化和矿物掺合料二次水化的速度也越快，蒸养期间产生的混凝土自收缩占总的自收缩比例也就越大；另一方面，蒸养时混凝土内部的大量凝胶水出现膨胀，使混凝土内部出现微小裂缝和连通孔隙，孔径分布往粗孔演化，由拉普拉斯方程可知毛细负压因而下降，混凝土自干燥产生的收缩应力降低。因此随着蒸养温度的升高，各龄期收缩率逐渐降低。

2.1.3 受压徐变性能

不同养护条件对混凝土徐变度的影响如图2所示。

图2 不同养护条件对混凝土徐变度的影响

由图2 可知，标养和蒸养混凝土的徐变度从开始加载至30 d 时增长较快，加载30～90 d 时混凝土的徐变度增长幅度减缓，加载90～180 d 时混凝土的徐变度增长缓慢，标养和蒸养恒温温度为50、60、70 ℃条件下，加载至90 d 的徐变度占加载至180 d 徐变度的88%、92%、92%、95%。随着恒温温度的升高，不同龄期的徐变度增大，均高于标养的徐变度。蒸养时混凝土固液气相均会产生热胀冷缩行为，由于水泥和矿物掺合料在蒸养时快速水化，混凝土体系中液相含量降低，混凝土在经历蒸养阶段迅速形成连通刚性骨架而具备较高强度，使得由蒸汽升温造成的体积膨胀无法再恢复至初始状态，蒸养后液相和气相的体积冷缩相对固相较大，因此固相将受到较大的应力作用，对于混凝土的凝胶孔和界面过度区产生一定的微观裂缝[11]；另一方面，蒸养使C-S-H 凝胶、钙矾石和氢氧化钙等水化产物的颗粒粗大，分布不均匀，颗粒之间的边界清晰，进而水化产物之间接触点变少，受压时容易产生相对滑移。这2 方面原因均造成蒸养混凝土受压徐变度较标养混凝土大。

不同养护条件下混凝土从28 d 龄期加载至180 d 的徐变系数见表7。

表7 不同养护条件下混凝土从28 d 龄期加载至180 d 的徐变系数

由表7 可知，随着蒸养恒温温度的升高，不仅受压徐变度增加，徐变系数也增大，且均高于标养的徐变系数。综合考虑蒸养温度对混凝土的力学性能、收缩性能和受压徐变性能的影响，后续选择蒸养恒温温度50 ℃作为养护制度。

2.2 低碱速凝剂和硫铝酸盐水泥对混凝土性能的影响

为进一步提高生产效率、缩短凝结时间、提高脱模强度，同时提高混凝土28 d 抗压强度，并研究对混凝土长龄期强度的影响情况，试验在表5 配合比（JZ）的基础上，研究不同掺量硫铝酸盐水泥和低碱速凝剂对减水剂用量、混凝土凝结时间、脱模强度、28～90 d 龄期的标养与蒸养抗压强度的影响规律，拌合物坍落度控制在150～180 mm，结果见表8、表9。

表8 低碱速凝剂和硫铝酸盐水泥对减水剂用量、混凝土凝结时间及脱模强度的影响

由表8 可知：（1）低碱速凝剂和硫铝酸盐水泥的加入均一定程度上增加了减水剂用量，掺1%、2%低碱速凝剂时减水剂用量增加较多，较基准分别增加22%、40%；掺6%、20%硫铝酸盐水泥时减水剂用量较基准分别增加7%、9%。（2）低碱速凝剂和硫铝酸盐水泥均能加速水化进程，水化初期就大量生成钙矾石，大幅度缩短混凝土的凝结时间，随着水化反应的进行，水化产物不断增多[15-16]，显著提高混凝土的脱模强度。掺1%、2%低碱速凝剂时初凝时间分别缩短至190、150 min；掺6%硫铝酸盐水泥初凝时间由350 min 缩短至180 min，当掺量增至20%时，初凝时间大幅度缩短至100 min；终凝时间也相应缩短。（3）掺1%、2%低碱速凝剂与6%、20%硫铝酸盐水泥时的脱模强度较基准分别提高16%、47%、10%、70%。

表9 低碱速凝剂与硫铝酸盐水泥对不同养护条件下混凝土抗压强度的影响

由表9 可知，基准组和掺入低碱速凝剂、硫铝酸盐水泥后的混凝土在标养下28、56、90 d 抗压强度均高于经过蒸养的混凝土；掺入低碱速凝剂、硫铝酸盐水泥均能提高标养和蒸养的抗压强度，且随着龄期的延长持续提高，说明低碱速凝剂和硫铝酸盐水泥在后期均持续促进发生水化反应，形成致密的钙矾石骨架，使浆体形成致密的结构[15-16]，但基准组、掺入低碱速凝剂、硫铝酸盐水泥混凝土标养条件下从28 d 至56 d、从56 d 至90 d 的强度增长值均高于经蒸养的混凝土；低碱速凝剂掺量1%、硫铝酸盐水泥掺量6%和20%时经蒸养的28、56、90 d 抗压强度均高于基准组标养的同龄期强度；而低碱速凝剂掺量2%经蒸养的28、56、90 d 抗压强度均略低于基准组标养的同龄期强度；低碱速凝剂掺量为1%时，标养和经蒸养后的混凝土28、56、90 d 抗压强度较基准组均大幅度提高，当继续增加掺量至2%时，虽然凝结时间缩短、脱模强度提高，但后期强度反而比掺量1%较低，低碱速凝剂掺量为1%和2%时，经蒸养的混凝土28、56、90 d 抗压强度比基准组经蒸养的分别提高15%、22%、22%和7%、8%、8%；硫铝酸盐水泥掺量为6%时，标养和经蒸养后混凝土28、56、90 d 的抗压强度较基准组均大幅度提高，当继续增加掺量至20%时，标养和经蒸养后混凝土各龄期的抗压强度持续大幅度提高，硫铝酸盐水泥掺量为6%和20%时，经蒸养的混凝土28、56、90 d 抗压强度比基准组经蒸养的分别提高10%、16%、16%和25%、36%、36%。

3 结论

（1）随着蒸养温度的升高，混凝土的脱模强度显著提高，但蒸养温度越高，对混凝土内部孔结构的破坏作用也越明显，其28 d 抗压强度、轴压强度、劈拉强度、抗压弹性模量均逐渐降低，而且均低于标养。

（2）随着蒸养温度的升高，蒸养时产生的自收缩占总收缩的比例越大，微裂纹数量多使收缩应力减小，混凝土180 d 收缩率逐渐降低，经蒸养的混凝土收缩率均低于标养。

（3）随着蒸养温度的升高，蒸养造成的微观裂缝增多，受压时水化产物之间更容易发生相对滑移，混凝土180 d 徐变度和徐变系数逐渐增大，经蒸养的混凝土徐变度和徐变系数均高于标养。

（4）与常规C50 混凝土配合比相比，掺加低碱速凝剂、硫铝酸盐水泥均能显著缩短混凝土的凝结时间，提高混凝土的脱模强度，且大幅度提高标养、经蒸养后的28、56、90 d 抗压强度。低碱速凝剂掺量为1%和2%时，经蒸养的混凝土28、56、90 d 抗压强度比基准组经蒸养的分别提高15%、22%、22%和7%、8%、8%；硫铝酸盐水泥掺量为6%和20%时，经蒸养的混凝土28、56、90 d 抗压强度比基准组经蒸养的分别提高10%、16%、16%和25%、36%、36%。