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象山湾疏港高速预制T梁蒸养混凝土配合比设计

摘要：按照本项目预制T梁蒸养C50高性能混凝土的流水线流水节拍要求，预制T梁采用两阶段张拉工艺，混凝土蒸养10小时后强度须达到设计强度的50%,满足吊离台座所需的初张拉的强度要求。配制出强度增长稳定、耐久性指标优异，所须蒸养温度尽可能低的混凝土配合比是本设计的主要目标。
关键词：蒸养混凝土 流水线 配合比设计
1. 概述
象山湾疏港高速昆亭至塘溪段工程TJ3标预应力混凝土预制T梁流水生产线计划采用蒸汽养护技术。在蒸汽养护过程中，混凝土处于体积不稳定状态，如：浇筑完成至蒸汽养护前混凝土处于沉降收缩及自收缩状态，蒸汽养护阶段处于受热体积膨胀状态，蒸汽养护结束后由于缓慢冷却，梁体又处于降温收缩状态，T梁作为大尺寸构件，放大了混凝土体积收缩与膨胀带来的危害。T梁生产工艺又有流水节拍的要求，各个工序均有明确的完成时间，工序流程环环相扣。为满足生产工艺及质量要求，对混凝土提出以下技术要求：
1、混凝土拌合物坍落度、扩展度、坍落度损失、含气量均控制在合理范围内，保证拌合物有较好的工作性，以便能够在短时间内完成浇筑且构件外观满足要求；
2、为了避免对混凝土后期性能造成不利影响，应适当控制蒸养温度。但因流水工艺的要求，预制T梁应尽快拆模、尽快进行初张拉以便吊离台座。拆模强度、初张拉强度均须在规定的蒸养小时数内达到规定值，故应在较低的蒸养温度下，混凝土的早期强度满足工艺要求；
3、混凝土在高温蒸汽养护的情况下芯部温度不宜超过65℃，芯部与表面、表面与环境的温差不宜超过15℃；
4、T梁混凝土应具有较好的体积稳定性，在蒸汽养护升温及降温过程中具备良好的抵抗开裂的能力；
5、T梁混凝土须满足长期耐久性的要求，抗裂性、抗碱骨料反应性、混凝土氯离子含量均满足相关规范要求。
二、原材料选择
水泥采用句容台泥水泥有限公司生产的P.O42.5水泥，矿渣粉采用张家港恒昌新型建筑材料有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，粉煤灰采用宁波崇旺环保建材有限公司生产的F类II级粉煤灰，细集料采用宁波昱成通实业有限公司生产的II类机制砂，粗集料采用宁波昱成通实业有限公司生产的5-25mm连续级配碎石，减水剂采用宁波润鑫混凝土外加剂有限公司生产的HR-AII-5早强型减水剂
三、配合比设计
3.1设计概述及技术要求
按照本项目预制T梁蒸汽养护C50高性能混凝土的流水线流水节拍要求，留给蒸汽养护的时间为10个小时，且为了满足吊装及预应力筋张拉，对混凝土的早期强度提出了较高要求。配合比设计上为了满足早期强度的要求，一般要求采用较高的水泥用量来加快混凝土强度的发展，但过高的水泥用量必然导致混凝土水化过程中体积稳定性及密实度的降低，从而降低混凝土的耐久性。故选择适中的水泥用量，并通过配合比的优化，以便满足工厂生产工艺的要求是本配合比设计方案的重点和难点。
通过选取蒸养温度、矿渣粉掺量、粉煤灰掺量3个因素，每个因素选取3种不同水平进行正交设计试验。保持水胶比不变，通过调整减水剂的掺量来保证基本接近的坍落度与扩展度，通过检测每一个方案的拌合物性能和力学性能，从中选取最优方案。
技术要求：升降温速率暂定为15℃/小时，蒸汽养护总时间（含升温、恒温、降温时间）按10小时进行，蒸汽养护完成后立即检测蒸养后强度，根据生产工艺要求，混凝土蒸养后约2.5小时后即刻进行预应力筋的初张拉，为满足吊装要求，预应力筋初张拉所需混凝土抗压强度为达到设计强度的50%，即25MPa，对应混凝土的弹性模量为28000MPa，故本配合比设计将C50混凝土按两个关键阶段拆分成C25和C50进行配合比设计，分别对应蒸养后强度和蒸养转标养后28天龄期强度，蒸养后混凝土的试配强度按C25混凝土进行计算，考虑保证率系数，试配强度取：25+1.645*5=33.2MPa。混凝土试件蒸养后转标准养护，其28天龄期的试配强度按照C50混凝土进行计算，试配强度取：50+1.645*6=59.9MPa。
3.2蒸养工艺流程
（1）、45℃蒸养温度下蒸养工艺流程
试件蒸养流程：混凝土成型后在环境温度20℃下静置5小时→在1小时40分内匀速升温至45℃→45℃下恒温6小时40分→在1小时40分内匀速降温至20℃→脱模并检测抗压强度及弹性模量→转标准养护至28天龄期并检测抗压强度及弹性模量，见图3-1。

图3-1 45℃蒸养工艺流程下升降温曲线
（2）、50℃蒸养温度下工艺流程
试件蒸养流程：混凝土成型后在环境温度20℃下静置5小时→在2小时内匀速升温至50℃→50℃下恒温6小时→在2小时内匀速降温至20℃→脱模并检测抗压强度及弹性模量→转标准养护至28天龄期并检测抗压强度及弹性模量，见图3-2。

图3-2 50℃蒸养工艺流程下升降温曲线

（3）、55℃蒸养温度下工艺流程
试件蒸养流程：混凝土成型后在环境温度20℃下静置5小时→在2小时20分内匀速升温至55℃→55℃下恒温5小时20分→在2小时20分内匀速降温至20℃→脱模并检测抗压强度及弹性模量→转标准养护至28天龄期并检测抗压强度及弹性模量，见图5-3。

图3-3 55℃蒸养工艺流程下升降温曲线
3.3 配合比设计方案
1、各试验方案的胶凝材料总量和水胶比统一按照480kg/m3和0.32进行设计，配合比设计方案见表3-1。

表3-1 配合比设计方案
方案号
因素
蒸养温度（℃）
矿渣粉掺量（%）
粉煤灰掺量（%）
方案1
45
0
0
方案2
45
10
15
方案3
45
15
20
方案4
50
10
20
方案5
50
0
15
方案6
50
15
0
方案7
55
10
0
方案8
55
0
20
方案9
55
15
15

表3-2 试验结果
方案号
减水剂掺量（%）
拌合物
蒸养后转标准养护各龄期强度（MPa）
标准养护各龄期强度（MPa）
坍落度（mm）
扩展度（mm）
蒸养后
3天
7天
28天
3天
7天
28天
方案1
1.25
210
420
39.4
51.5
56.4
61.6
55.4
59.8
65.1
方案2
1.1
210
430
36.2
50.2
59.8
67.8
49.3
58.3
67.0
方案3
1.1
220
460
31.5
47.3
58.2
67.7
45.4
54.2
65.7
方案4
1.1
215
445
35.3
53.1
57.8
67.8
50.3
57.3
66.5
方案5
1.2
210
420
38.5
49.7
58.7
64.1
47.8
55.5
66.2
方案6
1.2
200
390
38.1
53.7
59.1
71.7
51.8
62.5
73.3
方案7
1.2
205
405
38.7
51.3
59.5
64.7
54.7
63.8
69.3
方案8
1.15
210
420
36.8
52.2
57.7
66.1
49.8
57.4
67.2
方案9
1.1
220
450
36.5
50.8
60.2
68.4
46.2
55.0
67.5

2、试验结果分析：
试验结果见表3-2，通过上表分析可知：
（1）、 方案3的蒸养后强度不满足本文要求的蒸养后T梁混凝土试配强度33.2Mpa的技术要求，所有试验方案的28天强度均可满足T梁混凝土28天龄期试配强度59.9Mpa的技术要求；
（2）、 蒸养温度越高，混凝土的蒸养后早期强度发展越快，但28天强度却相对于标养有一定程度的劣化，故在满足各龄期试配强度要求的情况下，尽可能选择较低的蒸养温度，优先选择45℃与50℃两个温度方案，方案1、2、4、5、6均可满足要求；
（3）、 随着掺合料掺量的提高，混凝土的蒸养后早期强度逐步降低，但28天强度增长反而相反，且水泥掺量高的方案，28天强度却相对于全程标养有一定程度的劣化，故在满足各龄期试配强度要求的情况下，尽可能提高掺合料的掺量，针对P.O42.5水泥，将掺合料的掺入比例暂定限定在15%以上，方案2、4、6可满足要求。
3、配合比选定：蒸养混凝土，能耗成本较大，以盾构隧道管片为例，为了达到60℃以上的蒸汽养护温度，能耗一般占到每立方米混凝土成本的50~100元左右。温度越高，能耗必然越大，故优先选择蒸养温度为45℃的方案2作为1#配合比下一步试验的推荐方案，选定配合比见表3-3
表3-3 选定的配合比

备注：蒸汽养护恒温温度为45℃
对选定的2个配合比检测其各项技术指标，其结果汇总见标3-4、3-5
表3-4 选定混凝土配合比混凝土拌合物性能

表3-5 选定混凝土配合比硬化混凝土力学性能

四、结语
1、通过多轮试验，给出了T梁蒸汽养护C50高性能混凝土配合比，并重点从蒸养温度、蒸养时间、水化热、经济性等不同角度进行了深入验证。
2、后续针对选定配合比试验了40℃、45℃、50℃、55℃，四种蒸汽养护温度及从2小时至24小时不同蒸汽养护时长下的混凝土强度发展规律。通过试验室内试验，T梁采用选定的配合比，蒸汽养护时采用45℃的蒸养温度可以满足生产工艺要求的：蒸养10小时后抗压强度大于设计强度50%的要求。在工厂正式生产后，可进一步验证40℃条件下的蒸养方案是否满足生产工艺流水节拍的要求。
3、考虑蒸汽养护的降温阶段，梁体混凝土尚处于激烈生成水化热的过程中，建议在满足工艺流水节拍的前提下，将降温速率降低到10℃/小时。冬季T梁蒸养出窖后，建议移入简易保温棚，在保温棚内进行拆模和张拉钢绞线。建议在蒸养过程中将T梁端部截面芯部的极限温度控制在65℃以内，芯部与表面，表面与环境的温差尽量控制在15℃以内，以避免蒸养过程中及脱模后梁体出现裂缝。

参考文献
1. 杨晓东 预制箱梁裂纹发育机理及抑制技术 国防交通工程与技术 2013第6期

-全文完-