預(yù)制構(gòu)件用超早強(qiáng)免蒸養(yǎng)混凝土的研制

崔嘉銘，蔣元海，黃發(fā)軍，藍(lán)豪杰，殷旭峰，程洪燁，駱可揚(yáng)

（1.嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.寧波大學(xué) 土木工程與地理環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

隨著建筑工業(yè)化水平的不斷提高和國(guó)家對(duì)裝配式建筑的大力推廣，預(yù)制混凝土構(gòu)件伴隨著裝配式施工方式大量應(yīng)用于各類工程建設(shè)中。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，可縮短工期、降低建設(shè)成本。預(yù)制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)中，為了縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間、加快模具周轉(zhuǎn)、提高生產(chǎn)效率，PC工廠采用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝。蒸汽養(yǎng)護(hù)能快速提高混凝土的早期強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)制構(gòu)件脫模起吊的強(qiáng)度要求，從而加快模具周轉(zhuǎn)，提高工廠效益。但蒸汽養(yǎng)護(hù)同樣存在不足：一是需要蒸汽養(yǎng)護(hù)裝置，如蒸汽鍋爐、蒸汽養(yǎng)護(hù)窖等，額外增加了生產(chǎn)成本；二是產(chǎn)生蒸汽的過程中能耗較大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，預(yù)制混凝土管樁熱養(yǎng)護(hù)消耗能源約折合標(biāo)準(zhǔn)煤50 kg/m3，而且燃煤蒸汽鍋爐還存在廢氣排放問題[1]；三是蒸汽養(yǎng)護(hù)雖能加快水泥基膠凝材料的水化硬化反應(yīng)進(jìn)程，快速提高混凝土的早期強(qiáng)度，但對(duì)混凝土的耐久性能和脆性有不利影響。研究實(shí)踐表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)造成不利影響[2]，導(dǎo)致混凝土耐久性能劣于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土。

鑒于預(yù)制構(gòu)件蒸汽養(yǎng)護(hù)不符合綠色發(fā)展理念以及可能對(duì)混凝土性能潛在的不利影響，技術(shù)研究人員進(jìn)行了超早強(qiáng)免蒸養(yǎng)混凝土的研究。國(guó)內(nèi)外針對(duì)免蒸養(yǎng)混凝土及提高混凝土早期強(qiáng)度的研究多集中在早強(qiáng)劑和高效減水劑等外加劑技術(shù)方面。Sch?nlein和Plank[3]研究了聚羧酸減水劑（PCE）對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響。姜騫等[4]、汪梁[5]研究了早強(qiáng)外加劑和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響。桂根生等[6]采用硅灰、高性能減水劑、超早強(qiáng)劑、保坍劑等摻和料及外加劑制備出C40早強(qiáng)免蒸養(yǎng)混凝土。此外，摻合料對(duì)混凝土早期強(qiáng)度也有一定影響，并能改善混凝土工作性能。Hayder等[7]研究了大摻量粉煤灰對(duì)預(yù)制構(gòu)件混凝土的影響。高立等[8]研究了大摻量礦粉對(duì)C30混凝士早期、后期強(qiáng)度的影響。

為研制用于預(yù)制構(gòu)件的免蒸養(yǎng)混凝土，使其工作性能可滿足預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)作業(yè)要求、12 h抗壓強(qiáng)度能滿足預(yù)制構(gòu)件脫模起吊要求，本文進(jìn)行了混凝土配合比的優(yōu)化試驗(yàn)，研究了超早強(qiáng)劑、早強(qiáng)型高效減水劑、粉煤灰、礦粉以及混凝土攪拌方式對(duì)混凝土工作性能及早期強(qiáng)度的影響，以確定合適的配合比來制備工作性能和強(qiáng)度均滿足預(yù)制構(gòu)件免蒸養(yǎng)生產(chǎn)技術(shù)要求的混凝土，以期實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：嘉善某水泥廠產(chǎn)P·O52.5R水泥，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為56、10 MPa；濰坊某水泥廠產(chǎn)P·O52.5R水泥，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為54、8 MPa。

（2）摻合料：Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要物理性能見表1；S95級(jí)礦粉，玻璃體含量99.0%，堿含量0.56%，三氧化硫含量0.1%，主要技術(shù)性能見表2。

表1 粉煤灰的主要物理性能

表2 礦粉的主要技術(shù)性能

（3）骨料：細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)2.3；粗骨料由粒徑為5～10 mm和10～25 mm的碎石按1∶2的質(zhì)量比混合而成。

（4）外加劑：廣東某公司產(chǎn)CSP-12早強(qiáng)型聚羧酸高效減水劑，密度（1.07±0.02）g/cm3，減水率≥25.0%，固含量（20.0±2.0）%；南京某公司產(chǎn)SBT-510超早強(qiáng)劑，主要成分為n-CS-H的納米型新型外加劑，乳白色液體，含水量（87.5±2.0）%。

（5）水：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1.2 試驗(yàn)配合比

以浙江某預(yù)制構(gòu)件廠生產(chǎn)PC構(gòu)件的混凝土配合比為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試配，經(jīng)篩選后，采用表3的配合比進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 混凝土試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

（1）流動(dòng)性：新拌混凝土坍落度控制在50～180 mm，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（2）養(yǎng)護(hù)條件：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、30℃蒸汽養(yǎng)護(hù)等3種不同的養(yǎng)護(hù)方式，其中由于試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)為嘉興市區(qū)3～6月期間，自然養(yǎng)護(hù)的環(huán)境溫度為11～35℃，有較大的波動(dòng)，相對(duì)濕度為（60.0±5.0）%；30℃蒸汽養(yǎng)護(hù)是考慮到冬季環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)池中采用少量補(bǔ)充蒸汽的方式，相對(duì)濕度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相同，均控制在95%，以滿足強(qiáng)度發(fā)展的需要。

（3）抗壓強(qiáng)度：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

1.4 攪拌方法

選取相同配比，分別采用2種攪拌方法研究攪拌方法對(duì)混凝土性能的影響：（1）一次投料攪拌法：將膠凝材料、骨料、外加劑及水一次性投入攪拌機(jī)后攪拌2 min；（2）分級(jí)凈漿攪拌法：將膠凝材料、外加劑及水投入攪拌機(jī)先攪拌55～60 s，然后投入粗、細(xì)骨料再攪拌55～60 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外加劑對(duì)混凝土性能的影響

以C組配合比為基準(zhǔn)，進(jìn)行了多次不同外加劑摻量下的平行重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試坍落度及不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的12 h抗壓強(qiáng)度，并取較佳的4組進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 外加劑對(duì)混凝土性能的影響

由表4可見：（1）與未摻早強(qiáng)劑相比，摻SBT-510超早強(qiáng)劑后，混凝土12 h抗壓強(qiáng)度提高均超過150%；（2）早強(qiáng)劑摻量不變的條件下，減水劑摻量為1.5%～2.0%時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度和坍落度可以滿足PC構(gòu)件12 h脫模起吊及新拌混凝土工作性的要求；（3）減水劑摻量不變的條件下，早強(qiáng)劑摻量在2.5%～3.0%時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度相近，坍落度則與早強(qiáng)劑摻量正相關(guān)；（4）3種不同養(yǎng)護(hù)方式下，雙摻早強(qiáng)劑和減水劑時(shí)混凝土的早期強(qiáng)度和坍落度均可以滿足PC構(gòu)件12 h脫模起吊及工作性的要求；（5）養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展越快。

混凝土抗壓強(qiáng)度與水泥的水化程度、混凝土的孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。混凝土內(nèi)部的孔隙依孔徑大小可分為凝膠孔（＜10 nm）、毛細(xì)孔（10 nm～5 μm）和大孔（＞5 μm）。以n-C-S-H納米為主要成分的SBT-510超早強(qiáng)劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有明顯的促進(jìn)作用。在水泥基材料水化初期，摻入納米型n-C-S-H早強(qiáng)劑后，其誘導(dǎo)生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠不僅在熟料礦物表面成核生長(zhǎng)，還在n-C-S-H表面成核生長(zhǎng)，水泥基材料內(nèi)部化學(xué)結(jié)合水含量快速增加，硅酸鹽聚合反應(yīng)加快，從而大大加速熟料礦物的水化速度，提高混凝土的強(qiáng)度。

2.2 膠凝材料對(duì)混凝土性能的影響

以水膠比0.31、減水劑摻量2.5%、早強(qiáng)劑摻量4.0%為基準(zhǔn)，篩選出摻合料不同摻量的4組配合比進(jìn)行平行重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試坍落度及不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的12 h抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表5。

表5 膠凝材料對(duì)混凝土性能的影響

由表5可見：（1）環(huán)境溫度20℃以上，摻CSP-12早強(qiáng)型減水劑及SBT-510超早強(qiáng)劑情況下，混凝土的12 h抗壓強(qiáng)度均超過15 MPa；（2）摻10%粉煤灰混凝土可達(dá)到15 MPa的早強(qiáng)要求，同時(shí)還大大提高新拌混凝土的流動(dòng)性，改善了混凝土的工作性。

在粉煤灰材料的細(xì)微結(jié)構(gòu)中，具有大量的、圓球狀的細(xì)小微珠，這些微珠摻加到混凝土中，不但具有一定的減水作用，還可以起到很好的微集料滾珠效應(yīng)以及火山灰效應(yīng)，對(duì)改善混凝土流動(dòng)性具有很大的作用。P·O52.5R水泥在低水膠比條件下，在摻SBT-510超早強(qiáng)劑時(shí)，水化速度快，熟料礦物水化生成的Ca（OH）2快速促進(jìn)礦粉和粉煤灰的活性激發(fā)，提高了混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。

粉煤灰、礦粉的復(fù)摻不但增大了混凝土的流動(dòng)度、改善新拌混凝土的工作性，而且還降低了生產(chǎn)成本，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

2.3 水膠比對(duì)混凝土性能的影響

選取2種水泥，以A組配合比為基準(zhǔn)，分別在2種不同水膠比下進(jìn)行平行重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試坍落度與不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的12 h抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表6。

表6 水膠比對(duì)混凝土性能的影響

從表6可見，2種水泥的結(jié)論一致：（1）水膠比為0.30～0.32時(shí)，均可配制出12 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到15 MPa的混凝土；（2）在0.30左右的低水膠比情況下，水膠比的微小增減變化對(duì)混凝土流動(dòng)性將產(chǎn)生放大效應(yīng)；（3）混凝土成型時(shí)的環(huán)境溫度越高，對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、30℃蒸汽養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度均產(chǎn)生正向效應(yīng)作用，即混凝土的成熟度越大。

在早強(qiáng)型聚羧酸高性能減水劑大摻量及低水灰比情況下，混凝土單位用水量的微小變化，引起其較大的工作性變化。若用水量偏小，則表現(xiàn)為混凝土干澀、趴底、板結(jié)等；若用水量稍大，則表現(xiàn)為混凝土泌水、離析等。在大摻量早強(qiáng)型聚羧酸高性能減水劑情況下，可使混凝土在0.31左右的低水膠比情況下，實(shí)現(xiàn)12 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到15 MPa的超早強(qiáng)性。

2.4 混凝土攪拌方法的影響

傳統(tǒng)的混凝土攪拌方法是一次投料攪拌，即將原材料計(jì)量后一起投入攪拌機(jī)攪拌90～120 s。本試驗(yàn)探索了一種混凝土攪拌的新方法——分級(jí)凈漿攪拌，以A3組配合比為基準(zhǔn)，研究不同攪拌方法對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果見表7。

表7 攪拌方法對(duì)混凝土性能的影響

由表7可見，相同配合比時(shí)，采用分級(jí)凈漿攪拌的混凝土較采用一次投料攪拌的混凝土具有更大的流動(dòng)性，12 h抗壓強(qiáng)度也有一定的提高。

采用一次投料攪拌時(shí)，由于砂、石骨料是干燥狀態(tài)，而且，砂石骨料本身具有一定的吸水性，當(dāng)水、外加劑、水泥、骨料等一起投入攪拌機(jī)后，一部分水、外加劑不但很快將砂、石的表面濕潤(rùn)，而且易被吸收到砂、石集料的內(nèi)部，減少了用于混凝土流動(dòng)性的單位用水量、外加劑和有效水膠比，降低了外加劑的減水早強(qiáng)作用效果；而采用分級(jí)凈漿攪拌時(shí)，水、減水劑等與水泥、摻合料等一起攪拌，首先形成具有一定黏度的水泥凈漿，當(dāng)水泥凈漿中再投入砂、石后，砂石表面被水泥凈漿包裹，由于水泥凈漿的黏度較大，砂、石骨料表面及內(nèi)部吸收水分和外加劑的速度就大大降低，用于混凝土流動(dòng)性的單位用水量、外加劑和有效水膠比的降低程度就小，外加劑減水早強(qiáng)作用效果較一次投料攪拌好。關(guān)于分級(jí)凈漿攪拌方式更佳的原理有待進(jìn)一步探討，但從本試驗(yàn)結(jié)果及中鐵集團(tuán)下屬公司的實(shí)際生產(chǎn)情況來看，采用分級(jí)凈漿攪拌具有較明顯的技術(shù)效果。

2.5 綜合配合比試驗(yàn)

綜合分析外加劑、摻合料、水膠比等因素對(duì)混凝土工作性及早期強(qiáng)度的影響，確定試驗(yàn)研究的最佳配合比為C3組配合比。為掌握混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，以C3組配合比為基準(zhǔn)進(jìn)行了3批次試驗(yàn)，測(cè)試了不同溫度下混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度。由于試驗(yàn)是在春夏季期間進(jìn)行，環(huán)境溫度變化很大，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)室攪拌量有限，不同批次試驗(yàn)的自然養(yǎng)護(hù)溫度差異較大。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 綜合配合比早強(qiáng)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見，在試驗(yàn)條件下自然養(yǎng)護(hù)免蒸養(yǎng)混凝土的后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)，不倒縮。

3 結(jié)論

（1）采用P·O52.5R水泥，雙摻3.0%的SBT-510超早強(qiáng)劑和1.5%的CSP-12早強(qiáng)型減水劑，具有較好的減水效果和早強(qiáng)效果，制備的混凝土在自然養(yǎng)護(hù)下12 h抗壓強(qiáng)度能滿足預(yù)制構(gòu)件脫模強(qiáng)度要求，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝。

（2）雙摻10%Ⅱ級(jí)粉煤灰和10%S95級(jí)礦粉，配制的混凝土不但可以使強(qiáng)度滿足預(yù)制構(gòu)件的脫模強(qiáng)度要求，且可有效改善新拌混凝土的工作性，減少水泥用量，降低生產(chǎn)成本。

（3）在環(huán)境溫度高于10℃時(shí)，制備12 h抗壓強(qiáng)度滿足預(yù)制構(gòu)件脫模起吊強(qiáng)度要求的免蒸養(yǎng)混凝土在技術(shù)上可行。但在冬季（環(huán)境溫度低于10℃）時(shí)，免蒸養(yǎng)混凝土的12 h抗壓強(qiáng)度要達(dá)到預(yù)制構(gòu)件脫模起吊強(qiáng)度要求，對(duì)外加劑和養(yǎng)護(hù)制度要求更高。

（4）采用混凝土分級(jí)凈漿攪拌法，不僅能改善新拌混凝土工作性能，還可降低坍落度損失、適當(dāng)提高混凝土早期強(qiáng)度。