硅酸鈉粉煤灰在裝配式建筑構(gòu)件中的應用

陳 宇

上海君道住宅工業(yè)有限公司

1 引言

裝配式預制建筑是指把建筑需要的墻板、疊合板、樓梯、陽臺等構(gòu)件，在PC工廠生產(chǎn)車間按照標準化方法進行生產(chǎn)（PC為混凝土預制件的簡稱），然后再將預制件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行組裝，這種裝配式建造方式比傳統(tǒng)建造方式具有很大的優(yōu)勢，因為可以將設計、生產(chǎn)、施工的整個產(chǎn)業(yè)鏈進行整合，通過工廠標準化、流程化生產(chǎn)，實現(xiàn)建筑產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保。此外在構(gòu)件質(zhì)量、建造效率、節(jié)能和環(huán)保等方面都具有相當大的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比，裝配式建筑可以縮短施工周期25%～30%，節(jié)約用水50%～60%，節(jié)省木材60%～70%，降低施工能耗約20%，減少建筑垃圾70%～80%，并明顯降低施工現(xiàn)場的粉塵和噪聲污染。可以看出，大力推廣和發(fā)展預制建筑是建筑產(chǎn)業(yè)化改革和發(fā)展的趨勢。

國家從2015 年開始就陸續(xù)出臺了預制建筑規(guī)劃,決定2016年全國全面推廣裝配式建筑,并取得了突破性的進展。在國家政策的引導下，PC 工廠數(shù)量呈爆發(fā)式增長，僅在2018 年全年新增PC工廠大概有300家左右，新增各類PC生產(chǎn)線500條以上。PC工廠為了提高生產(chǎn)效率，最大程度減少模具投入和提高模具的周轉(zhuǎn)率，普遍要求配制的混凝土早期強度比較高，1d的脫模起吊強度要求大于等于15MPa。實際生產(chǎn)過程中大部分PC 工廠為了滿足早期拆模要求使用加大水泥用量或提高水泥強度等級等方式，比如C30 等級混凝土水泥用量高達每立方米320kg～360kg，也不加任何摻合料，這種方式雖然可以提高混凝土的早期強度，但是造成了材料的浪費，水泥用量太大也會造成混凝土收縮裂紋和影響構(gòu)件的耐久性。由此看來，單單采用增加水泥用量來提高混凝土早期強度的方式滿足不了當前PC 工廠生產(chǎn)和經(jīng)營需求，必須另外開辟一條路，考慮采用新的材料、新的機理來滿足PC構(gòu)件生產(chǎn)的特殊要求。因此，可以從膠凝材料方面考慮，用粉煤灰代替部分水泥。

粉煤灰是發(fā)電廠煤炭燃燒后從煙氣管道中收集的細灰，是燃煤電廠排出的一種固體廢棄物，為保護環(huán)境、促進資源綜合利用，將粉煤灰應用到裝配式建筑領(lǐng)用具有很大的價值。另外，粉煤灰本身也具有很多優(yōu)勢，密度小，可以降低構(gòu)件的重量，方便運輸和安裝；細度小，可以填充構(gòu)件結(jié)構(gòu)縫隙，提高構(gòu)件的密實度和耐久性。粉煤灰是在1300℃左右的溫度下形成的，他的結(jié)構(gòu)大多數(shù)為球狀的玻璃體，其中很多又為中空的漂珠，這種特殊的結(jié)構(gòu)使他具有很好的保溫防火性能。但是粉煤灰的早期活性低，導致粉煤灰混凝土早期強度偏低，因此，采用何種方法來提高粉煤灰的活性，提高混凝土早期強度，從而滿足裝配式預制構(gòu)件生產(chǎn)，就顯得非常重要。為了達到PC 構(gòu)件早期拆模強度要求，盡量降低成本，綜合本地粉煤灰材料來源特點，選取一種可以激發(fā)粉煤灰活性的化學物質(zhì)硅酸鈉，加到粉煤灰里，從而實現(xiàn)混凝土強度的提升，滿足構(gòu)件廠的生產(chǎn)需求。

2 硅酸鈉加入后對粉煤灰的作用

粉煤灰中含有很多的玻璃體顆粒，其中含有大量的可溶性的、酸性的氧化物SiO2和Al2O3，這就是粉煤灰本身具有的火山灰活性，其能夠促進水泥的水化作用。正因為SiO2和Al2O3是酸性的氧化物，他們的活性在堿性的環(huán)境中容易被激發(fā)出來，本來牢固的Si-O、Al-O鍵遭到破壞，在表面形成了游離的不飽和鍵，從而容易與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應，生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物，如水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，其反應過程如下所示：

根據(jù)以上反應過程，添加硅酸鈉能夠加快粉煤灰和氫氧化鈣的反應速度，從而提高混凝土的強度。硅酸鈉是一種無定型的玻璃體結(jié)構(gòu)，細度比較小，比表面積較大，化學活性很高，其無定型SiO2可與氫氧化鈣迅速反應生成硅酸鈣晶體，能夠填充水泥空隙和加快硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化反應速度，激發(fā)了粉煤灰的火山灰活性，從而提高混凝土的早期強度。

在本文中，主要研究的是采用化學的方法對粉煤灰進行活性激發(fā)，操作簡單，只需要在體系中加入適量的硅酸鈉就能達到效果。接下來，從硅酸鈉規(guī)格選用、不同組合比例等角度出發(fā)，來研究摻加硅酸鈉對粉煤灰混凝土工作性能、力學性能以及成本等方面的影響，驗證其在預制建筑構(gòu)件混凝土中的適用性。

3 摻加硅酸鈉的粉煤灰混凝土性能試驗

3.1 硅酸鈉激發(fā)劑、粉煤灰主要成分分析

本試驗所選用的硅酸鈉是粉狀速溶硅酸鈉，質(zhì)量指標如表1。

粉煤灰是上海寶鋼廠的副產(chǎn)品，品質(zhì)為II 級灰，質(zhì)量指標如表2。

表1

表2

粉煤灰主要化學成分如表3。

表3

3.2 C30混凝土配合比

表4 摻硅酸鈉的粉煤灰混凝土配合比/（kg/m3）

備注：水泥為臺泥P.II 52.5；粉煤灰為上海寶鋼II級灰；石產(chǎn)地為舟山，連續(xù)級配的5mm～25mm 碎石，砂產(chǎn)地為贛江，采用Ⅰ類2 區(qū)中砂，細度模數(shù)：2.3～3.0，外加劑為江蘇某企業(yè)生產(chǎn)的聚羧酸型減水劑。設計基準混凝土的水泥用量為340kg/m3，本試驗所設計的基準混凝土配合比是以上海某PC工廠為例，在不摻任何摻合料的條件下來提高混凝土早期強度以達到構(gòu)件脫模起吊要求。粉煤灰替代率采用兩種，15%和20%。硅酸鈉激發(fā)劑摻量選用參照兩個原則：一是成本低，二是活化效果好。經(jīng)研究表明，本試驗所用規(guī)格的硅酸鈉摻量按照粉煤灰用量的0.8%為宜。外加劑摻量按照膠凝材料總量的1.4%為宜。

進行C30 混凝土性能試驗時，混凝土試件尺寸為100mm×100mm×100mm，1d 成型后拆模，轉(zhuǎn)移到標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護到規(guī)定的齡期。制備混凝土抗壓強度試件以及試驗方法，可以參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表4設計的混凝土配合比，試驗結(jié)果顯示，混凝土各齡期的抗壓強度數(shù)據(jù)如表5。

激發(fā)劑摻量粉煤灰取代率混凝土抗壓強度（MPa）序號3d 7d 28d混凝土成本S1 0 26.4 30.6 39.6 420元/方S2 15%0 0 21.7 25.4 36.8 400元/方S3 15%0.8%23.3 28.3 37.9 402元/方S4 20%0 14.5 19.7 30.2 392元/方S5 20%0.8%19.2 23.1 32.3 395元/方

根據(jù)表5的試驗數(shù)據(jù)分析有以下幾點。

（1）用粉煤灰代替一部分水泥，代替比例從15%增加到20%，混凝土3d，7d 和28d 抗壓強度值相應的有所降低，加了硅酸鈉的混凝土抗壓強度也有同樣的變化趨勢。因此，對于PC工廠來說，建議使用粉煤灰對水泥的替代率小的配合比，至于具體選擇多大的替代率，還有待試驗進一步研究。

（2）在粉煤灰代替比例相同的情況下，一組加了硅酸鈉來激發(fā)，一組沒有加，通過試驗數(shù)據(jù)可知加了硅酸鈉的粉煤灰混凝土抗壓強度比未加硅酸鈉的混凝土抗壓強度高一些。

（3）以上海某PC 工廠為例，純水泥混凝土的成本約為420元/方（不含稅），摻加粉煤灰之后的混凝土成本均有所降低，降低比例依據(jù)實際使用的配合比來定。

5 添加硅酸鈉的粉煤灰混凝土在預制構(gòu)件生產(chǎn)中的作用和效益

（1）節(jié)約水泥用量，降低混凝土的成本。根據(jù)表5數(shù)據(jù)，針對PC 工廠來說，如果設計強度等級為C30 混凝土，采用S3 配合比既能達到構(gòu)件3d脫模起吊的強度要求（大于等于混凝土設計強度的75%），又能節(jié)約成本約4.3%。

（2）降低廢品率，降低維修成本。使用不加摻合料的混凝土，構(gòu)件產(chǎn)品穩(wěn)定性較差，并且水養(yǎng)后在堆場中容易產(chǎn)生較為明顯的收縮裂縫，極易產(chǎn)生廢品，而使用硅酸鈉激發(fā)粉煤灰活性混凝土生產(chǎn)的構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性好，減少報廢率，節(jié)約成本。

（3）改善混凝土和易性和結(jié)構(gòu)密實程度，降低水化熱，減少離析與泌水，從而減少預制構(gòu)件的裂紋，提高混凝土的耐久性能。

6 結(jié)束語

在混凝土預制構(gòu)件的生產(chǎn)中，使用添加硅酸鈉的粉煤灰解決了粉煤灰混凝土早期強度較低的問題，改善了預制構(gòu)件的外觀缺陷，提高了耐久性。同時顯著提升構(gòu)件廠生產(chǎn)效率、加快預制混凝土構(gòu)件鋼模具周轉(zhuǎn)、降低混凝土養(yǎng)護能耗，從而節(jié)約成本，實現(xiàn)其經(jīng)濟效益。