裝配式構件高強混凝土制備技術研究

Study on Preparation Technology for High-strength Concrete of Prefabricated Members

張意1，陳科2，陳怡宏1，于澤東2，段文川1（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶　400015；2重慶大學材料學院，重慶　400030）

?

裝配式構件高強混凝土制備技術研究

Study on Preparation Technology for High-strength Concrete of Prefabricated Members

張意1，陳科2，陳怡宏1，于澤東2，段文川1
（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶400015；2重慶大學材料學院，重慶400030）

摘要：該文以堿礦渣膠凝材料作為膠結材，使用級配合理的普通砂、石集料來制備裝配式構件高強混凝土，并采用蒸汽養護制度以加速混凝土的強度發展。文章較全面的研究了裹漿工藝、養護方式、配制參數及堿組分等因素對裝配式構件高強混凝土強度的影響，確定了裝配式構件高強混凝土的制備技術條件及參數。

關鍵詞：裝配式構件；混凝土；蒸汽養護；裹漿工藝；預養時間；養護方式；養護齡期

Abstract:With alkali-activated slag material as cemented material and, combined with reasonable ordinary sand and aggregate, high-strength concrete of prefabricated members is prefabricated, and its strength development is accelerated with steam curing system. This paper studies impact of factors like wrapped slurry, curing method, fabrication parameters and alkaline constituents on the strength of high-strength concrete of prefabricated members, with preparation technological conditions and parameters determined.

Keywords:prefabricated members; concrete; steam curing; wrapped slurry; pre-curing time; curing method; curing period

0　引言

建筑行業是我國國民經濟的支柱產業，對我國經濟的發展有舉足輕重的作用。但隨著能源緊缺、節能環保、勞動力短缺等問題的凸顯，建筑業發展遇到了很大挑戰。而建筑產業現代化建筑模式正是行之有效的戰略措施。采用裝配式結構，可以有效節約資源和能源，提高材料在現實建筑節能和結構性能方面的效率，減少現場施工對場地等條件的要求，減少建筑垃圾和對環境的不良影響，提高建筑功能和結構性能，實現“四節一環?！钡木G色發展要求，實現低能耗、低排放的建造過程，促進我國建筑業的整體發展，實現預定的節能減排目標。

雖然預制混凝土和現澆混凝土相比也存在著整體性較差、設計難度較大、運輸安裝困難等缺點，但是隨著建筑產業化（或稱“住宅工業化”）政策提出及其思想的深入人心，預制混凝土的生產應用是必然的趨勢。本課題旨在研究一種用于裝配式結構的高強混凝土的制備技術，為裝配式結構混凝土的推廣應用及住宅產業化的實施提供可靠的、性能良好的材料基礎。

1　原材料及試驗方法

1.1原材料

1.1.1礦渣

重慶鋼鐵集團水淬高爐礦渣，烘干后摻0.5%YP-3、2.0% PN混磨。密度為2.95g/cm3，比表面積為456m2/kg，其化學成分見表1。

表1　礦渣化學成分（%）

1.1.2堿組分

重慶井口化工廠生產的鈉水玻璃（Water Glass，簡稱WG），主要性能指標見表2；NaOH為四川德陽片堿，純度為99.0%。

表2　水玻璃的化學成分

1.1.3粗集料

歌樂山石灰巖碎石，最大粒徑Dmax=10mm，為5～10mm連續級配，壓碎指標為10.3%，表觀密度為2470kg/m3，堆積密度1470 kg/m3。

1.1.4細集料

岳陽中砂，過4.75mm篩，細度模數為2.37，表觀密度為2687kg/m3，堆積密度為1642 kg/m3，含泥量為1.0%。

1.1.5鋼纖維

鍍銅微鋼纖維：鞍山科比特科技有限公司生產的鋼纖維，表面經過鍍銅防銹處理。其主要性能指標見表3。

表3　鋼纖維的性能指標

1.2試驗方法

裝配式構件高強混凝土抗壓、抗折強度試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002進行，試件尺寸分別為100mm×100mm×100mm，100mm×100mm×400mm；裝配式構件高強混凝土成型采用振動臺振實，振動時間為120s。

2　實驗工藝對裝配式構件高強混凝土強度的影響

首先從裹漿工藝、預養時間、養護方式及養護齡期入手，研究了諸因素對裝配式構件高強混凝土強度的影響。其中礦渣用量為560 kg/m3；水膠比為0.28，集膠比為3.1，砂率為45%；堿組分為水玻璃，其模數為1.0，堿當量以Na2O對膠凝材料質量百分比計為4.0%；鋼纖維摻量以堿礦渣混凝土的體積百分比計為1.00%。養護方式有兩種，一種是標準養護：即試件成型后靜停24h拆模，并置于標準養護條件下養護；另一種是蒸汽養護：即試件成型后靜停3h后在80℃條件下帶模蒸養8h，脫模后將試件置于標準養護條件下標養7d。對于攪裹漿工藝、靜停時間及養護齡期三因素的研究采用蒸汽養護制度。

2.1裹漿工藝對裝配式構件高強混凝土強度的影響

在原料及配合比既定的條件下，裹漿工藝的合理程度對混凝土性能會產生重大的影響。物料的攪拌順序很重要，因為混凝土的某些特性依賴于各組分進入攪拌機的順序[1-2]，如改變膠凝材料、粗細集料以及水等在攪拌過程中參與攪拌的順序或時間，將對混凝土界面過渡區的微觀結構產生影響。實驗研究了四種裹漿工藝對裝配式構件高強混凝土強度的影響，這四種裹漿工藝投料順序不一致，攪拌時間均為240s，具體方法如下。

裹漿工藝對裝配式構件高強混凝土強度的影響見表4。結果表明，A、B、C、D四種裹漿工藝對混凝土強度有一定的影響，B、C、D三種裹漿工藝所拌制的裝配式構件高強混凝土強度較A裹漿工藝高0.14%～0.24%。鑒于A裹漿工藝操作相對比較簡單，所以選定A裹漿工藝作為制備裝配式構件高強混凝土的攪拌工藝。B、C、D三種裹漿工藝屬于二次攪拌工藝，二次攪拌工藝可以促進水泥顆粒的分散度和提高水化程度，綜合地提高混凝土各項性能[3]。

2.2預養時間對裝配式構件高強混凝土強度的影響

進行蒸汽養護的混凝土必須有一個靜停階段。它也稱預養期、前置期或靜置期，是指制品澆筑成型后及蒸汽養護開始前在大氣環境下的一段放置時間。該階段主要是保證混凝土中水泥有一定程度的水化，并具有一定的結構強度，以防止蒸汽養護的升溫過程導致混凝土體積膨脹而產生結構破壞。那么，試驗比較了不同的預養時間對裝配式構件高強混凝土強度的影響，結果見表5。

表4　裹漿工藝對裝配式構件高強混凝土強度的影響

表5　預養時間對裝配式構件高強混凝土強度的影響

結果表明，隨著預養時間的延長，裝配式構件高強混凝土強度有所增長，但增幅較小。一般認為[4]，較長的預養時間有利于提高混凝土初期結構強度，抵抗混凝土在升溫過程中的腫脹變形，但是較長的預養時間對于實際生產中的生產效率又不利。綜合考慮，預養時間定為3h比較合理。

2.3養護方式對裝配式構件高強混凝土強度的影響

眾所周知[5]，養護方式對水泥水化有重大影響，如水化速度、水化率、水化生成物的結晶度及晶體形貌、孔隙率、孔結構、放熱速度、收縮與裂縫、水泥漿流變演變進程等。養護不好會使混凝土的物理力學性能和耐久性能劣化。為了獲得優異的力學性能、良好的耐久性能，選擇一種好的養護制度至關重要。試驗采用了兩種不同的養護方式，并比較了兩種養護方式對裝配式構件高強混凝土強度的影響。試驗結果見表6。

表6　不同養護方式對裝配式構件高強混凝土強度的影響

試驗結果表明，蒸汽養護可以快速提高裝配式構件高強混凝土的強度。從表6可以看出，通過蒸汽養護后再標準養護7d的裝配式構件高強混凝土試件強度比標準養護28d的強度還要高15%。因為采取蒸汽養護制度加快了裝配式構件高強混凝土的水化硬化速度，提高了混凝土的早期強度。

2.4養護齡期對裝配式構件高強混凝土強度的影響

對于普通混凝土，在正常的養護條件下，其強度將會隨著齡期的延長而增長；蒸汽養護可以提高混凝土的早期強度，縮短構件脫模、放張的時間，加快模板的周轉。但是，蒸汽養護下的混凝土構件也存在一個重大的缺陷，就是“混凝土構件蒸汽養護后的強度損失”。何紫峰[6]的研究表明，無論哪一種窯，哪一種構件都存在蒸汽養護的強度損失的現象。對此，研究了蒸汽養護下的裝配式構件高強混凝土強度與齡期的關系，結果見表7。

表7　養護齡期對裝配式構件高強混凝土強度的影響

結果表明，裝配式構件高強混凝土蒸汽養護8h后，再標準養護3d、7d、14d齡期的強度幾乎一致。這充分表明，經過蒸汽養護的混凝土試件強度不會損失。

3　配制參數對裝配式構件高強混凝土強度的影響

試驗研究了水膠比、集膠比和鋼纖維摻量對裝配式構件高強混凝土強度的影響。其中礦渣用量為560kg/m3，砂率為45%，堿組分為水玻璃，堿當量以Na2O對膠凝材料質量百分比計，鋼纖維摻量以堿礦渣混凝土的體積百分比計。對于養護方式采用蒸汽養護：即試件成型后靜停3h，并在80℃條件下帶模蒸養8h，脫模后將試件置于標準養護條件下標養7d。

3.1水膠比對裝配式構件高強混凝土強度的影響

試驗研究了不同水膠比對裝配式構件高強混凝土強度的影響，配比及結果見表8。結果表明，裝配式構件高強混凝土的強度隨著水膠比的增加而降低。這符合混凝土的一般規律。因為混凝土的強度主要取決于水泥石的強度以及其與集料間的粘結力，而水泥石的強度以及其與集料間的粘結力又取決于膠凝材料的強度與水膠比的大小。由于膠凝材料水化所需的結合水，一般是很低的，但是在拌制混凝土拌合物時，為了獲得較好的流動性，常需摻較多的水，而混凝土硬化之后，多余的水分就殘留在混凝土中形成孔穴或氣孔，從而大大減少了混凝土抵抗荷載的實際有效斷面，以致降低了混凝土的強度。

表8　水膠比對裝配式構件高強混凝土強度的影響

3.2集膠比對裝配式構件高強混凝土的影響

試驗研究了不同集膠比對裝配式構件高強混凝土強度的影響，配比及結果見表9。

結果表明，隨著集膠比的增加，裝配式構件高強混凝土的強度略有提高。已有的結果表明[7]，在水膠比一定的條件下，高集料用量、貧漿的混凝土強度略高。但堿礦渣混凝土界面水化產物結構致密，無定向排列的Ca（OH）2晶體[8]，集料與水泥石界面不再是混凝土結構薄弱環節，故集膠比對混凝土強度影響較小。

3.3鋼纖維對裝配式構件高強混凝土強度的影響

對于普通混凝土的大量試驗證明，鋼纖維的體積摻量一般為0.5%～2%，最大不超過3%。所以試驗選擇0.75%～1.50%的摻量范圍作為研究對象，研究了鋼纖維摻量變化對裝配式構件高強混凝土強度的影響。配比及結果見表10。

表10　鋼纖維摻量對裝配式構件高強混凝土強度的影響

纖維的作用在于它能夠阻礙混凝土內部微裂紋的繁衍、擴展，顯著提高混凝土的韌性和延性[9]。結果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，裝配式構件高強混凝土的強度隨之提高。鋼纖維摻量由0.75%增加到1.50%，混凝土抗壓強度增長了11.4%，而抗折強度增幅較大，增長了54.7%。這是因為隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維的增韌作用隨之增強。但鋼纖維摻入會增大混凝土中拌和物內部摩擦力，且會用去拌和物中部分拌合水，從而影響混凝土流動性[10]。所以摻量為1.25%較合理。

4　堿組分對裝配式構件高強混凝土強度的影響

4.1水玻璃模數對裝配式構件高強混凝土強度的影響

水玻璃模數作為水玻璃的一個重要性能指標，對混凝土的凝結時間、抗壓強度都有影響。筆者選擇了1.0～1.5的模數范圍進行試驗，配比及結果見表11。結果表明，裝配式構件高強混凝土的強度隨著水玻璃模數增加先增加后減小，且M=1.25，裝配式構件高強混凝土強度最高。

表11　水玻璃模數對裝配式構件高強混凝土強度的影響

馬保國[11]分析了水玻璃模數高低對堿礦渣水泥混凝土強度作用機理。他指出當水玻璃模數過高時，堿礦渣水泥系統中（SiO4）-4濃度高而OH-濃度低，礦渣微粉的解聚不夠充分，難以形成以低堿度C-S-H凝膠為主體的凝聚結構，從而使堿礦渣水泥混凝土強度降低；而模數過低時，堿礦渣水泥系統堿度過高，堿礦渣水泥水化速度過快，較早在礦渣表顆粒面形成致密水化產物層，阻礙水化反映的進一步進行，從而導致C-S-H凝膠水化產物總量減少，大孔增多，裝配式構件高強混凝土強度下降。

4.2堿當量對裝配式構件高強混凝土的影響

對于堿礦渣膠凝材料，以水玻璃作激發劑時，其量一般為2%～8%（以Na2O當量計），隨著量的增加，強度明顯提高。但綜合考慮強度、膠結材的經濟性以及其它方面的性能，筆者選擇4.0%～6.0%的堿當量范圍作為研究對象，配比及結果見表12。

表12　堿當量對裝配式構件高強混凝土強度的影響

結果表明，隨著堿當量的增加，裝配式構件高強混凝土的抗壓強度增加了10.6%，抗折強度增加了19.3%。這主要是因為堿當量的增加，OH-數量隨之增加，其對礦渣玻璃體結構的破壞程度也增加，Ca-O鍵、Mg-O鍵、Si-O-Si鍵、Si-O-Al鍵和Al-O-Al鍵斷裂數量增加，產生的（SiO4）4-離子、（AlO4）4-離子和Ca2+離子等離子數量增加，生成的水化產物C-S-H的數量增加[12]。

5　結論

（1）同一條件下，造殼法、凈漿裹石法及凈漿裹砂法種裹漿工藝所拌制的裝配式構件高強混凝土強度較傳統法裹漿工藝高0.14%～0.24%。

（2）隨著預養時間（1.5～6.0h）的延長，裝配式構件高強混凝土強度有所增長，但增幅較小。

（3）蒸汽養護后再標準養護7d的裝配式構件高強混凝土試件強度比標準養護28d的強度還要高15%，且蒸汽養護的堿礦渣混凝土試件強度不會損失。

（4）裝配式構件高強混凝土的強度隨著水膠比（0.28～0.34）的增加而降低，隨著集膠比（2.80～3.25）的增加略有提高，隨著鋼纖維摻量（0.75%～1.50%）的增加，抗壓強度增長了11.4%，抗折強度增長了54.7%。

（5）裝配式構件高強混凝土的強度隨著水玻璃模數（1.0～1.5）增加先增加后減小，且M=1.25，裝配式構件高強混凝土強度最高；隨著堿當量（4.0%～6.0%）的增加，其抗壓強度增長了10.6%，抗折強度增長了19.3%。

參考文獻：

[1] FERRARIS C F.Concrete mixing methods and concrete mixers：State of the art [J].Research of the National Institute of Standards and Technology，2001，106（2）：391- 399.

[2] CHANG P K，PENG Y N.Influence of mixing techniques on properties of high performance concrete [J].Cement and Concrete Research，2001：87- 95.

[3]王衛中，馮忠緒.混凝土攪拌工藝方案比較[J].工程機械，2006，27：63.

[4]彭波，丁慶軍，王紅喜，等.水泥與混凝土制品的蒸汽養護生產關鍵技術進展[J].國外建材科技，2007，28（3）：22.

[5]江桂華，林東，林永權，等.養護制度對活性粉末混凝土強度的影響及其機理研究[J].水泥與混凝土，2010（1）：18.

[6]何紫峰.混凝土構件蒸汽養護后的強度損失和預防[J].混凝土，1993（5）：53.

[7]文梓蕓，錢春香，楊長輝.混凝土工程與技術[M].武漢：武漢理工大學出版社，2004.

[8]蒲心誠，嵇亞俊.堿礦渣（JK）混凝土的界面特性及其對斷裂性能的影響[J].硅酸鹽通報，1991（5）：1，3，4.

[9]姚武.鋼纖維高強混凝土的力學性能研究[J].新型建筑材料，1999（10）：18.

[10]黃育，王必斌，陳萬祥，等.不同鋼纖維對RPC性能影響的試驗分析[J].解放軍理工大學學報，2004（5）：66.

[11]馬保國，朱洪波，董榮珍.AAS水泥性能及其混凝土應用研究[J].武漢理工大學學報，2004，26（3）：34.

[12]楊猛，孫小巍，李文學.堿激發礦渣膠凝材料的試驗研究[J].建材技術與應用，2010（3）：3.

責任編輯：孫蘇，李紅

作者簡介：張意（1981-），男，江蘇沛縣人，研究生，高級工程師，主要從事建筑施工質量技術管理工作。

收稿日期：2016-02-03

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.035

中圖分類號：TU525

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）03-0035-04