納米水化硅酸鈣在久馬高速一標蒸養預制梁中的應用

賈二鵬 張仁飛 李智涵 李茜茜 Serina Ng*

1.石家莊市長安育才建材有限公司 河北石家莊 051530；2.河北省混凝土用功能性材料工程技術研究中心 河北石家莊 051530；3.河北省建筑化學添加劑產業技術研究院 河北石家莊 051530；4.四川砼道科技有限公司 四川成都 611139

1 概述

隨著我國建筑行業的發展，裝配式建筑[1-3]已經成為我國建筑行業一個重要的發展方向。推動裝配式建筑，對推動建筑生產方式變革、保障工程建設質量安全、促進建筑產業轉型升級和供給側結構性改革等具有重要意義。由于裝配式建筑的特點，就對混凝土預制構件早期強度和模具周轉提出了更高的要求。常規的氯化物早強劑含有氯鹽，易腐蝕鋼筋，硫酸鹽類早強劑影響后期強度，硝酸鹽早強效果一般，醇胺類早強劑摻量敏感、價格偏高，存在諸多缺陷和應用局限[4-6]，因此亟須一種適應性好、性能優異且成本合適的混凝土早強劑。

納米水化硅酸鈣[7-12]是一種粒徑為納米尺寸的混凝土早強劑，加入水泥漿體中可降低水化產物C-S-H凝膠的成核勢壘，誘導水化產物生成，加速水化，提高早期強度。由于其為納米顆粒，比表面積較大，有助于離子的吸附，使得整個體系中水化產物生長得更為彌散[13]，加上其納米顆粒的填充效應，使得最終水化產物結構更加致密，因而不會影響其后期強度。

目前，國內外學者主要針對各種因素例如：硅源[14]、鈣源[15]、硅鈣比[13，16，17]、分散劑[18-19]、pH[10]等對納米水化硅酸鈣結構與在水泥基材料中性能的影響進行了大量研究，但納米水化硅酸鈣在實際工程項目中的應用卻鮮有報道。久馬高速一標預制梁混凝土配合比中膠凝材料用量較高且需蒸養48h方能滿足力學性能要求，原材料及能耗成本較高，因此嘗試應用納米水化硅酸鈣降低一定膠材用量及縮短蒸養時間。

2 試驗部分

2.1 原材料及配合比

2.1.1 原材料

拉法基P.O52.5水泥，都江堰拉法基水泥有限公司生產，化學組分見表1；機制砂，細度模數2.7；碎石，粒徑5～10mm、10～26.5mm，均由四川路橋建設股份有限公司生產；納米水化硅酸鈣GK-3Z[20-21]與減水劑GK-3000，石家莊市長安育才建材有限公司生產；自來水。

表1 水泥化學組分(wt%)

2.1.2 配合比

表2 試驗室混凝土配合比(kg/m3)

表3 預制梁生產用配合比(kg/m3)

2.2 測試方法

2.2.1 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物的坍落度、擴展度及經時損失和凝結時間測試參照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，減水劑和納米水化硅酸鈣與拌合水同時加入攪拌機。拌合水溫度為6℃，實驗室白天最高氣溫14℃，晚上最低氣溫2℃。

2.2.2 力學性能

混凝土力學性能測試參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行，混凝土成型尺寸為150mm×150mm×150mm，然后進行養護。

預制梁回彈強度值測試參照JGJ/T 23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》進行。

2.2.3 養護條件

表1中混凝土試塊為在實驗室室溫養護24h后脫模，分別送入梁場50℃蒸養及養護室標養；表2中預制梁澆筑后，模板50℃保溫24h脫模，進行50℃蒸養；澆筑梁留樣試塊為梁場內(10℃)養護24h后脫模進行50℃蒸養。

3 結果與討論

3.1 混凝土試驗

表4 混凝土工作性能及損失(坍落度/流動度mm)

由表4中可以看出，基準混凝土具有良好的初始工作性能，損失也較小。加入納米水化硅酸鈣后，外加劑摻量不變，混凝土初始流動并未發生明顯變化，但損失較基準稍快，特別在1.5h時，擴展度較初始損失155mm，明顯高于基準1.5h損失50mm，但狀態仍可滿足澆筑。這是由于納米水化硅酸鈣加速水泥水化[12]，導致混凝土工作性能損失加快。考慮到久馬高速一標預制梁生產時新拌混凝土運輸時間只有5～10min，但有時會遇到模具安裝或安排工人等生產因素導致等待時間需要30min到1h左右，因此要求混凝土流動性具有一定的保持能力，表4中混凝土工作性能及保持完全滿足要求。如果需要更高的混凝土工作性能保持能力，可通過適當提高減水劑中的保坍母液摻量進行調整。

表5 混凝土凝結時間

由表5得知，納米水化硅酸鈣的加入使混凝土初凝時間縮短3h以上，終凝時間縮短2h以上，具有良好的加速水化效果。說明在冬季低溫時，納米水化硅酸鈣可有效縮短混凝土的凝結時間。

表6 混凝土抗壓強度(MPa)

加入納米水化硅酸鈣后混凝土力學性能如表6所示，在當地溫度同條件對比下，加入納米水化硅酸鈣使混凝土24h抗壓強度增加7.8MPa，脫模后，繼續蒸養24h和48h后抗壓強度均增加了10.6MPa，而且加入納米水化硅酸鈣蒸養24h的混凝土抗壓強度已經高于基準蒸養48h抗壓強度，說明納米水化硅酸鈣可縮短至少50%以上的蒸養時間，提高生產效率，降低蒸養能耗。另外在48h標養條件下，加入納米水化硅酸鈣的混凝土抗壓強度也高于基準蒸養48h抗壓強度，說明可在標養條件下實現“免蒸養”。但在預制梁生產過程中標準養護難度較大，且久馬高速當地氣溫較低，因此在后續生產過程中采用蒸養24h的養護制度。

3.2 預制梁成型

圖1 GK-3Z-1混凝土放料(左)、澆筑(右)

圖2 預制梁外觀(左-基準-L，右-GK-3Z-L)

從圖1中可以看出，放料時混凝土狀態較好，不離析、不泌水，流動性雖較出機時略有損失，但也滿足澆筑。說明在此條件下加入一定量的納米水化硅酸鈣滿足混凝土工作性能要求。圖2為脫模后預制梁的外觀，可以看出梁表面光滑、無氣泡、無裂縫，顏色較為均勻，加入納米水化硅酸鈣后對梁外觀無任何負面影響。

表7 預制梁留樣試塊抗壓強度及回彈強度

從表7中可以看出，加入納米水化硅酸鈣后，混凝土蒸養24h抗壓強度高達56.6MPa，較基準-L蒸養24h強度高10.7MPa，較基準-L蒸養48h強度高8.1MPa，說明納米水化硅酸鈣有效提高了混凝土早期強度，這與3.1中試驗結論一致，這樣可至少縮短24h的蒸養時間，節約能耗，縮短生產周期。回彈強度值也達到45MPa，滿足項目上張拉要求。另外，GK-3Z-L中混凝土較基準-L少14kg水泥，可節約混凝土原材料成本，隨著近期水泥價格的不斷攀升，此處所節約的費用將會更加可觀。

4 結論

(1)納米水化硅酸鈣加入對混凝土初始工作性能無明顯影響，但損失稍微加快；納米水化硅酸鈣可縮短混凝土初凝時間3h以上，終凝時間2h以上；

(2)加入膠材3%摻量的水化硅酸鈣使混凝土蒸養24h抗壓強度比基準蒸養48h高，可縮短50%以上的蒸養時間。即使不經蒸養工藝，在加入納米水化硅酸鈣混凝土脫模后標養48h抗壓強度也高于基準蒸養48h，可實現“免蒸養”。

(3)預制梁成型試驗中，混凝土放料、澆筑滿足要求，對梁外觀無影響。納米水化硅酸鈣同樣可使混凝土試塊24h蒸養比基準混凝土蒸養48h強度高，且梁回彈強度滿足張拉要求，可縮短24h以上的蒸養時間。納米水化硅酸鈣可降低預制梁混凝土配合比中的水泥用量，節約材料成本。