季凍區高速公路高性能混凝土小型預制構件試驗與應用研究

王 勃

(遼寧省交通建設管理有限責任公司 沈陽市 110005)

0 引言

混凝土小型構件的生產應用廣泛，能夠有效地提高工程質量、文明施工和質量安全管理實際效果、改善施工環境、降低勞務人員勞動強度、節約資源，降低經濟成本。預制構件工廠化集中預制生產不僅在設計階段能夠針對實際狀況設計特定模具，在后期生產、養護、存放、運輸等各階段還能夠實現及時調控，加快施工效率。

對于混凝土預制構件，已有學者做了大量的研究討論：鄭西躍[1]研究預制混凝土構件在重大項目建設中的重要性，證明了其在使用材料、安全性和經濟效益等方面與傳統施工工藝相比具有顯著優勢；于明等[2]提出一套混凝土預制構件工廠化、自動化生產設備和流程，表明混凝土預制構件工廠化、高度自動化生產的可行性；曹麗斐[3]從構件生產消耗量的角度分析，建立一種測定方法計算預制構件的成本，調節生產過程中的影響因素，促進企業對預制混凝土構件的生產。相關研究成果表明，通過合理的材料和工藝設計，小型預制構件的應用前景廣泛，具有顯著的成本優勢和環境效益。

以沈康四期高速公路項目排水結構工程為依托，考慮具體環境條件，采取寒冷地區鹽凍條件設計標準，通過室內試驗、室外長期性能評估和工藝研發，提出預制構件配合比和預制構件生產工藝。

1 試驗簡介

1.1 原材料

水泥為P.O 42.5水泥；粉煤灰為F類Ⅰ級粉煤灰；礦粉采用S95礦粉；硅灰膠凝材料的物理性質及化學組成見表1。減水劑為聚羧酸類高效減水劑，減水率為33%；拌和用水為自來水。細骨料采用Ⅱ區普通河砂，細度模數為2.65，表觀密度為2650kg/m3；粗骨料粒徑為4.75～16 mm的天然碎石，表觀密度分別為2 745kg/m3。

表1 膠凝材料的化學組成和物理性質

1.2 配合比及試驗方法

(1)試樣制備及基本性能測試

試驗選用的配合比如表2所示。5組混凝土的粗、細骨料用量相同，水膠比均為0.33，膠凝材料包括水泥、礦粉、粉煤灰和硅灰，其總用量為500kg/m3，減水劑摻量均為1.2%。相比于基準配合比P1，P2-P4組配合比中硅灰分別以3%、4%和5%等質量取代水泥，P5組配合比以P4為基礎摻入0.25‰的三鐵皂甙引氣劑和2‰的消泡劑。按照上述配比，將所有原材料放入攪拌機中混合均勻，首先進行拌和物工作性能測試，按照《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)進行測試。其次，每組配合比成型3個100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件和6個150mm×150mm×150mm的立方體。最后，24 h后拆模，并在溫度20℃±2℃和相對濕度大于95%的養護箱中養護至28 d齡期，棱柱體用于快速凍融試驗，立方體用于單邊凍融(鹽凍法)和抗壓強度試驗，以每組3個試件的平均值作為最終試驗結果，工作性能和力學強度測試結果如表3所示。

表2 混凝土配合比

表3 各組混凝土配合比工作性能和力學性能測試結果

(2)快速凍融試驗

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)，對P1～P5配合比試樣進行300次循環的快速凍融并進行對比，試驗采用尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，將試件進行24d標準養護后，將凍融試件放在20℃±2℃水中浸泡4d，浸泡時水面應高出試件頂面20～30mm，將28d齡期的混凝土試件放入試件盒中心，試件盒放入凍融箱內的試件架中，并向試件盒中注入清水。在整個試驗過程中，盒內水位高度應始終保持至少高出試件頂面5mm，每次凍融循環應在2～4h內完成，且用于融化的時間不得少于整個凍融循環時間的1/4，冷凍和融化之間的轉換時間不宜超過10min。

(3)單面鹽凍試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)，對P1～P5配合比試樣進行200次循環的單面鹽凍并進行對比，采用150mm×150mm×150mm的立方體試模，在空氣中帶模養護24h±2h，然后將試件脫模并放在20℃±2℃的水中養護7d，將試件切割成為150mm×110mm×70mm，偏差應為±2mm，放在溫度為20℃±2℃、相對濕度為65%±5%的實驗室中干燥至28d齡期，將試件放置在試件盒中，向試件盒中加入試驗液體并不得濺濕試件頂面，當全部試件盒放入單面凍融試驗箱中后，應確保試件盒浸泡在冷凍液中的深度為15mm±2mm。

2 試驗結果與討論

在快速凍融試驗工況下，不同配合比試樣的質量損失率和相對動態彈性模量與凍融循環次數間的關系分別如圖1和圖2所示。由圖1可知，隨著凍融循環次數的增加，不同配合比試樣的質量損失率不斷增加，且隨硅灰摻量的增加，不同配合比試樣(P1～P4)質量損失百分率顯著下降。相比于基準配合比P1，硅灰摻量為膠凝材料4%時，質量損失百分率下降22.4%。相比于基準配合比P1試樣和配合比P4試樣，摻入引氣劑和消泡劑的P5試樣，質量損失百分率分別下降39.7%和22.2%。由圖2可知，凍融循環次數的增加，不同配合比試樣的相對動態彈性模量顯著減低。相比于基準試樣P1，摻入膠凝材料4%的硅灰P4試樣，相對動態彈性模量損失減少14.3%。相比于P1和P4試樣，配合比P5試樣相對動態彈性模量損失分別減少21.4%和6.3%。

圖1 凍融循環次數與質量損傷百分率的關系

圖2 凍融循環次數與相對動彈模量的關系

不同凍融循環次數下，不同配合比試樣棱柱體抗壓強度試驗結果如圖3所示。相比于未凍融試件，凍融循環300次后，配合比P1～P5試樣棱柱體抗壓強度分別降低29.2%、23.9%、18.6%、18.7%和17.1%。

圖3 凍融循環次數與抗壓強度的關系

綜合不同凍融循環次數下不同配合比試樣質量損率、相對動態彈性模量和棱柱體抗壓強度試驗結果，摻入硅灰能夠有改善混凝土的抗凍融能力，且隨硅灰摻量的增加而不斷增加，同時摻入引氣劑和消泡劑能夠進一步改善混凝土的抗凍融能力。

在單邊鹽凍的試驗工況下，不同配合比試樣的質量損失百分率和相對動態彈性模量損失率的試驗結果分別如圖4和圖5所示。相比于基準試樣P1，摻入4%硅灰試樣P4和摻入引氣劑和消泡劑的配合比P5，質量損失百分率分別降低29.4%和48.5%，相對動態彈性模量損失分別降低35.4%和54.2%。由此可知，同時摻入硅灰、引氣劑和消泡劑能夠有效改善混凝土的抗鹽凍能力。

圖4 單邊鹽凍凍融循環次數與質量損失率的關系

圖5 單邊鹽凍凍融循環次數與相對動態彈性模量的關系

通過上述試驗結果可知，摻入硅灰以及摻入消泡劑和引氣劑能夠顯著提升混凝土的抗凍融和抗鹽凍能力。如圖6所示，摻入4%的硅灰的試樣漿體表面結構密實，未見明顯孔隙和裂縫，其主要是硅灰顆粒粒徑較小，能夠填充水泥水化產物間的孔隙，同時硅灰表面具有較高的活性，能夠與水泥水化體系中的氫氧化鈣進行反映，使得水化產物結構更加密實，從而提高混凝土的抗凍和抗鹽凍能力。不同配合比最大氣泡間距如圖7所示，隨硅灰摻入量的增加，最大氣泡間距顯著降低，摻入引氣劑和消泡劑的試樣最大氣泡間距系數最小，摻入消泡劑能夠使得混凝土中的大氣泡逸出，摻入引起劑能夠引入微小且穩定的小氣泡，優化混凝土的氣泡結構，從而使得混凝土具有良好的抗凍性能。

圖6 P4試樣的SEM照片

圖7 不同配合比最大氣泡間距

3 室外驗證試驗

將標養后的高性能混凝土板放置在普通水泥混凝土地面上，在冬季降雪后人工撒布除冰鹽或鹽水，驗證了其抗鹽凍性能。通過4年的室外觀測結果發現，撒布除冰鹽或鹽水區域普通混凝土地面已破損，高性能混凝土試件的表面完好。具體試驗過程及結果見圖8。

圖8 混凝土抗鹽凍性能室外驗證試驗

4 小型預制構件生產工藝

秉承高速公路節能、高效、綠色、環保的建設理念及根據建設需求，沈康四期高速公路項目排水結構由傳統砌筑及現澆混凝土形式變更為高性能引氣混凝土小型預制構件裝配式施工，設置小型構件預制場工廠化集中預制生產，主要結構形式包含填方邊溝2型(U型槽)、填方邊溝3型(梯形)、挖方邊溝2型(U型槽)、泄水槽、錐護坡防護(實心/空心六角網格)，部分成品試件如圖9所示。

圖9 成品試件展示

本項目采用一種混凝土小型預制構件加工設備，將場地建設在施工現場附近，節約運輸成本的同時，根據施工進度及時調節生產效率，小型預制構件場占地面積7000m2，其中生產作業區1000m2為全封閉型鋼廠房，合理劃分為生產加工區、鋼筋加工區、噴淋養護區、模具清洗區、成品存放區，如圖10所示。

圖10 預制小構件生產作業區

小型構件預制廠引進高效混凝土小型預制件自動生產線，該生產線自動卸料、振搗與運輸極為便利，自動化程度高，設備操作簡單安全。具體小型構件生產流程：鋼筋加工—鋼筋入模—混凝土拌和—混凝土倒入斜拉料斗—運輸至豎向料斗—豎向料斗卸料混凝土入模—振動輥臺自動振搗—模盒運輸至養生區噴淋養生—脫模—模具清洗重新利用—成品檢測—成品存放—成品噴淋養生—成品打包，完成流水線流程。

在鋼筋加工區將鋼筋加工成鋼筋骨架，通過輸送帶將鋼筋骨架擺放平臺上，將各鋼筋骨架置入模具內；在生產加工區將混凝土拌和料倒入斜拉料斗中進行攪拌，通過輸送帶到豎向料斗中，進行二次攪拌，從豎向料斗澆注同時進行振搗，確保均勻排出氣泡，進行多次抹面，保證混凝土充分注入模具中；混凝土入模后通過叉車將模盒運輸至噴淋養護區，進行帶著模具的小型預制構件的噴淋養護，直到達到設計強度；進行振動脫模，將脫模后的模具送回鋼筋加工區，清洗后再次使用；檢測后合格的小型預制構件通過成品噴淋養生系統進行統一噴淋養護，養護時通過土工布全覆蓋，確保全方位養護。在整個流程中，可以隨時操控輸送速率，及時跟進施工進度，在保證施工效率的同時，防止材料不必要的浪費。

5 結語

根據項目的地理環境要求研發高性能混凝土，分別通過室內試驗和室外長期凍融觀測驗證了其抗凍性，取得以下研究成果：

(1)通過室內試驗研究，硅灰、消泡劑和引氣劑能夠有效改善混凝土的抗凍性能。

(2)基于室外驗證試驗，對所設計的混凝土配合比預制構件進行性能驗證，結果表明相比同強度混凝土，其抗凍性能顯著提升。

(3)提出預制構件生產標準化流程和生產工藝，能夠為同類預制構件生產提供技術支持。