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(shè)有限公司，重慶　400015；2重慶大學(xué)材料學(xué)院，重慶　400030）

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裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土制備技術(shù)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(shè)有限公司，重慶400015；2重慶大學(xué)材料學(xué)院，重慶400030）

摘要：該文以堿礦渣膠凝材料作為膠結(jié)材，使用級(jí)配合理的普通砂、石集料來(lái)制備裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土，并采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度以加速混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。文章較全面的研究了裹漿工藝、養(yǎng)護(hù)方式、配制參數(shù)及堿組分等因素對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，確定了裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)條件及參數(shù)。

關(guān)鍵詞：裝配式構(gòu)件；混凝土；蒸汽養(yǎng)護(hù)；裹漿工藝；預(yù)養(yǎng)時(shí)間；養(yǎng)護(hù)方式；養(yǎng)護(hù)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(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有舉足輕重的作用。但隨著能源緊缺、節(jié)能環(huán)保、勞動(dòng)力短缺等問題的凸顯，建筑業(yè)發(fā)展遇到了很大挑戰(zhàn)。而建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建筑模式正是行之有效的戰(zhàn)略措施。采用裝配式結(jié)構(gòu)，可以有效節(jié)約資源和能源，提高材料在現(xiàn)實(shí)建筑節(jié)能和結(jié)構(gòu)性能方面的效率，減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)場(chǎng)地等條件的要求，減少建筑垃圾和對(duì)環(huán)境的不良影響，提高建筑功能和結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！钡木G色發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)低能耗、低排放的建造過程，促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)的整體發(fā)展，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的節(jié)能減排目標(biāo)。

雖然預(yù)制混凝土和現(xiàn)澆混凝土相比也存在著整體性較差、設(shè)計(jì)難度較大、運(yùn)輸安裝困難等缺點(diǎn)，但是隨著建筑產(chǎn)業(yè)化（或稱“住宅工業(yè)化”）政策提出及其思想的深入人心，預(yù)制混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用是必然的趨勢(shì)。本課題旨在研究一種用于裝配式結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)，為裝配式結(jié)構(gòu)混凝土的推廣應(yīng)用及住宅產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施提供可靠的、性能良好的材料基礎(chǔ)。

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

1.1.1礦渣

重慶鋼鐵集團(tuán)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(xué)成分見表1。

表1　礦渣化學(xué)成分（%）

1.1.2堿組分

重慶井口化工廠生產(chǎn)的鈉水玻璃（Water Glass，簡(jiǎn)稱WG），主要性能指標(biāo)見表2；NaOH為四川德陽(yáng)片堿，純度為99.0%。

表2　水玻璃的化學(xué)成分

1.1.3粗集料

歌樂山石灰?guī)r碎石，最大粒徑Dmax=10mm，為5～10mm連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)為10.3%，表觀密度為2470kg/m3，堆積密度1470 kg/m3。

1.1.4細(xì)集料

岳陽(yáng)中砂，過4.75mm篩，細(xì)度模數(shù)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(chǎn)的鋼纖維，表面經(jīng)過鍍銅防銹處理。其主要性能指標(biāo)見表3。

表3　鋼纖維的性能指標(biāo)

1.2試驗(yàn)方法

裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2002進(jìn)行，試件尺寸分別為100mm×100mm×100mm，100mm×100mm×400mm；裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土成型采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，振動(dòng)時(shí)間為120s。

2　實(shí)驗(yàn)工藝對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

首先從裹漿工藝、預(yù)養(yǎng)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)方式及養(yǎng)護(hù)齡期入手，研究了諸因素對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)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(shù)為1.0，堿當(dāng)量以Na2O對(duì)膠凝材料質(zhì)量百分比計(jì)為4.0%；鋼纖維摻量以堿礦渣混凝土的體積百分比計(jì)為1.00%。養(yǎng)護(hù)方式有兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：即試件成型后靜停24h拆模，并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)；另一種是蒸汽養(yǎng)護(hù)：即試件成型后靜停3h后在80℃條件下帶模蒸養(yǎng)8h，脫模后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下標(biāo)養(yǎng)7d。對(duì)于攪裹漿工藝、靜停時(shí)間及養(yǎng)護(hù)齡期三因素的研究采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度。

2.1裹漿工藝對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)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(duì)混凝土性能會(huì)產(chǎn)生重大的影響。物料的攪拌順序很重要，因?yàn)榛炷恋哪承┨匦砸蕾囉诟鹘M分進(jìn)入攪拌機(jī)的順序[1-2]，如改變膠凝材料、粗細(xì)集料以及水等在攪拌過程中參與攪拌的順序或時(shí)間，將對(duì)混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)研究了四種裹漿工藝對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，這四種裹漿工藝投料順序不一致，攪拌時(shí)間均為240s，具體方法如下。

裹漿工藝對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響見表4。結(jié)果表明，A、B、C、D四種裹漿工藝對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定的影響，B、C、D三種裹漿工藝所拌制的裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度較A裹漿工藝高0.14%～0.24%。鑒于A裹漿工藝操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以選定A裹漿工藝作為制備裝配式構(gòu)件高強(qiáng)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(jìn)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(xiàng)性能[3]。

2.2預(yù)養(yǎng)時(shí)間對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土必須有一個(gè)靜停階段。它也稱預(yù)養(yǎng)期、前置期或靜置期，是指制品澆筑成型后及蒸汽養(yǎng)護(hù)開始前在大氣環(huán)境下的一段放置時(shí)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以防止蒸汽養(yǎng)護(hù)的升溫過程導(dǎo)致混凝土體積膨脹而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。那么，試驗(yàn)比較了不同的預(yù)養(yǎng)時(shí)間對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表5。

表4　裹漿工藝對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

表5　預(yù)養(yǎng)時(shí)間對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

結(jié)果表明，隨著預(yù)養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，但增幅較小。一般認(rèn)為[4]，較長(zhǎng)的預(yù)養(yǎng)時(shí)間有利于提高混凝土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抵抗混凝土在升溫過程中的腫脹變形，但是較長(zhǎng)的預(yù)養(yǎng)時(shí)間對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中的生產(chǎn)效率又不利。綜合考慮，預(yù)養(yǎng)時(shí)間定為3h比較合理。

2.3養(yǎng)護(hù)方式對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

眾所周知[5]，養(yǎng)護(hù)方式對(duì)水泥水化有重大影響，如水化速度、水化率、水化生成物的結(jié)晶度及晶體形貌、孔隙率、孔結(jié)構(gòu)、放熱速度、收縮與裂縫、水泥漿流變演變進(jìn)程等。養(yǎng)護(hù)不好會(huì)使混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能劣化。為了獲得優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐久性能，選擇一種好的養(yǎng)護(hù)制度至關(guān)重要。試驗(yàn)采用了兩種不同的養(yǎng)護(hù)方式，并比較了兩種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6　不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以快速提高裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。從表6可以看出，通過蒸汽養(yǎng)護(hù)后再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d的裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土試件強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度還要高15%。因?yàn)椴扇≌羝B(yǎng)護(hù)制度加快了裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的水化硬化速度，提高了混凝土的早期強(qiáng)度。

2.4養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

對(duì)于普通混凝土，在正常的養(yǎng)護(hù)條件下，其強(qiáng)度將會(huì)隨著齡期的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)；蒸汽養(yǎng)護(hù)可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，縮短構(gòu)件脫模、放張的時(shí)間，加快模板的周轉(zhuǎn)。但是，蒸汽養(yǎng)護(hù)下的混凝土構(gòu)件也存在一個(gè)重大的缺陷，就是“混凝土構(gòu)件蒸汽養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度損失”。何紫峰[6]的研究表明，無(wú)論哪一種窯，哪一種構(gòu)件都存在蒸汽養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度損失的現(xiàn)象。對(duì)此，研究了蒸汽養(yǎng)護(hù)下的裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系，結(jié)果見表7。

表7　養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

結(jié)果表明，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)8h后，再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d齡期的強(qiáng)度幾乎一致。這充分表明，經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土試件強(qiáng)度不會(huì)損失。

3　配制參數(shù)對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)研究了水膠比、集膠比和鋼纖維摻量對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)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(dāng)量以Na2O對(duì)膠凝材料質(zhì)量百分比計(jì)，鋼纖維摻量以堿礦渣混凝土的體積百分比計(jì)。對(duì)于養(yǎng)護(hù)方式采用蒸汽養(yǎng)護(hù)：即試件成型后靜停3h，并在80℃條件下帶模蒸養(yǎng)8h，脫模后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下標(biāo)養(yǎng)7d。

3.1水膠比對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)研究了不同水膠比對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，配比及結(jié)果見表8。結(jié)果表明，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度隨著水膠比的增加而降低。這符合混凝土的一般規(guī)律。因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度主要取決于水泥石的強(qiáng)度以及其與集料間的粘結(jié)力，而水泥石的強(qiáng)度以及其與集料間的粘結(jié)力又取決于膠凝材料的強(qiáng)度與水膠比的大小。由于膠凝材料水化所需的結(jié)合水，一般是很低的，但是在拌制混凝土拌合物時(shí)，為了獲得較好的流動(dòng)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(shí)際有效斷面，以致降低了混凝土的強(qiáng)度。

表8　水膠比對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

3.2集膠比對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的影響

試驗(yàn)研究了不同集膠比對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，配比及結(jié)果見表9。

結(jié)果表明，隨著集膠比的增加，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度略有提高。已有的結(jié)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(qiáng)度略高。但堿礦渣混凝土界面水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，無(wú)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(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，故集膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小。

3.3鋼纖維對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

對(duì)于普通混凝土的大量試驗(yàn)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(yàn)選擇0.75%～1.50%的摻量范圍作為研究對(duì)象，研究了鋼纖維摻量變化對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響。配比及結(jié)果見表10。

表10　鋼纖維摻量對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

纖維的作用在于它能夠阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的繁衍、擴(kuò)展，顯著提高混凝土的韌性和延性[9]。結(jié)果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度隨之提高。鋼纖維摻量由0.75%增加到1.50%，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了11.4%，而抗折強(qiáng)度增幅較大，增長(zhǎng)了54.7%。這是因?yàn)殡S著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維的增韌作用隨之增強(qiáng)。但鋼纖維摻入會(huì)增大混凝土中拌和物內(nèi)部摩擦力，且會(huì)用去拌和物中部分拌合水，從而影響混凝土流動(dòng)性[10]。所以摻量為1.25%較合理。

4　堿組分對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

4.1水玻璃模數(shù)對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

水玻璃模數(shù)作為水玻璃的一個(gè)重要性能指標(biāo)，對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度都有影響。筆者選擇了1.0～1.5的模數(shù)范圍進(jìn)行試驗(yàn)，配比及結(jié)果見表11。結(jié)果表明，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)增加先增加后減小，且M=1.25，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度最高。

表11　水玻璃模數(shù)對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

馬保國(guó)[11]分析了水玻璃模數(shù)高低對(duì)堿礦渣水泥混凝土強(qiáng)度作用機(jī)理。他指出當(dāng)水玻璃模數(shù)過高時(shí)，堿礦渣水泥系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，從而使堿礦渣水泥混凝土強(qiáng)度降低；而模數(shù)過低時(shí)，堿礦渣水泥系統(tǒng)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(chǎn)物層，阻礙水化反映的進(jìn)一步進(jìn)行，從而導(dǎo)致C-S-H凝膠水化產(chǎn)物總量減少，大孔增多，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度下降。

4.2堿當(dāng)量對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的影響

對(duì)于堿礦渣膠凝材料，以水玻璃作激發(fā)劑時(shí)，其量一般為2%～8%（以Na2O當(dāng)量計(jì)），隨著量的增加，強(qiáng)度明顯提高。但綜合考慮強(qiáng)度、膠結(jié)材的經(jīng)濟(jì)性以及其它方面的性能，筆者選擇4.0%～6.0%的堿當(dāng)量范圍作為研究對(duì)象，配比及結(jié)果見表12。

表12　堿當(dāng)量對(duì)裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響

結(jié)果表明，隨著堿當(dāng)量的增加，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度增加了10.6%，抗折強(qiáng)度增加了19.3%。這主要是因?yàn)閴A當(dāng)量的增加，OH-數(shù)量隨之增加，其對(duì)礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)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(shù)量增加，產(chǎn)生的（SiO4）4-離子、（AlO4）4-離子和Ca2+離子等離子數(shù)量增加，生成的水化產(chǎn)物C-S-H的數(shù)量增加[12]。

5　結(jié)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(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度較傳統(tǒng)法裹漿工藝高0.14%～0.24%。

（2）隨著預(yù)養(yǎng)時(shí)間（1.5～6.0h）的延長(zhǎng)，裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，但增幅較小。

（3）蒸汽養(yǎng)護(hù)后再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d的裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土試件強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度還要高15%，且蒸汽養(yǎng)護(hù)的堿礦渣混凝土試件強(qiáng)度不會(huì)損失。

（4）裝配式構(gòu)件高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)了11.4%，抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)了54.7%。

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

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

作者簡(jiǎn)介：張意（1981-），男，江蘇沛縣人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事建筑施工質(zhì)量技術(shù)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(hào)：TU525

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）03-0035-04