装配式构件高强混凝土制备技术研究

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

张意1，陈科2，陈怡宏1，于泽东2，段文川1（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆　400015；2重庆大学材料学院，重庆　400030）



装配式构件高强混凝土制备技术研究

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

张意1，陈科2，陈怡宏1，于泽东2，段文川1
（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆400015；2重庆大学材料学院，重庆400030）

摘要：该文以碱矿渣胶凝材料作为胶结材，使用级配合理的普通砂、石集料来制备装配式构件高强混凝土，并采用蒸汽养护制度以加速混凝土的强度发展。文章较全面的研究了裹浆工艺、养护方式、配制参数及碱组分等因素对装配式构件高强混凝土强度的影响，确定了装配式构件高强混凝土的制备技术条件及参数。

关键词：装配式构件；混凝土；蒸汽养护；裹浆工艺；预养时间；养护方式；养护龄期

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

建筑行业是我国国民经济的支柱产业，对我国经济的发展有举足轻重的作用。但随着能源紧缺、节能环保、劳动力短缺等问题的凸显，建筑业发展遇到了很大挑战。而建筑产业现代化建筑模式正是行之有效的战略措施。采用装配式结构，可以有效节约资源和能源，提高材料在现实建筑节能和结构性能方面的效率，减少现场施工对场地等条件的要求，减少建筑垃圾和对环境的不良影响，提高建筑功能和结构性能，实现“四节一环保”的绿色发展要求，实现低能耗、低排放的建造过程，促进我国建筑业的整体发展，实现预定的节能减排目标。

虽然预制混凝土和现浇混凝土相比也存在着整体性较差、设计难度较大、运输安装困难等缺点，但是随着建筑产业化（或称“住宅工业化”）政策提出及其思想的深入人心，预制混凝土的生产应用是必然的趋势。本课题旨在研究一种用于装配式结构的高强混凝土的制备技术，为装配式结构混凝土的推广应用及住宅产业化的实施提供可靠的、性能良好的材料基础。

1　原材料及试验方法

1.1原材料

1.1.1矿渣

重庆钢铁集团水淬高炉矿渣，烘干后掺0.5%YP-3、2.0% PN混磨。密度为2.95g/cm3，比表面积为456m2/kg，其化学成分见表1。

表1　矿渣化学成分（%）

1.1.2碱组分

重庆井口化工厂生产的钠水玻璃（Water Glass，简称WG），主要性能指标见表2；NaOH为四川德阳片碱，纯度为99.0%。

表2　水玻璃的化学成分

1.1.3粗集料

歌乐山石灰岩碎石，最大粒径Dmax=10mm，为5～10mm连续级配，压碎指标为10.3%，表观密度为2470kg/m3，堆积密度1470 kg/m3。

1.1.4细集料

岳阳中砂，过4.75mm筛，细度模数为2.37，表观密度为2687kg/m3，堆积密度为1642 kg/m3，含泥量为1.0%。

1.1.5钢纤维

镀铜微钢纤维：鞍山科比特科技有限公司生产的钢纤维，表面经过镀铜防锈处理。其主要性能指标见表3。

表3　钢纤维的性能指标

1.2试验方法

装配式构件高强混凝土抗压、抗折强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002进行，试件尺寸分别为100mm×100mm×100mm，100mm×100mm×400mm；装配式构件高强混凝土成型采用振动台振实，振动时间为120s。

2　实验工艺对装配式构件高强混凝土强度的影响

首先从裹浆工艺、预养时间、养护方式及养护龄期入手，研究了诸因素对装配式构件高强混凝土强度的影响。其中矿渣用量为560 kg/m3；水胶比为0.28，集胶比为3.1，砂率为45%；碱组分为水玻璃，其模数为1.0，碱当量以Na2O对胶凝材料质量百分比计为4.0%；钢纤维掺量以碱矿渣混凝土的体积百分比计为1.00%。养护方式有两种，一种是标准养护：即试件成型后静停24h拆模，并置于标准养护条件下养护；另一种是蒸汽养护：即试件成型后静停3h后在80℃条件下带模蒸养8h，脱模后将试件置于标准养护条件下标养7d。对于搅裹浆工艺、静停时间及养护龄期三因素的研究采用蒸汽养护制度。

2.1裹浆工艺对装配式构件高强混凝土强度的影响

在原料及配合比既定的条件下，裹浆工艺的合理程度对混凝土性能会产生重大的影响。物料的搅拌顺序很重要，因为混凝土的某些特性依赖于各组分进入搅拌机的顺序[1-2]，如改变胶凝材料、粗细集料以及水等在搅拌过程中参与搅拌的顺序或时间，将对混凝土界面过渡区的微观结构产生影响。实验研究了四种裹浆工艺对装配式构件高强混凝土强度的影响，这四种裹浆工艺投料顺序不一致，搅拌时间均为240s，具体方法如下。

裹浆工艺对装配式构件高强混凝土强度的影响见表4。结果表明，A、B、C、D四种裹浆工艺对混凝土强度有一定的影响，B、C、D三种裹浆工艺所拌制的装配式构件高强混凝土强度较A裹浆工艺高0.14%～0.24%。鉴于A裹浆工艺操作相对比较简单，所以选定A裹浆工艺作为制备装配式构件高强混凝土的搅拌工艺。B、C、D三种裹浆工艺属于二次搅拌工艺，二次搅拌工艺可以促进水泥颗粒的分散度和提高水化程度，综合地提高混凝土各项性能[3]。

2.2预养时间对装配式构件高强混凝土强度的影响

进行蒸汽养护的混凝土必须有一个静停阶段。它也称预养期、前置期或静置期，是指制品浇筑成型后及蒸汽养护开始前在大气环境下的一段放置时间。该阶段主要是保证混凝土中水泥有一定程度的水化，并具有一定的结构强度，以防止蒸汽养护的升温过程导致混凝土体积膨胀而产生结构破坏。那么，试验比较了不同的预养时间对装配式构件高强混凝土强度的影响，结果见表5。

表4　裹浆工艺对装配式构件高强混凝土强度的影响

表5　预养时间对装配式构件高强混凝土强度的影响

结果表明，随着预养时间的延长，装配式构件高强混凝土强度有所增长，但增幅较小。一般认为[4]，较长的预养时间有利于提高混凝土初期结构强度，抵抗混凝土在升温过程中的肿胀变形，但是较长的预养时间对于实际生产中的生产效率又不利。综合考虑，预养时间定为3h比较合理。

2.3养护方式对装配式构件高强混凝土强度的影响

众所周知[5]，养护方式对水泥水化有重大影响，如水化速度、水化率、水化生成物的结晶度及晶体形貌、孔隙率、孔结构、放热速度、收缩与裂缝、水泥浆流变演变进程等。养护不好会使混凝土的物理力学性能和耐久性能劣化。为了获得优异的力学性能、良好的耐久性能，选择一种好的养护制度至关重要。试验采用了两种不同的养护方式，并比较了两种养护方式对装配式构件高强混凝土强度的影响。试验结果见表6。

表6　不同养护方式对装配式构件高强混凝土强度的影响

试验结果表明，蒸汽养护可以快速提高装配式构件高强混凝土的强度。从表6可以看出，通过蒸汽养护后再标准养护7d的装配式构件高强混凝土试件强度比标准养护28d的强度还要高15%。因为采取蒸汽养护制度加快了装配式构件高强混凝土的水化硬化速度，提高了混凝土的早期强度。

2.4养护龄期对装配式构件高强混凝土强度的影响

对于普通混凝土，在正常的养护条件下，其强度将会随着龄期的延长而增长；蒸汽养护可以提高混凝土的早期强度，缩短构件脱模、放张的时间，加快模板的周转。但是，蒸汽养护下的混凝土构件也存在一个重大的缺陷，就是“混凝土构件蒸汽养护后的强度损失”。何紫峰[6]的研究表明，无论哪一种窑，哪一种构件都存在蒸汽养护的强度损失的现象。对此，研究了蒸汽养护下的装配式构件高强混凝土强度与龄期的关系，结果见表7。

表7　养护龄期对装配式构件高强混凝土强度的影响

结果表明，装配式构件高强混凝土蒸汽养护8h后，再标准养护3d、7d、14d龄期的强度几乎一致。这充分表明，经过蒸汽养护的混凝土试件强度不会损失。

3　配制参数对装配式构件高强混凝土强度的影响

试验研究了水胶比、集胶比和钢纤维掺量对装配式构件高强混凝土强度的影响。其中矿渣用量为560kg/m3，砂率为45%，碱组分为水玻璃，碱当量以Na2O对胶凝材料质量百分比计，钢纤维掺量以碱矿渣混凝土的体积百分比计。对于养护方式采用蒸汽养护：即试件成型后静停3h，并在80℃条件下带模蒸养8h，脱模后将试件置于标准养护条件下标养7d。

3.1水胶比对装配式构件高强混凝土强度的影响

试验研究了不同水胶比对装配式构件高强混凝土强度的影响，配比及结果见表8。结果表明，装配式构件高强混凝土的强度随着水胶比的增加而降低。这符合混凝土的一般规律。因为混凝土的强度主要取决于水泥石的强度以及其与集料间的粘结力，而水泥石的强度以及其与集料间的粘结力又取决于胶凝材料的强度与水胶比的大小。由于胶凝材料水化所需的结合水，一般是很低的，但是在拌制混凝土拌合物时，为了获得较好的流动性，常需掺较多的水，而混凝土硬化之后，多余的水分就残留在混凝土中形成孔穴或气孔，从而大大减少了混凝土抵抗荷载的实际有效断面，以致降低了混凝土的强度。

表8　水胶比对装配式构件高强混凝土强度的影响

3.2集胶比对装配式构件高强混凝土的影响

试验研究了不同集胶比对装配式构件高强混凝土强度的影响，配比及结果见表9。

结果表明，随着集胶比的增加，装配式构件高强混凝土的强度略有提高。已有的结果表明[7]，在水胶比一定的条件下，高集料用量、贫浆的混凝土强度略高。但碱矿渣混凝土界面水化产物结构致密，无定向排列的Ca（OH）2晶体[8]，集料与水泥石界面不再是混凝土结构薄弱环节，故集胶比对混凝土强度影响较小。

3.3钢纤维对装配式构件高强混凝土强度的影响

对于普通混凝土的大量试验证明，钢纤维的体积掺量一般为0.5%～2%，最大不超过3%。所以试验选择0.75%～1.50%的掺量范围作为研究对象，研究了钢纤维掺量变化对装配式构件高强混凝土强度的影响。配比及结果见表10。

表10　钢纤维掺量对装配式构件高强混凝土强度的影响

纤维的作用在于它能够阻碍混凝土内部微裂纹的繁衍、扩展，显著提高混凝土的韧性和延性[9]。结果表明，随着钢纤维掺量的增加，装配式构件高强混凝土的强度随之提高。钢纤维掺量由0.75%增加到1.50%，混凝土抗压强度增长了11.4%，而抗折强度增幅较大，增长了54.7%。这是因为随着钢纤维掺量的增加，钢纤维的增韧作用随之增强。但钢纤维掺入会增大混凝土中拌和物内部摩擦力，且会用去拌和物中部分拌合水，从而影响混凝土流动性[10]。所以掺量为1.25%较合理。

4　碱组分对装配式构件高强混凝土强度的影响

4.1水玻璃模数对装配式构件高强混凝土强度的影响

水玻璃模数作为水玻璃的一个重要性能指标，对混凝土的凝结时间、抗压强度都有影响。笔者选择了1.0～1.5的模数范围进行试验，配比及结果见表11。结果表明，装配式构件高强混凝土的强度随着水玻璃模数增加先增加后减小，且M=1.25，装配式构件高强混凝土强度最高。

表11　水玻璃模数对装配式构件高强混凝土强度的影响

马保国[11]分析了水玻璃模数高低对碱矿渣水泥混凝土强度作用机理。他指出当水玻璃模数过高时，碱矿渣水泥系统中（SiO4）-4浓度高而OH-浓度低，矿渣微粉的解聚不够充分，难以形成以低碱度C-S-H凝胶为主体的凝聚结构，从而使碱矿渣水泥混凝土强度降低；而模数过低时，碱矿渣水泥系统碱度过高，碱矿渣水泥水化速度过快，较早在矿渣表颗粒面形成致密水化产物层，阻碍水化反映的进一步进行，从而导致C-S-H凝胶水化产物总量减少，大孔增多，装配式构件高强混凝土强度下降。

4.2碱当量对装配式构件高强混凝土的影响

对于碱矿渣胶凝材料，以水玻璃作激发剂时，其量一般为2%～8%（以Na2O当量计），随着量的增加，强度明显提高。但综合考虑强度、胶结材的经济性以及其它方面的性能，笔者选择4.0%～6.0%的碱当量范围作为研究对象，配比及结果见表12。

表12　碱当量对装配式构件高强混凝土强度的影响

结果表明，随着碱当量的增加，装配式构件高强混凝土的抗压强度增加了10.6%，抗折强度增加了19.3%。这主要是因为碱当量的增加，OH-数量随之增加，其对矿渣玻璃体结构的破坏程度也增加，Ca-O键、Mg-O键、Si-O-Si键、Si-O-Al键和Al-O-Al键断裂数量增加，产生的（SiO4）4-离子、（AlO4）4-离子和Ca2+离子等离子数量增加，生成的水化产物C-S-H的数量增加[12]。

5　结论

（1）同一条件下，造壳法、净浆裹石法及净浆裹砂法种裹浆工艺所拌制的装配式构件高强混凝土强度较传统法裹浆工艺高0.14%～0.24%。

（2）随着预养时间（1.5～6.0h）的延长，装配式构件高强混凝土强度有所增长，但增幅较小。

（3）蒸汽养护后再标准养护7d的装配式构件高强混凝土试件强度比标准养护28d的强度还要高15%，且蒸汽养护的碱矿渣混凝土试件强度不会损失。

（4）装配式构件高强混凝土的强度随着水胶比（0.28～0.34）的增加而降低，随着集胶比（2.80～3.25）的增加略有提高，随着钢纤维掺量（0.75%～1.50%）的增加，抗压强度增长了11.4%，抗折强度增长了54.7%。

（5）装配式构件高强混凝土的强度随着水玻璃模数（1.0～1.5）增加先增加后减小，且M=1.25，装配式构件高强混凝土强度最高；随着碱当量（4.0%～6.0%）的增加，其抗压强度增长了10.6%，抗折强度增长了19.3%。

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责任编辑：孙苏，李红

作者简介：张意（1981-），男，江苏沛县人，研究生，高级工程师，主要从事建筑施工质量技术管理工作。

收稿日期：2016-02-03

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.035

中图分类号：TU525

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）03-0035-04