预制构件用自密实免蒸养混凝土试验研究

赵志刚，师海霞

(1.北京市燕通建筑构件有限公司,北京 100000；2.北京东方建宇混凝土科学技术研究院,北京 100000)

前言

目前建筑生产方式大多仍以现场浇筑为主,装配式建筑比例和规模化程度较低,与发展低碳、绿色建筑的有关要求以及先进建造方式相比还有很大差距。装配式预制构件是建筑工业化的核心与基础,发展装配式建筑是建筑生产方式的重大变革,有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平,有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。近年来,效仿欧美发达国家,装配式建筑在国内开始逐步推行。

现阶段装配式建筑所需预制构件工厂化生产,混凝土浇筑和养护基本沿用传统生产工艺,混凝土浇筑采用机械振捣成型工艺,养护采用蒸汽养护工艺快速提高混凝土早强强度。机械振捣成型噪音污染大、耗用人工多、工作环境差、效率低,由于振捣的扰动,模板、预留、预埋部位易变形,对构件的预留洞口或钢筋、预埋件位置及构件外观尺寸影响很大,而且构件外观效果不易控制且不均匀,边角孔洞易漏浆且气泡多；蒸汽养护工艺能耗高、生产环境差、设备锈蚀严重,构件易出现因受热不均匀或温差产生的裂缝,而且,构件表面受蒸汽污染,需要人工清理耗时耗力。

如何符合“绿色低碳”和发展资源节约型环境友好型社会的要求,达到节约人工、改善环境、降低能耗、提高生产效率及提高装配式预制构件品质,开发自密实、免蒸养的“绿色低碳”混凝土技术是非常必要的。

自密实混凝土(英文缩写SCC),是一种无需振捣,仅依靠自身的重力作用、混凝土的流变性就可以通过钢筋等障碍物填充到模板的各个角落,并且达到密实状态,同时不会产生分层离析等不良现象。构件在生产时,对预埋、留孔洞钢筋、套筒、外漏插筋等的定位要求极高,使用自密实混凝土避免了振捣对构件的扰动,大大提高生产效率,同时消除了噪音对环境的污染；装配式混凝土结构装配式混凝土结构的特点主要体现在预制构件表面平整、外观美观,这就对混凝土质量提出了较高的要求等,这方面,自密实混凝土无疑具有明显优势,所浇筑的构件外观质量易于控制且均匀,边角无漏浆和气泡。

自密实混凝土是在1988年由东京大学的冈村教授、前川教授以及小沢教授首次研制成功并冠以自密实混凝土的名称。经过十几年的发展,日本、德国、英国、美国和加拿大等国已经普遍使用自密实混凝土,在这些国家自密实混凝土的使用量已占混凝土全部产量的30%～40%。国外自密实混凝土在预制建筑构件中的应用比较成熟。1999年以来,荷兰已有20多家生产企业将之应用于混凝土预制建筑构件的生产,至2002年其产量将达到250000立方米。不同国家的SCC在预制混凝土的比重分别是意大利大约30%,芬兰大约30%,西班牙25%～30%,美国10%～40%[1]。

国内自1993年以来,中国建筑科学研究院、中南大学、清华大学、原重庆建筑大学和武汉理工大学等相续开展自密实混凝土的配制和性能等研究。随着自密实混凝土研究的进展,自密实混凝土也逐步应用于各种工程中。国内自密实(自密实)混凝土在预制建筑构件中的应用的研究尚不发达,薛洲海等人[2]介绍了自密实混凝土在双板预制混凝土剪力墙中的应用,对于自密实混凝土的浇筑速度,模板长度以及混凝土的触变性和水化反应进行了说明。李书进等人[3]介绍了针对阶梯式生态护坡混凝土构件异形复杂的特点制备的低泌水率、高流态的自密实混凝±。高建鹏[4]采用P.O42.5水泥、Ⅱ级粉煤灰、石灰石粉和聚羧酸系高性能减水剂配制了C30自密实混凝土,并将之应用到预制PCF板中。

对于自密实混凝土的配制方法,日本冈村甫认为有以下三种[5]：

粉体系：高性能(AE)减水剂+水+细骨料+粗骨料+粉体(水泥+石灰石粉、高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等),其中又根据粉体成份可以分为一成份系(粉体仅水泥)、二成份系(粉体有水泥和一种掺合料)、三成份系(粉体有水泥和两种掺合料)。

增粘剂系：高性能(AE)减水剂+水+细骨料+粗骨料+水泥+增粘剂

并用系：高性能(AE)减水剂+水+细骨料+粗骨料+水泥+粉体+增粘剂

从实际应用情况来看,由于增粘剂本身的一些性能尚不够完善,目前所用的自密实混凝土主要以第一种粉体系为其配制的理论基础。即我们目前所用的“双掺”技术。

目前使混凝土早期获得高强度的方法主要有：早强型复合胶凝材料技术,包括高性能水泥技术和高强高性能矿物外加剂技术；早强型化学外加剂技术；胶凝材料的热活化技术,例如蒸汽养护、蒸压养护、红外和微波养护等；其他物理化学活化方式,例如磁化水、晶种技术等；混凝土配合比的调整,例如降低混凝土水胶比、采用优质的骨料等,这种方法也是一般混凝土生产单位常用的传统方法。

早强型复合胶凝材料体系涵盖了高强高性能水泥技术、高性能矿物外加剂技术及其两者之间的配伍技术。杨玉启[6]研究发现水泥细度对混凝土早期强度有着显著的影响,各龄期的强度随水泥细度的提高而有所增长。郭永智等[7]研究了掺加比表面积800～5000m2/kg的微米级超细矿渣粉(简称Pre粉)和硅灰的C50～C80混凝土性能,发现超细矿渣粉10%掺量时强度、耐久性等指标与硅灰8%掺量硅灰基本相当,混凝土早期强度高、氯离子渗透性低。

早强型化学外加剂技术,与萘系、三聚氰胺系、氨基磺酸盐系等高效减水剂相比较,聚酸盐系减水剂具有更为优异的性能,可作为早强型聚羧酸系外加剂用于预制构件混凝土。实现聚羧酸系外加剂早强功能的技术途径有3种,第一种是合成常规的聚羧酸减水剂,通过复配早强组分达到早强。第二种是合成聚合物本身具有较好的早强性能,通过在聚羧酸减水剂分子结构中引入功能控制型基团来实现。第三种方法是第一种和第二种方法的复合应用。赵松蔚[8]研究合成了一种早强型聚羧酸减水剂,并对早强型聚羧酸减水剂和复合早强剂配合比例进行了研究。刘振华[9]除了研究合成了一种早强型聚羧酸减水剂外,还优化了石膏品种和掺量。

快硬超早强混凝土目前最主要的应用是在路面抢修工程,可以尽快凝结,缩短养护时间,在最短时间内开放交通。国内外实现混凝土快硬超早强的途径通常有两种：一种是使用特种水泥,另一种是选用特种外加剂。特种水泥主要是使用快硬早强性能的特种水泥(如高铝水泥、硫铝酸盐水泥、喷射水泥等)来配制快硬免蒸养混凝土。在我国,快硬早强混凝土的研究虽然起步较晚,但取得了举世瞩目的成就。快硬早强混凝土混合料组成设计关键技术是国家“八五”重点科技攻关项目巾“快硬早强水泥混凝土在高等级公路路面工程应用技术的研究”专题的主要成果之一。特种外加剂主要是依靠带有早强性能的减水剂、早强剂以及成核剂等具有良好早强效果的外加剂来实现,目前常用的早强剂一般分为有机型、无机盐型以及复合型早强剂。郑立霞等[10]采用聚羧酸高性能减水剂和速凝剂,并经配合比和蒸养制度优化,配制的C40早强混凝土6h脱模强度超过20MPa。张勇等[11]通过使用促强减缩剂,有效降低混凝土蒸养温度和蒸养时间,使预制构件生产能源消耗大幅下降。徐佳琦[12]采用合成的早强型聚羧酸减水剂、硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥配制了免蒸养免蒸养混凝土。

自密实混凝土要求混凝土具有优良的工作性能和保持能力,而实现这一目标,均需掺加较高掺量掺合料,这对混凝土的早期强度是有一定影响的；而免蒸养混凝土研究重点是在混凝土早期强度和凝结硬化上,对混凝土工作性的要求一般较低。将二者结合在预制构件中应用的研究较少,张惠敏[13]采用基于早期强度的胶凝材料组合设计方法进行了自密实混凝土在预制构件中的应用研究。

1 试验材料

1.1 水泥

选择北京地区规模较大厂家生产的不同型号硅酸盐水泥(琉璃河P.O42.5、冀东P.I42.5R和 P.II42.5R)和唐山北极熊公司生产的42.5硫铝酸盐水泥。

表1 不同型号硅酸盐水泥物理性能

表2 42.5硫铝酸盐水泥物理性能

1.2 砂石

采用河北怀来产中砂和5-16mm碎石。中砂细度模数2.5,含泥量1.9%,泥块含量0.4%；5-16mm碎石含泥量0.4%,泥块含量0,压碎指标6.9%,针片状含量3.3%。

1.3 掺合料

采用张家口产Ⅱ级粉煤灰,细度19.3%,需水量比102%,烧失量4.3%；河北三河产S95级矿渣粉,比表面积428m2/Kg,流动度比：103%,7d活性指数82%,28d活性指数107%。

1.4 外加剂

采用北京同科公司生产的早强型聚羧酸高性能减水剂,唐山北极熊公司生产的促强减缩剂和日本电气化学公司产液体早强剂。

2 预制构件的自密实配合比设计方法研究

目前,自密实自密实混凝土配合比设计有JGJ/T283-2012、CECS203∶2006和CCES02-2004等3个规范,这3个规范设计的自密实混凝土配合比特点(以C40自密实自密实混凝土为例,σ取4.0,水泥42.5,粉煤灰掺量20%),对比见表3。

表3 不同规范自密实混凝土配合比设计结果对比(C40为例)

从表3可知：采用JGJ/T283设计的自密实混凝土配合比相比采用CECS203和CCES02的水胶比小、胶凝材料用量高,用水量和砂率则差距不大。

按照以上配合比进行混凝土试验,水泥采用冀东P.II42.5R,Ⅱ级粉煤灰掺量20%。试验结果见表4。

表4 不同规范设计的自密实混凝土试验结果

图1 不同规范设计的自密实自密实混凝土收缩

从表4和图1可知：

1)采用JGJ/T283设计的自密实混凝土扩展度均大于采用CECS203和CCES02设计的,T500则相差不大,说明采用JGJ/T283设计的混凝土工作性能优于采用CECS203和CCES02设计的。

2)采用JGJ/T283设计的自密实混凝土7d和28d抗压强度均高于采用CECS203和CCES02设计的,采用采用CECS203和CCES02设计的混凝土强度已经达到设计要求,说明采用JGJ/T283设计的混凝土会产生强度超强问题。

3)采用JGJ/T283设计的自密实混凝土收缩总体均高于采用CECS203和CCES02设计的约30%,说明采用JGJ/T283设计的混凝土收缩偏大。

小结：

采用CECS203或CCES02设计的自密实混凝土相比采用JGJ/T283的具有较小收缩,有利于防止预制构件在制作养护等过程中产生裂缝,因此,比较适宜用于预制构件自密实配合比设计。

3 试验研究

3.1 基于自密实工作性能的免蒸养胶凝材料和外加剂体系研究

以C40自密实混凝土配合比为基准(水胶比0.41,单方用水量175Kg/m3,砂率47%),选用不同的胶凝材料和外加剂体系,进行混凝土工作性能、早强性能测试。混凝土配合比见表5,混凝土性能试验结果见表6、7和图2～26。

表5 混凝土配合比

表6 混凝土工作性能及初凝时间

表7 混凝土抗压强度试验结果

注：蒸养时间为恒温时间,温度为恒温温度,升温速度不超过15℃/h,降温速度不超过20℃/h。

图2 水泥品种对扩展度的影响

图3 水泥品种对T500的影响

图4 水泥品种对初凝时间的影响

图5 水泥品种对蒸养强度的影响

图6 水泥品种对标准养护强度的影响

图7 粉煤灰掺量对扩展度的影响

图8 粉煤灰掺量对T500的影响

图9 粉煤灰掺量对初凝时间的影响

图10 粉煤灰掺量对蒸养强度的影响

图11 粉煤灰掺量对标准养护强度的影响

图12 硫铝酸盐水泥比例对扩展度的影响

图13 硫铝酸盐水泥比例对T500的影响

图14 硫铝酸盐水泥比例对初凝时间的影响

图15 硫铝酸盐水泥比例对蒸养强度的影响

图16 硫铝酸盐水泥比例对标准养护强度的影响

图17 促凝减缩剂掺量对扩展度的影响

图18 促凝减缩剂掺量对T500的影响

图19 促凝减缩剂掺量对初凝时间的影响

图20 促凝减缩剂掺量对蒸养强度的影响

图21 促凝减缩剂掺量比例对标准养护强度的影响

图22 早强剂掺量对扩展度的影响

图23 早强剂掺量对T500的影响

图24 早强剂掺量对初凝时间的影响

图25 早强剂掺量对蒸养强度的影响

图26 早强剂掺量比例对标准养护强度的影响

分析：

1)从表5、6、7,图2～6可知：不同水泥品种对混凝土的标准养护28d和60d强度影响不明显,对其他性能影响明显。初始和1h后扩展度P.I最小,P.O最大,P.II居中；初始和1h后T500则P.II和P.O较短,P.I较长,P.II和P.O相差不大；初凝时间较长,P.I和P.II较短,和P.II相差不大；蒸养和标准养护1d、7d强度按照P.I、P.II和P.O顺序依次降低。从工作性角度,P.II和P.O相对明显优于P.I,从初凝时间和早期强度来说,则P.O最低,因此,综合比较P.II相对较好。

2)从表5、6、7,图7～11可知：粉煤灰掺量对初始扩展度、28d和60d标准养护强度影响相对不是很明显,对其他性能影响则比较明显。随着粉煤灰掺量的增加,混凝土扩展度增大、T500减小、初凝时间增大,蒸养和标准养护1d、7d强度降低,说明工作性能提高,但早强性能下降,相比较而言,粉煤灰掺量15%时,工作性能增可以满足自密实要求,早强性能相比10%降低不多。

3)从表5、6、7,图12～16可知：硫铝酸盐水泥比例对标准养护28d和60d强度影响不明显,对其他性能则影响较明显。随着硫铝酸盐水泥比例增大,扩展度降低、T500增加、初凝时间缩短,蒸养和标准养护1d、7d强度提高,说明混凝土工作性变差,早强性能提高,硫铝酸盐水泥比例大于5%以后,工作性已基本不能满足自密实要求,硫铝酸盐水泥比例5%时即有非常好早强性能,30℃蒸养12h强度已超过20MPa的构件脱模强度要求了。

4)从表5、6、7,图17～21可知：促凝减缩剂掺量也对标准养护28d和60d强度影响不明显,对其他性能则影响较明显。随着促凝减缩剂掺量的增大,扩展度降低、T500增加、初凝时间缩短,蒸养和标准养护1d、7d强度提高,说明混凝土工作性变差,早强性能提高,促凝减缩剂掺量大于10%以后,工作性已基本不能满足自密实要求,促凝减缩剂掺量10%时即有非常好早强性能,30℃蒸养12h强度已超过20MPa。

5)从表5、6、7,图22～26可知：早强剂掺量对扩展度和标准养护7d、28d、60d强度影响不明显,对其他性能则影响较明显。随着早强剂掺量的增大,T500先降低又小幅升高,初凝时间缩短,蒸养和标准养护1d强度提高,说明混凝土工作性变化不大,早强性能明显提高,早强剂掺量1%时有非常好早强性能,30℃蒸养12h强度超过20MPa。

6)采用P.II型水泥、粉煤灰掺量15%、矿渣粉掺量20%、硫铝酸盐水泥比例5%(或促凝减缩剂掺量10%/早强剂1%)时,混凝土综合性能相对较好。

3.2 氯离子渗透性能试验

按照表4中5#、7#、11#、13#配合比配制混凝土进行氯离子渗透试验,试验结果见表8。

表8 氯离子渗透试验结果

分析：从表8可知：7#(掺加5%硫铝酸盐水泥)、11#(掺加10%促凝减缩剂)和13#(掺加1%早强剂)与5#(基准)配合比混凝土均具有良好的抗氯离子渗透能力,说明混凝土内部微观结构比较致密,耐久性能良好。掺加硫铝酸盐水泥、促凝减缩剂或早强剂后,混凝土的氯离子渗透扩散系数变化不大,且掺加促凝减缩剂和早强剂后,氯离子扩散系数还略有降低,说明掺加硫铝酸盐水泥、促凝减缩剂或早强剂后,对混凝土的渗透性能乃至耐久性能没有有害影响。

3.3 SEM分析

按照表4中5#、7#、11#、13#配合比配制的混凝土30℃蒸养12h后的SEM分析结果见图27～30。

分析：

1)由图27可知：5#配合比混凝土结构相对比较疏松,孔隙较大,水花产物晶体粗大,可以看到有纤维状的一一凝胶,针棒状钙矾石和片状的晶体,但是粉煤灰颗粒的水化程度较低,甚至还有表面光滑、完全没有水化的颗粒存在。

2)由图28可知：7#配合比混凝土结构相比5#配合比混凝土结构致密,且有较多针状结晶体Aft填充在水化产物的缝隙中,粉煤灰颗粒表面有一些物质沉淀及一些被刻蚀的痕迹,水化产物分布比较均匀,没有明显的氢氧化钙晶体,混凝土中有大量卷席状的二次水化产物。

3)由图29可知：11#配合比混凝土微观结构与7#比较相似。

4)由图30可知：13#配合比混凝土结构则最为致密,水化产物分布比较均匀,同样没有明显的氢氧化钙晶体,粉煤灰二次水化反应形成的水化产物已与水泥的水化产物连成一个整体,说明早强剂破坏了粉煤灰玻璃体表面的致密层,水泥水化生成的Ca(OH)2会与玻璃体表面活性较高的SiO2和Al2O3反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。

5)7#和11#很好地印证了李伟[14]和兰明章[15]的研究结果：硅酸盐水泥中掺加硫铝酸盐水泥或掺加促凝减缩剂,混凝土水化产物中AFt的生成量明显增多,有利于早期强度的发展。

小结：

1)采用P.II水泥,粉煤灰掺量15%,矿渣粉掺量20%,硫铝酸盐水泥比例5%(或促凝减缩剂掺量10%/早强剂1%)时混凝土综合性能相对较好,混凝土可以实现自密实,且在夏季平均温度约30℃时免蒸养12小时脱模,其他季节可缩短蒸养时间1/3以上。

2)混凝土氯离子渗透性能试验表明：掺加硫铝酸盐水泥、促凝减缩剂或早强剂后,混凝土的渗透性能略有改善。

3)SEM分析得出：掺加硫铝酸盐水泥、促凝减缩剂或早强剂后,混凝土水化产物更多更均匀,微观结构更加致密,掺加硫铝酸盐水泥或促凝减缩剂后混凝土水化产物中填充的Aft相对增多。这些均有利于提高混凝土的强度、抗渗性能乃至耐久性能。

结 论

1.采用CECS203或CCES02设计的自密实混凝土相比采用JGJ/T283的具有较低的收缩,更适宜于预制构件配合比设计。

2.采用P.II型水泥、粉煤灰掺量15%、矿渣粉掺量20%、硫铝酸盐水泥比例5%(或促凝减缩剂掺量10%/早强剂1%)为综合性能相对较好的自密实免蒸养混凝土配合比组合,在自密实基础上,实现夏季免蒸养,其他季节蒸养时间缩短1/3以上。

3.掺加硫铝酸盐水泥、促凝减缩剂或早强剂后,混凝土的渗透性能略有改善。

4.掺加硫铝酸盐水泥、促凝减缩剂或早强剂后,混凝土水化产物更多更均匀,微观结构更加致密,掺加硫铝酸盐水泥或促凝减缩剂后混凝土水化产物中填充的Aft相对增多,这些均有利于提高混凝土的强度、抗渗性能乃至耐久性能。SEM微观结构形貌分析结果与宏观性能是一致的。

[1][M]Bennenk W.SCC is an excellent concrete for precast industry [C].In∶Proceedings 1st of international symposium on design,proformance and use of self-consolidating concrete.China,2005∶581-588.

[2]薛洲海,叶燕华,孙锐.双板预制混凝止剪力墙中的自密实混凝土模板侧向压力[J].南京工业大学学报(自然科学版),2014,03∶106-110.

[3]李书进,王宁宁,周明凯.自密实混凝土预制生态护坡构件的试验研究[J].混凝土,2015,11,114-117.

[4]高建鹏.自密实混凝土在PC构件中的应用.江西建材,2017(2)：14～15.

[5]吴玉杰,姜国庆.实用型自密实高性能混凝土配制技术.混凝土与水泥制品,2000(5)：49-50.

[6]杨玉启.免蒸养混凝土配制技术的研究.北京工业大学硕士学位论文.2008.

[7]郭永智,李培彦,李秋义.微米级超细矿渣粉与硅灰性能对比研究.混凝土.2008,10∶67-69.

[8]赵松蔚.预制混凝土早强免蒸养外加剂试验研究.山东建筑大学硕士学位论文.2017.

[9]刘振华.预制混凝土早期强度试验.山东建筑大学研究硕士学位论文.2015.

[10]郑立霞,曹源,李卓球,陈建中.早强混凝土脱模强度的试验研究.武汉大学学报.2012,2∶81-83.

[11]张勇,吴永杰,杨玉启,张振秋.绿色低能耗混凝土在预制构件中的应用.混凝土世界,2016,10∶76-79.

[12]徐佳琦.早强免蒸养混凝土试验研究.山东建筑大学硕士学位论文,2017.

[13]张惠敏.预制建筑制品自密实混凝土制备.方法东南大学硕士学位论文,2016.

[14]李伟,王高明,江芸,李东旭.硅酸盐一硫铝酸盐复合水泥体系物理性能及水化机理研究.材料导报.2014,11∶407-409.

[15]兰明章,王晓英,王剑锋,王建黔,张淑艳,丁玉哲.硫铝酸盐基促强减缩剂与硫铝酸盐水泥对比分析.硅酸盐通报.2017,6∶2054-2058.