季冻区高速公路高性能混凝土小型预制构件试验与应用研究

王 勃

(辽宁省交通建设管理有限责任公司 沈阳市 110005)

0 引言

混凝土小型构件的生产应用广泛，能够有效地提高工程质量、文明施工和质量安全管理实际效果、改善施工环境、降低劳务人员劳动强度、节约资源，降低经济成本。预制构件工厂化集中预制生产不仅在设计阶段能够针对实际状况设计特定模具，在后期生产、养护、存放、运输等各阶段还能够实现及时调控，加快施工效率。

对于混凝土预制构件，已有学者做了大量的研究讨论：郑西跃[1]研究预制混凝土构件在重大项目建设中的重要性，证明了其在使用材料、安全性和经济效益等方面与传统施工工艺相比具有显著优势；于明等[2]提出一套混凝土预制构件工厂化、自动化生产设备和流程，表明混凝土预制构件工厂化、高度自动化生产的可行性；曹丽斐[3]从构件生产消耗量的角度分析，建立一种测定方法计算预制构件的成本，调节生产过程中的影响因素，促进企业对预制混凝土构件的生产。相关研究成果表明，通过合理的材料和工艺设计，小型预制构件的应用前景广泛，具有显著的成本优势和环境效益。

以沈康四期高速公路项目排水结构工程为依托，考虑具体环境条件，采取寒冷地区盐冻条件设计标准，通过室内试验、室外长期性能评估和工艺研发，提出预制构件配合比和预制构件生产工艺。

1 试验简介

1.1 原材料

水泥为P.O 42.5水泥；粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰；矿粉采用S95矿粉；硅灰胶凝材料的物理性质及化学组成见表1。减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率为33%；拌和用水为自来水。细骨料采用Ⅱ区普通河砂，细度模数为2.65，表观密度为2650kg/m3；粗骨料粒径为4.75～16 mm的天然碎石，表观密度分别为2 745kg/m3。

表1 胶凝材料的化学组成和物理性质

1.2 配合比及试验方法

(1)试样制备及基本性能测试

试验选用的配合比如表2所示。5组混凝土的粗、细骨料用量相同，水胶比均为0.33，胶凝材料包括水泥、矿粉、粉煤灰和硅灰，其总用量为500kg/m3，减水剂掺量均为1.2%。相比于基准配合比P1，P2-P4组配合比中硅灰分别以3%、4%和5%等质量取代水泥，P5组配合比以P4为基础掺入0.25‰的三铁皂甙引气剂和2‰的消泡剂。按照上述配比，将所有原材料放入搅拌机中混合均匀，首先进行拌和物工作性能测试，按照《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)进行测试。其次，每组配合比成型3个100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件和6个150mm×150mm×150mm的立方体。最后，24 h后拆模，并在温度20℃±2℃和相对湿度大于95%的养护箱中养护至28 d龄期，棱柱体用于快速冻融试验，立方体用于单边冻融(盐冻法)和抗压强度试验，以每组3个试件的平均值作为最终试验结果，工作性能和力学强度测试结果如表3所示。

表2 混凝土配合比

表3 各组混凝土配合比工作性能和力学性能测试结果

(2)快速冻融试验

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)，对P1～P5配合比试样进行300次循环的快速冻融并进行对比，试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，将试件进行24d标准养护后，将冻融试件放在20℃±2℃水中浸泡4d，浸泡时水面应高出试件顶面20～30mm，将28d龄期的混凝土试件放入试件盒中心，试件盒放入冻融箱内的试件架中，并向试件盒中注入清水。在整个试验过程中，盒内水位高度应始终保持至少高出试件顶面5mm，每次冻融循环应在2～4h内完成，且用于融化的时间不得少于整个冻融循环时间的1/4，冷冻和融化之间的转换时间不宜超过10min。

(3)单面盐冻试验

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)，对P1～P5配合比试样进行200次循环的单面盐冻并进行对比，采用150mm×150mm×150mm的立方体试模，在空气中带模养护24h±2h，然后将试件脱模并放在20℃±2℃的水中养护7d，将试件切割成为150mm×110mm×70mm，偏差应为±2mm，放在温度为20℃±2℃、相对湿度为65%±5%的实验室中干燥至28d龄期，将试件放置在试件盒中，向试件盒中加入试验液体并不得溅湿试件顶面，当全部试件盒放入单面冻融试验箱中后，应确保试件盒浸泡在冷冻液中的深度为15mm±2mm。

2 试验结果与讨论

在快速冻融试验工况下，不同配合比试样的质量损失率和相对动态弹性模量与冻融循环次数间的关系分别如图1和图2所示。由图1可知，随着冻融循环次数的增加，不同配合比试样的质量损失率不断增加，且随硅灰掺量的增加，不同配合比试样(P1～P4)质量损失百分率显著下降。相比于基准配合比P1，硅灰掺量为胶凝材料4%时，质量损失百分率下降22.4%。相比于基准配合比P1试样和配合比P4试样，掺入引气剂和消泡剂的P5试样，质量损失百分率分别下降39.7%和22.2%。由图2可知，冻融循环次数的增加，不同配合比试样的相对动态弹性模量显著减低。相比于基准试样P1，掺入胶凝材料4%的硅灰P4试样，相对动态弹性模量损失减少14.3%。相比于P1和P4试样，配合比P5试样相对动态弹性模量损失分别减少21.4%和6.3%。

图1 冻融循环次数与质量损伤百分率的关系

图2 冻融循环次数与相对动弹模量的关系

不同冻融循环次数下，不同配合比试样棱柱体抗压强度试验结果如图3所示。相比于未冻融试件，冻融循环300次后，配合比P1～P5试样棱柱体抗压强度分别降低29.2%、23.9%、18.6%、18.7%和17.1%。

图3 冻融循环次数与抗压强度的关系

综合不同冻融循环次数下不同配合比试样质量损率、相对动态弹性模量和棱柱体抗压强度试验结果，掺入硅灰能够有改善混凝土的抗冻融能力，且随硅灰掺量的增加而不断增加，同时掺入引气剂和消泡剂能够进一步改善混凝土的抗冻融能力。

在单边盐冻的试验工况下，不同配合比试样的质量损失百分率和相对动态弹性模量损失率的试验结果分别如图4和图5所示。相比于基准试样P1，掺入4%硅灰试样P4和掺入引气剂和消泡剂的配合比P5，质量损失百分率分别降低29.4%和48.5%，相对动态弹性模量损失分别降低35.4%和54.2%。由此可知，同时掺入硅灰、引气剂和消泡剂能够有效改善混凝土的抗盐冻能力。

图4 单边盐冻冻融循环次数与质量损失率的关系

图5 单边盐冻冻融循环次数与相对动态弹性模量的关系

通过上述试验结果可知，掺入硅灰以及掺入消泡剂和引气剂能够显著提升混凝土的抗冻融和抗盐冻能力。如图6所示，掺入4%的硅灰的试样浆体表面结构密实，未见明显孔隙和裂缝，其主要是硅灰颗粒粒径较小，能够填充水泥水化产物间的孔隙，同时硅灰表面具有较高的活性，能够与水泥水化体系中的氢氧化钙进行反映，使得水化产物结构更加密实，从而提高混凝土的抗冻和抗盐冻能力。不同配合比最大气泡间距如图7所示，随硅灰掺入量的增加，最大气泡间距显著降低，掺入引气剂和消泡剂的试样最大气泡间距系数最小，掺入消泡剂能够使得混凝土中的大气泡逸出，掺入引起剂能够引入微小且稳定的小气泡，优化混凝土的气泡结构，从而使得混凝土具有良好的抗冻性能。

图6 P4试样的SEM照片

图7 不同配合比最大气泡间距

3 室外验证试验

将标养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盐或盐水，验证了其抗盐冻性能。通过4年的室外观测结果发现，撒布除冰盐或盐水区域普通混凝土地面已破损，高性能混凝土试件的表面完好。具体试验过程及结果见图8。

图8 混凝土抗盐冻性能室外验证试验

4 小型预制构件生产工艺

秉承高速公路节能、高效、绿色、环保的建设理念及根据建设需求，沈康四期高速公路项目排水结构由传统砌筑及现浇混凝土形式变更为高性能引气混凝土小型预制构件装配式施工，设置小型构件预制场工厂化集中预制生产，主要结构形式包含填方边沟2型(U型槽)、填方边沟3型(梯形)、挖方边沟2型(U型槽)、泄水槽、锥护坡防护(实心/空心六角网格)，部分成品试件如图9所示。

图9 成品试件展示

本项目采用一种混凝土小型预制构件加工设备，将场地建设在施工现场附近，节约运输成本的同时，根据施工进度及时调节生产效率，小型预制构件场占地面积7000m2，其中生产作业区1000m2为全封闭型钢厂房，合理划分为生产加工区、钢筋加工区、喷淋养护区、模具清洗区、成品存放区，如图10所示。

图10 预制小构件生产作业区

小型构件预制厂引进高效混凝土小型预制件自动生产线，该生产线自动卸料、振捣与运输极为便利，自动化程度高，设备操作简单安全。具体小型构件生产流程：钢筋加工—钢筋入模—混凝土拌和—混凝土倒入斜拉料斗—运输至竖向料斗—竖向料斗卸料混凝土入模—振动辊台自动振捣—模盒运输至养生区喷淋养生—脱模—模具清洗重新利用—成品检测—成品存放—成品喷淋养生—成品打包，完成流水线流程。

在钢筋加工区将钢筋加工成钢筋骨架，通过输送带将钢筋骨架摆放平台上，将各钢筋骨架置入模具内；在生产加工区将混凝土拌和料倒入斜拉料斗中进行搅拌，通过输送带到竖向料斗中，进行二次搅拌，从竖向料斗浇注同时进行振捣，确保均匀排出气泡，进行多次抹面，保证混凝土充分注入模具中；混凝土入模后通过叉车将模盒运输至喷淋养护区，进行带着模具的小型预制构件的喷淋养护，直到达到设计强度；进行振动脱模，将脱模后的模具送回钢筋加工区，清洗后再次使用；检测后合格的小型预制构件通过成品喷淋养生系统进行统一喷淋养护，养护时通过土工布全覆盖，确保全方位养护。在整个流程中，可以随时操控输送速率，及时跟进施工进度，在保证施工效率的同时，防止材料不必要的浪费。

5 结语

根据项目的地理环境要求研发高性能混凝土，分别通过室内试验和室外长期冻融观测验证了其抗冻性，取得以下研究成果：

(1)通过室内试验研究，硅灰、消泡剂和引气剂能够有效改善混凝土的抗冻性能。

(2)基于室外验证试验，对所设计的混凝土配合比预制构件进行性能验证，结果表明相比同强度混凝土，其抗冻性能显著提升。

(3)提出预制构件生产标准化流程和生产工艺，能够为同类预制构件生产提供技术支持。