預制構件用自密實免蒸養混凝土試驗研究

趙志剛，師海霞

(1.北京市燕通建筑構件有限公司,北京 100000；2.北京東方建宇混凝土科學技術研究院,北京 100000)

前言

目前建筑生產方式大多仍以現場澆筑為主,裝配式建筑比例和規模化程度較低,與發展低碳、綠色建筑的有關要求以及先進建造方式相比還有很大差距。裝配式預制構件是建筑工業化的核心與基礎,發展裝配式建筑是建筑生產方式的重大變革,有利于節約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全水平,有利于促進建筑業與信息化工業化深度融合、培育新產業新動能、推動化解過剩產能。近年來,效仿歐美發達國家,裝配式建筑在國內開始逐步推行。

現階段裝配式建筑所需預制構件工廠化生產,混凝土澆筑和養護基本沿用傳統生產工藝,混凝土澆筑采用機械振搗成型工藝,養護采用蒸汽養護工藝快速提高混凝土早強強度。機械振搗成型噪音污染大、耗用人工多、工作環境差、效率低,由于振搗的擾動,模板、預留、預埋部位易變形,對構件的預留洞口或鋼筋、預埋件位置及構件外觀尺寸影響很大,而且構件外觀效果不易控制且不均勻,邊角孔洞易漏漿且氣泡多；蒸汽養護工藝能耗高、生產環境差、設備銹蝕嚴重,構件易出現因受熱不均勻或溫差產生的裂縫,而且,構件表面受蒸汽污染,需要人工清理耗時耗力。

如何符合“綠色低碳”和發展資源節約型環境友好型社會的要求,達到節約人工、改善環境、降低能耗、提高生產效率及提高裝配式預制構件品質,開發自密實、免蒸養的“綠色低碳”混凝土技術是非常必要的。

自密實混凝土(英文縮寫SCC),是一種無需振搗,僅依靠自身的重力作用、混凝土的流變性就可以通過鋼筋等障礙物填充到模板的各個角落,并且達到密實狀態,同時不會產生分層離析等不良現象。構件在生產時,對預埋、留孔洞鋼筋、套筒、外漏插筋等的定位要求極高,使用自密實混凝土避免了振搗對構件的擾動,大大提高生產效率,同時消除了噪音對環境的污染；裝配式混凝土結構裝配式混凝土結構的特點主要體現在預制構件表面平整、外觀美觀,這就對混凝土質量提出了較高的要求等,這方面,自密實混凝土無疑具有明顯優勢,所澆筑的構件外觀質量易于控制且均勻,邊角無漏漿和氣泡。

自密實混凝土是在1988年由東京大學的岡村教授、前川教授以及小沢教授首次研制成功并冠以自密實混凝土的名稱。經過十幾年的發展,日本、德國、英國、美國和加拿大等國已經普遍使用自密實混凝土,在這些國家自密實混凝土的使用量已占混凝土全部產量的30%～40%。國外自密實混凝土在預制建筑構件中的應用比較成熟。1999年以來,荷蘭已有20多家生產企業將之應用于混凝土預制建筑構件的生產,至2002年其產量將達到250000立方米。不同國家的SCC在預制混凝土的比重分別是意大利大約30%,芬蘭大約30%,西班牙25%～30%,美國10%～40%[1]。

國內自1993年以來,中國建筑科學研究院、中南大學、清華大學、原重慶建筑大學和武漢理工大學等相續開展自密實混凝土的配制和性能等研究。隨著自密實混凝土研究的進展,自密實混凝土也逐步應用于各種工程中。國內自密實(自密實)混凝土在預制建筑構件中的應用的研究尚不發達,薛洲海等人[2]介紹了自密實混凝土在雙板預制混凝土剪力墻中的應用,對于自密實混凝土的澆筑速度,模板長度以及混凝土的觸變性和水化反應進行了說明。李書進等人[3]介紹了針對階梯式生態護坡混凝土構件異形復雜的特點制備的低泌水率、高流態的自密實混凝±。高建鵬[4]采用P.O42.5水泥、Ⅱ級粉煤灰、石灰石粉和聚羧酸系高性能減水劑配制了C30自密實混凝土,并將之應用到預制PCF板中。

對于自密實混凝土的配制方法,日本岡村甫認為有以下三種[5]：

粉體系：高性能(AE)減水劑+水+細骨料+粗骨料+粉體(水泥+石灰石粉、高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等),其中又根據粉體成份可以分為一成份系(粉體僅水泥)、二成份系(粉體有水泥和一種摻合料)、三成份系(粉體有水泥和兩種摻合料)。

增粘劑系：高性能(AE)減水劑+水+細骨料+粗骨料+水泥+增粘劑

并用系：高性能(AE)減水劑+水+細骨料+粗骨料+水泥+粉體+增粘劑

從實際應用情況來看,由于增粘劑本身的一些性能尚不夠完善,目前所用的自密實混凝土主要以第一種粉體系為其配制的理論基礎。即我們目前所用的“雙摻”技術。

目前使混凝土早期獲得高強度的方法主要有：早強型復合膠凝材料技術,包括高性能水泥技術和高強高性能礦物外加劑技術；早強型化學外加劑技術；膠凝材料的熱活化技術,例如蒸汽養護、蒸壓養護、紅外和微波養護等；其他物理化學活化方式,例如磁化水、晶種技術等；混凝土配合比的調整,例如降低混凝土水膠比、采用優質的骨料等,這種方法也是一般混凝土生產單位常用的傳統方法。

早強型復合膠凝材料體系涵蓋了高強高性能水泥技術、高性能礦物外加劑技術及其兩者之間的配伍技術。楊玉啟[6]研究發現水泥細度對混凝土早期強度有著顯著的影響,各齡期的強度隨水泥細度的提高而有所增長。郭永智等[7]研究了摻加比表面積800～5000m2/kg的微米級超細礦渣粉(簡稱Pre粉)和硅灰的C50～C80混凝土性能,發現超細礦渣粉10%摻量時強度、耐久性等指標與硅灰8%摻量硅灰基本相當,混凝土早期強度高、氯離子滲透性低。

早強型化學外加劑技術,與萘系、三聚氰胺系、氨基磺酸鹽系等高效減水劑相比較,聚酸鹽系減水劑具有更為優異的性能,可作為早強型聚羧酸系外加劑用于預制構件混凝土。實現聚羧酸系外加劑早強功能的技術途徑有3種,第一種是合成常規的聚羧酸減水劑,通過復配早強組分達到早強。第二種是合成聚合物本身具有較好的早強性能,通過在聚羧酸減水劑分子結構中引入功能控制型基團來實現。第三種方法是第一種和第二種方法的復合應用。趙松蔚[8]研究合成了一種早強型聚羧酸減水劑,并對早強型聚羧酸減水劑和復合早強劑配合比例進行了研究。劉振華[9]除了研究合成了一種早強型聚羧酸減水劑外,還優化了石膏品種和摻量。

快硬超早強混凝土目前最主要的應用是在路面搶修工程,可以盡快凝結,縮短養護時間,在最短時間內開放交通。國內外實現混凝土快硬超早強的途徑通常有兩種：一種是使用特種水泥,另一種是選用特種外加劑。特種水泥主要是使用快硬早強性能的特種水泥(如高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥、噴射水泥等)來配制快硬免蒸養混凝土。在我國,快硬早強混凝土的研究雖然起步較晚,但取得了舉世矚目的成就。快硬早強混凝土混合料組成設計關鍵技術是國家“八五”重點科技攻關項目巾“快硬早強水泥混凝土在高等級公路路面工程應用技術的研究”專題的主要成果之一。特種外加劑主要是依靠帶有早強性能的減水劑、早強劑以及成核劑等具有良好早強效果的外加劑來實現,目前常用的早強劑一般分為有機型、無機鹽型以及復合型早強劑。鄭立霞等[10]采用聚羧酸高性能減水劑和速凝劑,并經配合比和蒸養制度優化,配制的C40早強混凝土6h脫模強度超過20MPa。張勇等[11]通過使用促強減縮劑,有效降低混凝土蒸養溫度和蒸養時間,使預制構件生產能源消耗大幅下降。徐佳琦[12]采用合成的早強型聚羧酸減水劑、硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥配制了免蒸養免蒸養混凝土。

自密實混凝土要求混凝土具有優良的工作性能和保持能力,而實現這一目標,均需摻加較高摻量摻合料,這對混凝土的早期強度是有一定影響的；而免蒸養混凝土研究重點是在混凝土早期強度和凝結硬化上,對混凝土工作性的要求一般較低。將二者結合在預制構件中應用的研究較少,張惠敏[13]采用基于早期強度的膠凝材料組合設計方法進行了自密實混凝土在預制構件中的應用研究。

1 試驗材料

1.1 水泥

選擇北京地區規模較大廠家生產的不同型號硅酸鹽水泥(琉璃河P.O42.5、冀東P.I42.5R和 P.II42.5R)和唐山北極熊公司生產的42.5硫鋁酸鹽水泥。

表1 不同型號硅酸鹽水泥物理性能

表2 42.5硫鋁酸鹽水泥物理性能

1.2 砂石

采用河北懷來產中砂和5-16mm碎石。中砂細度模數2.5,含泥量1.9%,泥塊含量0.4%；5-16mm碎石含泥量0.4%,泥塊含量0,壓碎指標6.9%,針片狀含量3.3%。

1.3 摻合料

采用張家口產Ⅱ級粉煤灰,細度19.3%,需水量比102%,燒失量4.3%；河北三河產S95級礦渣粉,比表面積428m2/Kg,流動度比：103%,7d活性指數82%,28d活性指數107%。

1.4 外加劑

采用北京同科公司生產的早強型聚羧酸高性能減水劑,唐山北極熊公司生產的促強減縮劑和日本電氣化學公司產液體早強劑。

2 預制構件的自密實配合比設計方法研究

目前,自密實自密實混凝土配合比設計有JGJ/T283-2012、CECS203∶2006和CCES02-2004等3個規范,這3個規范設計的自密實混凝土配合比特點(以C40自密實自密實混凝土為例,σ取4.0,水泥42.5,粉煤灰摻量20%),對比見表3。

表3 不同規范自密實混凝土配合比設計結果對比(C40為例)

從表3可知：采用JGJ/T283設計的自密實混凝土配合比相比采用CECS203和CCES02的水膠比小、膠凝材料用量高,用水量和砂率則差距不大。

按照以上配合比進行混凝土試驗,水泥采用冀東P.II42.5R,Ⅱ級粉煤灰摻量20%。試驗結果見表4。

表4 不同規范設計的自密實混凝土試驗結果

圖1 不同規范設計的自密實自密實混凝土收縮

從表4和圖1可知：

1)采用JGJ/T283設計的自密實混凝土擴展度均大于采用CECS203和CCES02設計的,T500則相差不大,說明采用JGJ/T283設計的混凝土工作性能優于采用CECS203和CCES02設計的。

2)采用JGJ/T283設計的自密實混凝土7d和28d抗壓強度均高于采用CECS203和CCES02設計的,采用采用CECS203和CCES02設計的混凝土強度已經達到設計要求,說明采用JGJ/T283設計的混凝土會產生強度超強問題。

3)采用JGJ/T283設計的自密實混凝土收縮總體均高于采用CECS203和CCES02設計的約30%,說明采用JGJ/T283設計的混凝土收縮偏大。

小結：

采用CECS203或CCES02設計的自密實混凝土相比采用JGJ/T283的具有較小收縮,有利于防止預制構件在制作養護等過程中產生裂縫,因此,比較適宜用于預制構件自密實配合比設計。

3 試驗研究

3.1 基于自密實工作性能的免蒸養膠凝材料和外加劑體系研究

以C40自密實混凝土配合比為基準(水膠比0.41,單方用水量175Kg/m3,砂率47%),選用不同的膠凝材料和外加劑體系,進行混凝土工作性能、早強性能測試。混凝土配合比見表5,混凝土性能試驗結果見表6、7和圖2～26。

表5 混凝土配合比

表6 混凝土工作性能及初凝時間

表7 混凝土抗壓強度試驗結果

注：蒸養時間為恒溫時間,溫度為恒溫溫度,升溫速度不超過15℃/h,降溫速度不超過20℃/h。

圖2 水泥品種對擴展度的影響

圖3 水泥品種對T500的影響

圖4 水泥品種對初凝時間的影響

圖5 水泥品種對蒸養強度的影響

圖6 水泥品種對標準養護強度的影響

圖7 粉煤灰摻量對擴展度的影響

圖8 粉煤灰摻量對T500的影響

圖9 粉煤灰摻量對初凝時間的影響

圖10 粉煤灰摻量對蒸養強度的影響

圖11 粉煤灰摻量對標準養護強度的影響

圖12 硫鋁酸鹽水泥比例對擴展度的影響

圖13 硫鋁酸鹽水泥比例對T500的影響

圖14 硫鋁酸鹽水泥比例對初凝時間的影響

圖15 硫鋁酸鹽水泥比例對蒸養強度的影響

圖16 硫鋁酸鹽水泥比例對標準養護強度的影響

圖17 促凝減縮劑摻量對擴展度的影響

圖18 促凝減縮劑摻量對T500的影響

圖19 促凝減縮劑摻量對初凝時間的影響

圖20 促凝減縮劑摻量對蒸養強度的影響

圖21 促凝減縮劑摻量比例對標準養護強度的影響

圖22 早強劑摻量對擴展度的影響

圖23 早強劑摻量對T500的影響

圖24 早強劑摻量對初凝時間的影響

圖25 早強劑摻量對蒸養強度的影響

圖26 早強劑摻量比例對標準養護強度的影響

分析：

1)從表5、6、7,圖2～6可知：不同水泥品種對混凝土的標準養護28d和60d強度影響不明顯,對其他性能影響明顯。初始和1h后擴展度P.I最小,P.O最大,P.II居中；初始和1h后T500則P.II和P.O較短,P.I較長,P.II和P.O相差不大；初凝時間較長,P.I和P.II較短,和P.II相差不大；蒸養和標準養護1d、7d強度按照P.I、P.II和P.O順序依次降低。從工作性角度,P.II和P.O相對明顯優于P.I,從初凝時間和早期強度來說,則P.O最低,因此,綜合比較P.II相對較好。

2)從表5、6、7,圖7～11可知：粉煤灰摻量對初始擴展度、28d和60d標準養護強度影響相對不是很明顯,對其他性能影響則比較明顯。隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土擴展度增大、T500減小、初凝時間增大,蒸養和標準養護1d、7d強度降低,說明工作性能提高,但早強性能下降,相比較而言,粉煤灰摻量15%時,工作性能增可以滿足自密實要求,早強性能相比10%降低不多。

3)從表5、6、7,圖12～16可知：硫鋁酸鹽水泥比例對標準養護28d和60d強度影響不明顯,對其他性能則影響較明顯。隨著硫鋁酸鹽水泥比例增大,擴展度降低、T500增加、初凝時間縮短,蒸養和標準養護1d、7d強度提高,說明混凝土工作性變差,早強性能提高,硫鋁酸鹽水泥比例大于5%以后,工作性已基本不能滿足自密實要求,硫鋁酸鹽水泥比例5%時即有非常好早強性能,30℃蒸養12h強度已超過20MPa的構件脫模強度要求了。

4)從表5、6、7,圖17～21可知：促凝減縮劑摻量也對標準養護28d和60d強度影響不明顯,對其他性能則影響較明顯。隨著促凝減縮劑摻量的增大,擴展度降低、T500增加、初凝時間縮短,蒸養和標準養護1d、7d強度提高,說明混凝土工作性變差,早強性能提高,促凝減縮劑摻量大于10%以后,工作性已基本不能滿足自密實要求,促凝減縮劑摻量10%時即有非常好早強性能,30℃蒸養12h強度已超過20MPa。

5)從表5、6、7,圖22～26可知：早強劑摻量對擴展度和標準養護7d、28d、60d強度影響不明顯,對其他性能則影響較明顯。隨著早強劑摻量的增大,T500先降低又小幅升高,初凝時間縮短,蒸養和標準養護1d強度提高,說明混凝土工作性變化不大,早強性能明顯提高,早強劑摻量1%時有非常好早強性能,30℃蒸養12h強度超過20MPa。

6)采用P.II型水泥、粉煤灰摻量15%、礦渣粉摻量20%、硫鋁酸鹽水泥比例5%(或促凝減縮劑摻量10%/早強劑1%)時,混凝土綜合性能相對較好。

3.2 氯離子滲透性能試驗

按照表4中5#、7#、11#、13#配合比配制混凝土進行氯離子滲透試驗,試驗結果見表8。

表8 氯離子滲透試驗結果

分析：從表8可知：7#(摻加5%硫鋁酸鹽水泥)、11#(摻加10%促凝減縮劑)和13#(摻加1%早強劑)與5#(基準)配合比混凝土均具有良好的抗氯離子滲透能力,說明混凝土內部微觀結構比較致密,耐久性能良好。摻加硫鋁酸鹽水泥、促凝減縮劑或早強劑后,混凝土的氯離子滲透擴散系數變化不大,且摻加促凝減縮劑和早強劑后,氯離子擴散系數還略有降低,說明摻加硫鋁酸鹽水泥、促凝減縮劑或早強劑后,對混凝土的滲透性能乃至耐久性能沒有有害影響。

3.3 SEM分析

按照表4中5#、7#、11#、13#配合比配制的混凝土30℃蒸養12h后的SEM分析結果見圖27～30。

分析：

1)由圖27可知：5#配合比混凝土結構相對比較疏松,孔隙較大,水花產物晶體粗大,可以看到有纖維狀的一一凝膠,針棒狀鈣礬石和片狀的晶體,但是粉煤灰顆粒的水化程度較低,甚至還有表面光滑、完全沒有水化的顆粒存在。

2)由圖28可知：7#配合比混凝土結構相比5#配合比混凝土結構致密,且有較多針狀結晶體Aft填充在水化產物的縫隙中,粉煤灰顆粒表面有一些物質沉淀及一些被刻蝕的痕跡,水化產物分布比較均勻,沒有明顯的氫氧化鈣晶體,混凝土中有大量卷席狀的二次水化產物。

3)由圖29可知：11#配合比混凝土微觀結構與7#比較相似。

4)由圖30可知：13#配合比混凝土結構則最為致密,水化產物分布比較均勻,同樣沒有明顯的氫氧化鈣晶體,粉煤灰二次水化反應形成的水化產物已與水泥的水化產物連成一個整體,說明早強劑破壞了粉煤灰玻璃體表面的致密層,水泥水化生成的Ca(OH)2會與玻璃體表面活性較高的SiO2和Al2O3反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。

5)7#和11#很好地印證了李偉[14]和蘭明章[15]的研究結果：硅酸鹽水泥中摻加硫鋁酸鹽水泥或摻加促凝減縮劑,混凝土水化產物中AFt的生成量明顯增多,有利于早期強度的發展。

小結：

1)采用P.II水泥,粉煤灰摻量15%,礦渣粉摻量20%,硫鋁酸鹽水泥比例5%(或促凝減縮劑摻量10%/早強劑1%)時混凝土綜合性能相對較好,混凝土可以實現自密實,且在夏季平均溫度約30℃時免蒸養12小時脫模,其他季節可縮短蒸養時間1/3以上。

2)混凝土氯離子滲透性能試驗表明：摻加硫鋁酸鹽水泥、促凝減縮劑或早強劑后,混凝土的滲透性能略有改善。

3)SEM分析得出：摻加硫鋁酸鹽水泥、促凝減縮劑或早強劑后,混凝土水化產物更多更均勻,微觀結構更加致密,摻加硫鋁酸鹽水泥或促凝減縮劑后混凝土水化產物中填充的Aft相對增多。這些均有利于提高混凝土的強度、抗滲性能乃至耐久性能。

結 論

1.采用CECS203或CCES02設計的自密實混凝土相比采用JGJ/T283的具有較低的收縮,更適宜于預制構件配合比設計。

2.采用P.II型水泥、粉煤灰摻量15%、礦渣粉摻量20%、硫鋁酸鹽水泥比例5%(或促凝減縮劑摻量10%/早強劑1%)為綜合性能相對較好的自密實免蒸養混凝土配合比組合,在自密實基礎上,實現夏季免蒸養,其他季節蒸養時間縮短1/3以上。

3.摻加硫鋁酸鹽水泥、促凝減縮劑或早強劑后,混凝土的滲透性能略有改善。

4.摻加硫鋁酸鹽水泥、促凝減縮劑或早強劑后,混凝土水化產物更多更均勻,微觀結構更加致密,摻加硫鋁酸鹽水泥或促凝減縮劑后混凝土水化產物中填充的Aft相對增多,這些均有利于提高混凝土的強度、抗滲性能乃至耐久性能。SEM微觀結構形貌分析結果與宏觀性能是一致的。

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