納米水化硅酸鈣在久馬高速一標(biāo)蒸養(yǎng)預(yù)制梁中的應(yīng)用

賈二鵬 張仁飛 李智涵 李茜茜 Serina Ng*

1.石家莊市長安育才建材有限公司 河北石家莊 051530；2.河北省混凝土用功能性材料工程技術(shù)研究中心 河北石家莊 051530；3.河北省建筑化學(xué)添加劑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 河北石家莊 051530；4.四川砼道科技有限公司 四川成都 611139

1 概述

隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，裝配式建筑[1-3]已經(jīng)成為我國建筑行業(yè)一個重要的發(fā)展方向。推動裝配式建筑，對推動建筑生產(chǎn)方式變革、保障工程建設(shè)質(zhì)量安全、促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革等具有重要意義。由于裝配式建筑的特點，就對混凝土預(yù)制構(gòu)件早期強(qiáng)度和模具周轉(zhuǎn)提出了更高的要求。常規(guī)的氯化物早強(qiáng)劑含有氯鹽，易腐蝕鋼筋，硫酸鹽類早強(qiáng)劑影響后期強(qiáng)度，硝酸鹽早強(qiáng)效果一般，醇胺類早強(qiáng)劑摻量敏感、價格偏高，存在諸多缺陷和應(yīng)用局限[4-6]，因此亟須一種適應(yīng)性好、性能優(yōu)異且成本合適的混凝土早強(qiáng)劑。

納米水化硅酸鈣[7-12]是一種粒徑為納米尺寸的混凝土早強(qiáng)劑，加入水泥漿體中可降低水化產(chǎn)物C-S-H凝膠的成核勢壘，誘導(dǎo)水化產(chǎn)物生成，加速水化，提高早期強(qiáng)度。由于其為納米顆粒，比表面積較大，有助于離子的吸附，使得整個體系中水化產(chǎn)物生長得更為彌散[13]，加上其納米顆粒的填充效應(yīng)，使得最終水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更加致密，因而不會影響其后期強(qiáng)度。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對各種因素例如：硅源[14]、鈣源[15]、硅鈣比[13，16，17]、分散劑[18-19]、pH[10]等對納米水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)與在水泥基材料中性能的影響進(jìn)行了大量研究，但納米水化硅酸鈣在實際工程項目中的應(yīng)用卻鮮有報道。久馬高速一標(biāo)預(yù)制梁混凝土配合比中膠凝材料用量較高且需蒸養(yǎng)48h方能滿足力學(xué)性能要求，原材料及能耗成本較高，因此嘗試應(yīng)用納米水化硅酸鈣降低一定膠材用量及縮短蒸養(yǎng)時間。

2 試驗部分

2.1 原材料及配合比

2.1.1 原材料

拉法基P.O52.5水泥，都江堰拉法基水泥有限公司生產(chǎn)，化學(xué)組分見表1；機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.7；碎石，粒徑5～10mm、10～26.5mm，均由四川路橋建設(shè)股份有限公司生產(chǎn)；納米水化硅酸鈣GK-3Z[20-21]與減水劑GK-3000，石家莊市長安育才建材有限公司生產(chǎn)；自來水。

表1 水泥化學(xué)組分(wt%)

2.1.2 配合比

表2 試驗室混凝土配合比(kg/m3)

表3 預(yù)制梁生產(chǎn)用配合比(kg/m3)

2.2 測試方法

2.2.1 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物的坍落度、擴(kuò)展度及經(jīng)時損失和凝結(jié)時間測試參照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，減水劑和納米水化硅酸鈣與拌合水同時加入攪拌機(jī)。拌合水溫度為6℃，實驗室白天最高氣溫14℃，晚上最低氣溫2℃。

2.2.2 力學(xué)性能

混凝土力學(xué)性能測試參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土成型尺寸為150mm×150mm×150mm，然后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

預(yù)制梁回彈強(qiáng)度值測試參照J(rèn)GJ/T 23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)條件

表1中混凝土試塊為在實驗室室溫養(yǎng)護(hù)24h后脫模，分別送入梁場50℃蒸養(yǎng)及養(yǎng)護(hù)室標(biāo)養(yǎng)；表2中預(yù)制梁澆筑后，模板50℃保溫24h脫模，進(jìn)行50℃蒸養(yǎng)；澆筑梁留樣試塊為梁場內(nèi)(10℃)養(yǎng)護(hù)24h后脫模進(jìn)行50℃蒸養(yǎng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝土試驗

表4 混凝土工作性能及損失(坍落度/流動度mm)

由表4中可以看出，基準(zhǔn)混凝土具有良好的初始工作性能，損失也較小。加入納米水化硅酸鈣后，外加劑摻量不變，混凝土初始流動并未發(fā)生明顯變化，但損失較基準(zhǔn)稍快，特別在1.5h時，擴(kuò)展度較初始損失155mm，明顯高于基準(zhǔn)1.5h損失50mm，但狀態(tài)仍可滿足澆筑。這是由于納米水化硅酸鈣加速水泥水化[12]，導(dǎo)致混凝土工作性能損失加快?？紤]到久馬高速一標(biāo)預(yù)制梁生產(chǎn)時新拌混凝土運(yùn)輸時間只有5～10min，但有時會遇到模具安裝或安排工人等生產(chǎn)因素導(dǎo)致等待時間需要30min到1h左右，因此要求混凝土流動性具有一定的保持能力，表4中混凝土工作性能及保持完全滿足要求。如果需要更高的混凝土工作性能保持能力，可通過適當(dāng)提高減水劑中的保坍母液摻量進(jìn)行調(diào)整。

表5 混凝土凝結(jié)時間

由表5得知，納米水化硅酸鈣的加入使混凝土初凝時間縮短3h以上，終凝時間縮短2h以上，具有良好的加速水化效果。說明在冬季低溫時，納米水化硅酸鈣可有效縮短混凝土的凝結(jié)時間。

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度(MPa)

加入納米水化硅酸鈣后混凝土力學(xué)性能如表6所示，在當(dāng)?shù)販囟韧瑮l件對比下，加入納米水化硅酸鈣使混凝土24h抗壓強(qiáng)度增加7.8MPa，脫模后，繼續(xù)蒸養(yǎng)24h和48h后抗壓強(qiáng)度均增加了10.6MPa，而且加入納米水化硅酸鈣蒸養(yǎng)24h的混凝土抗壓強(qiáng)度已經(jīng)高于基準(zhǔn)蒸養(yǎng)48h抗壓強(qiáng)度，說明納米水化硅酸鈣可縮短至少50%以上的蒸養(yǎng)時間，提高生產(chǎn)效率，降低蒸養(yǎng)能耗。另外在48h標(biāo)養(yǎng)條件下，加入納米水化硅酸鈣的混凝土抗壓強(qiáng)度也高于基準(zhǔn)蒸養(yǎng)48h抗壓強(qiáng)度，說明可在標(biāo)養(yǎng)條件下實現(xiàn)“免蒸養(yǎng)”。但在預(yù)制梁生產(chǎn)過程中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)難度較大，且久馬高速當(dāng)?shù)貧鉁剌^低，因此在后續(xù)生產(chǎn)過程中采用蒸養(yǎng)24h的養(yǎng)護(hù)制度。

3.2 預(yù)制梁成型

圖1 GK-3Z-1混凝土放料(左)、澆筑(右)

圖2 預(yù)制梁外觀(左-基準(zhǔn)-L，右-GK-3Z-L)

從圖1中可以看出，放料時混凝土狀態(tài)較好，不離析、不泌水，流動性雖較出機(jī)時略有損失，但也滿足澆筑。說明在此條件下加入一定量的納米水化硅酸鈣滿足混凝土工作性能要求。圖2為脫模后預(yù)制梁的外觀，可以看出梁表面光滑、無氣泡、無裂縫，顏色較為均勻，加入納米水化硅酸鈣后對梁外觀無任何負(fù)面影響。

表7 預(yù)制梁留樣試塊抗壓強(qiáng)度及回彈強(qiáng)度

從表7中可以看出，加入納米水化硅酸鈣后，混凝土蒸養(yǎng)24h抗壓強(qiáng)度高達(dá)56.6MPa，較基準(zhǔn)-L蒸養(yǎng)24h強(qiáng)度高10.7MPa，較基準(zhǔn)-L蒸養(yǎng)48h強(qiáng)度高8.1MPa，說明納米水化硅酸鈣有效提高了混凝土早期強(qiáng)度，這與3.1中試驗結(jié)論一致，這樣可至少縮短24h的蒸養(yǎng)時間，節(jié)約能耗，縮短生產(chǎn)周期?；貜棌?qiáng)度值也達(dá)到45MPa，滿足項目上張拉要求。另外，GK-3Z-L中混凝土較基準(zhǔn)-L少14kg水泥，可節(jié)約混凝土原材料成本，隨著近期水泥價格的不斷攀升，此處所節(jié)約的費(fèi)用將會更加可觀。

4 結(jié)論

(1)納米水化硅酸鈣加入對混凝土初始工作性能無明顯影響，但損失稍微加快；納米水化硅酸鈣可縮短混凝土初凝時間3h以上，終凝時間2h以上；

(2)加入膠材3%摻量的水化硅酸鈣使混凝土蒸養(yǎng)24h抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)蒸養(yǎng)48h高，可縮短50%以上的蒸養(yǎng)時間。即使不經(jīng)蒸養(yǎng)工藝，在加入納米水化硅酸鈣混凝土脫模后標(biāo)養(yǎng)48h抗壓強(qiáng)度也高于基準(zhǔn)蒸養(yǎng)48h，可實現(xiàn)“免蒸養(yǎng)”。

(3)預(yù)制梁成型試驗中，混凝土放料、澆筑滿足要求，對梁外觀無影響。納米水化硅酸鈣同樣可使混凝土試塊24h蒸養(yǎng)比基準(zhǔn)混凝土蒸養(yǎng)48h強(qiáng)度高，且梁回彈強(qiáng)度滿足張拉要求，可縮短24h以上的蒸養(yǎng)時間。納米水化硅酸鈣可降低預(yù)制梁混凝土配合比中的水泥用量，節(jié)約材料成本。