崔嘉銘，蔣元海，黃發(fā)軍，藍豪杰，殷旭峰，程洪燁，駱可揚

（1.嘉興學院 建筑工程學院，浙江 嘉興 314001；2.寧波大學 土木工程與地理環(huán)境學院，浙江 寧波 315211）

0 引言

隨著建筑工業(yè)化水平的不斷提高和國家對裝配式建筑的大力推廣，預制混凝土構(gòu)件伴隨著裝配式施工方式大量應用于各類工程建設中。預制構(gòu)件生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，可縮短工期、降低建設成本。預制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)中，為了縮短養(yǎng)護時間、加快模具周轉(zhuǎn)、提高生產(chǎn)效率，PC工廠采用蒸汽養(yǎng)護工藝。蒸汽養(yǎng)護能快速提高混凝土的早期強度，達到預制構(gòu)件脫模起吊的強度要求，從而加快模具周轉(zhuǎn)，提高工廠效益。但蒸汽養(yǎng)護同樣存在不足：一是需要蒸汽養(yǎng)護裝置，如蒸汽鍋爐、蒸汽養(yǎng)護窖等，額外增加了生產(chǎn)成本；二是產(chǎn)生蒸汽的過程中能耗較大，據(jù)不完全統(tǒng)計，預制混凝土管樁熱養(yǎng)護消耗能源約折合標準煤50 kg/m3，而且燃煤蒸汽鍋爐還存在廢氣排放問題[1]；三是蒸汽養(yǎng)護雖能加快水泥基膠凝材料的水化硬化反應進程，快速提高混凝土的早期強度，但對混凝土的耐久性能和脆性有不利影響。研究實踐表明，蒸汽養(yǎng)護會對混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)造成不利影響[2]，導致混凝土耐久性能劣于標準養(yǎng)護的混凝土。

鑒于預制構(gòu)件蒸汽養(yǎng)護不符合綠色發(fā)展理念以及可能對混凝土性能潛在的不利影響，技術研究人員進行了超早強免蒸養(yǎng)混凝土的研究。國內(nèi)外針對免蒸養(yǎng)混凝土及提高混凝土早期強度的研究多集中在早強劑和高效減水劑等外加劑技術方面。Sch?nlein和Plank[3]研究了聚羧酸減水劑（PCE）對混凝土早期強度的影響。姜騫等[4]、汪梁[5]研究了早強外加劑和養(yǎng)護溫度對混凝土早期強度的影響。桂根生等[6]采用硅灰、高性能減水劑、超早強劑、保坍劑等摻和料及外加劑制備出C40早強免蒸養(yǎng)混凝土。此外，摻合料對混凝土早期強度也有一定影響，并能改善混凝土工作性能。Hayder等[7]研究了大摻量粉煤灰對預制構(gòu)件混凝土的影響。高立等[8]研究了大摻量礦粉對C30混凝士早期、后期強度的影響。

為研制用于預制構(gòu)件的免蒸養(yǎng)混凝土，使其工作性能可滿足預制構(gòu)件的生產(chǎn)作業(yè)要求、12 h抗壓強度能滿足預制構(gòu)件脫模起吊要求，本文進行了混凝土配合比的優(yōu)化試驗，研究了超早強劑、早強型高效減水劑、粉煤灰、礦粉以及混凝土攪拌方式對混凝土工作性能及早期強度的影響，以確定合適的配合比來制備工作性能和強度均滿足預制構(gòu)件免蒸養(yǎng)生產(chǎn)技術要求的混凝土，以期實現(xiàn)預制構(gòu)件免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：嘉善某水泥廠產(chǎn)P·O52.5R水泥，28 d抗壓、抗折強度分別為56、10 MPa；濰坊某水泥廠產(chǎn)P·O52.5R水泥，28 d抗壓、抗折強度分別為54、8 MPa。

（2）摻合料：Ⅱ級粉煤灰，主要物理性能見表1；S95級礦粉，玻璃體含量99.0%，堿含量0.56%，三氧化硫含量0.1%，主要技術性能見表2。

表1 粉煤灰的主要物理性能

表2 礦粉的主要技術性能

（3）骨料：細骨料為中砂，細度模數(shù)2.3；粗骨料由粒徑為5～10 mm和10～25 mm的碎石按1∶2的質(zhì)量比混合而成。

（4）外加劑：廣東某公司產(chǎn)CSP-12早強型聚羧酸高效減水劑，密度（1.07±0.02）g/cm3，減水率≥25.0%，固含量（20.0±2.0）%；南京某公司產(chǎn)SBT-510超早強劑，主要成分為n-CS-H的納米型新型外加劑，乳白色液體，含水量（87.5±2.0）%。

（5）水：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的要求。

1.2 試驗配合比

以浙江某預制構(gòu)件廠生產(chǎn)PC構(gòu)件的混凝土配合比為基礎進行實驗室試配，經(jīng)篩選后，采用表3的配合比進行試驗。

表3 混凝土試驗配合比

1.3 試驗方法

（1）流動性：新拌混凝土坍落度控制在50～180 mm，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

（2）養(yǎng)護條件：標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護、30℃蒸汽養(yǎng)護等3種不同的養(yǎng)護方式，其中由于試驗條件限制，試驗為嘉興市區(qū)3～6月期間，自然養(yǎng)護的環(huán)境溫度為11～35℃，有較大的波動，相對濕度為（60.0±5.0）%；30℃蒸汽養(yǎng)護是考慮到冬季環(huán)境下，養(yǎng)護池中采用少量補充蒸汽的方式，相對濕度與標準養(yǎng)護相同，均控制在95%，以滿足強度發(fā)展的需要。

（3）抗壓強度：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。

1.4 攪拌方法

選取相同配比，分別采用2種攪拌方法研究攪拌方法對混凝土性能的影響：（1）一次投料攪拌法：將膠凝材料、骨料、外加劑及水一次性投入攪拌機后攪拌2 min；（2）分級凈漿攪拌法：將膠凝材料、外加劑及水投入攪拌機先攪拌55～60 s，然后投入粗、細骨料再攪拌55～60 s。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 外加劑對混凝土性能的影響

以C組配合比為基準，進行了多次不同外加劑摻量下的平行重復試驗，測試坍落度及不同養(yǎng)護條件下混凝土的12 h抗壓強度，并取較佳的4組進行對比，結(jié)果見表4。

表4 外加劑對混凝土性能的影響

由表4可見：（1）與未摻早強劑相比，摻SBT-510超早強劑后，混凝土12 h抗壓強度提高均超過150%；（2）早強劑摻量不變的條件下，減水劑摻量為1.5%～2.0%時，混凝土早期強度和坍落度可以滿足PC構(gòu)件12 h脫模起吊及新拌混凝土工作性的要求；（3）減水劑摻量不變的條件下，早強劑摻量在2.5%～3.0%時，混凝土早期強度相近，坍落度則與早強劑摻量正相關；（4）3種不同養(yǎng)護方式下，雙摻早強劑和減水劑時混凝土的早期強度和坍落度均可以滿足PC構(gòu)件12 h脫模起吊及工作性的要求；（5）養(yǎng)護溫度越高，混凝土早期強度發(fā)展越快。

混凝土抗壓強度與水泥的水化程度、混凝土的孔結(jié)構(gòu)密切相關?；炷羶?nèi)部的孔隙依孔徑大小可分為凝膠孔（＜10 nm）、毛細孔（10 nm～5 μm）和大孔（＞5 μm）。以n-C-S-H納米為主要成分的SBT-510超早強劑對混凝土早期強度有明顯的促進作用。在水泥基材料水化初期，摻入納米型n-C-S-H早強劑后，其誘導生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠不僅在熟料礦物表面成核生長，還在n-C-S-H表面成核生長，水泥基材料內(nèi)部化學結(jié)合水含量快速增加，硅酸鹽聚合反應加快，從而大大加速熟料礦物的水化速度，提高混凝土的強度。

2.2 膠凝材料對混凝土性能的影響

以水膠比0.31、減水劑摻量2.5%、早強劑摻量4.0%為基準，篩選出摻合料不同摻量的4組配合比進行平行重復試驗，測試坍落度及不同養(yǎng)護條件下混凝土的12 h抗壓強度，結(jié)果見表5。

表5 膠凝材料對混凝土性能的影響

由表5可見：（1）環(huán)境溫度20℃以上，摻CSP-12早強型減水劑及SBT-510超早強劑情況下，混凝土的12 h抗壓強度均超過15 MPa；（2）摻10%粉煤灰混凝土可達到15 MPa的早強要求，同時還大大提高新拌混凝土的流動性，改善了混凝土的工作性。

在粉煤灰材料的細微結(jié)構(gòu)中，具有大量的、圓球狀的細小微珠，這些微珠摻加到混凝土中，不但具有一定的減水作用，還可以起到很好的微集料滾珠效應以及火山灰效應，對改善混凝土流動性具有很大的作用。P·O52.5R水泥在低水膠比條件下，在摻SBT-510超早強劑時，水化速度快，熟料礦物水化生成的Ca（OH）2快速促進礦粉和粉煤灰的活性激發(fā)，提高了混凝土的早期抗壓強度。

粉煤灰、礦粉的復摻不但增大了混凝土的流動度、改善新拌混凝土的工作性，而且還降低了生產(chǎn)成本，具有很好的技術經(jīng)濟性。

2.3 水膠比對混凝土性能的影響

選取2種水泥，以A組配合比為基準，分別在2種不同水膠比下進行平行重復試驗，測試坍落度與不同養(yǎng)護條件下混凝土的12 h抗壓強度，結(jié)果見表6。

表6 水膠比對混凝土性能的影響

從表6可見，2種水泥的結(jié)論一致：（1）水膠比為0.30～0.32時，均可配制出12 h抗壓強度達到15 MPa的混凝土；（2）在0.30左右的低水膠比情況下，水膠比的微小增減變化對混凝土流動性將產(chǎn)生放大效應；（3）混凝土成型時的環(huán)境溫度越高，對混凝土標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護、30℃蒸汽養(yǎng)護的抗壓強度均產(chǎn)生正向效應作用，即混凝土的成熟度越大。

在早強型聚羧酸高性能減水劑大摻量及低水灰比情況下，混凝土單位用水量的微小變化，引起其較大的工作性變化。若用水量偏小，則表現(xiàn)為混凝土干澀、趴底、板結(jié)等；若用水量稍大，則表現(xiàn)為混凝土泌水、離析等。在大摻量早強型聚羧酸高性能減水劑情況下，可使混凝土在0.31左右的低水膠比情況下，實現(xiàn)12 h抗壓強度達到15 MPa的超早強性。

2.4 混凝土攪拌方法的影響

傳統(tǒng)的混凝土攪拌方法是一次投料攪拌，即將原材料計量后一起投入攪拌機攪拌90～120 s。本試驗探索了一種混凝土攪拌的新方法——分級凈漿攪拌，以A3組配合比為基準，研究不同攪拌方法對混凝土性能的影響，結(jié)果見表7。

表7 攪拌方法對混凝土性能的影響

由表7可見，相同配合比時，采用分級凈漿攪拌的混凝土較采用一次投料攪拌的混凝土具有更大的流動性，12 h抗壓強度也有一定的提高。

采用一次投料攪拌時，由于砂、石骨料是干燥狀態(tài)，而且，砂石骨料本身具有一定的吸水性，當水、外加劑、水泥、骨料等一起投入攪拌機后，一部分水、外加劑不但很快將砂、石的表面濕潤，而且易被吸收到砂、石集料的內(nèi)部，減少了用于混凝土流動性的單位用水量、外加劑和有效水膠比，降低了外加劑的減水早強作用效果；而采用分級凈漿攪拌時，水、減水劑等與水泥、摻合料等一起攪拌，首先形成具有一定黏度的水泥凈漿，當水泥凈漿中再投入砂、石后，砂石表面被水泥凈漿包裹，由于水泥凈漿的黏度較大，砂、石骨料表面及內(nèi)部吸收水分和外加劑的速度就大大降低，用于混凝土流動性的單位用水量、外加劑和有效水膠比的降低程度就小，外加劑減水早強作用效果較一次投料攪拌好。關于分級凈漿攪拌方式更佳的原理有待進一步探討，但從本試驗結(jié)果及中鐵集團下屬公司的實際生產(chǎn)情況來看，采用分級凈漿攪拌具有較明顯的技術效果。

2.5 綜合配合比試驗

綜合分析外加劑、摻合料、水膠比等因素對混凝土工作性及早期強度的影響，確定試驗研究的最佳配合比為C3組配合比。為掌握混凝土后期強度的發(fā)展規(guī)律，以C3組配合比為基準進行了3批次試驗，測試了不同溫度下混凝土在不同齡期的抗壓強度。由于試驗是在春夏季期間進行，環(huán)境溫度變化很大，同時由于實驗室攪拌量有限，不同批次試驗的自然養(yǎng)護溫度差異較大。試驗結(jié)果見表8。

表8 綜合配合比早強混凝土試驗結(jié)果

由表8可見，在試驗條件下自然養(yǎng)護免蒸養(yǎng)混凝土的后期強度穩(wěn)定增長，不倒縮。

3 結(jié)論

（1）采用P·O52.5R水泥，雙摻3.0%的SBT-510超早強劑和1.5%的CSP-12早強型減水劑，具有較好的減水效果和早強效果，制備的混凝土在自然養(yǎng)護下12 h抗壓強度能滿足預制構(gòu)件脫模強度要求，可實現(xiàn)預制構(gòu)件免蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝。

（2）雙摻10%Ⅱ級粉煤灰和10%S95級礦粉，配制的混凝土不但可以使強度滿足預制構(gòu)件的脫模強度要求，且可有效改善新拌混凝土的工作性，減少水泥用量，降低生產(chǎn)成本。

（3）在環(huán)境溫度高于10℃時，制備12 h抗壓強度滿足預制構(gòu)件脫模起吊強度要求的免蒸養(yǎng)混凝土在技術上可行。但在冬季（環(huán)境溫度低于10℃）時，免蒸養(yǎng)混凝土的12 h抗壓強度要達到預制構(gòu)件脫模起吊強度要求，對外加劑和養(yǎng)護制度要求更高。

（4）采用混凝土分級凈漿攪拌法，不僅能改善新拌混凝土工作性能，還可降低坍落度損失、適當提高混凝土早期強度。