【摘要】文中基于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中材料的設(shè)計(jì)、成型、養(yǎng)護(hù)、性能等特征，針對北方冬季預(yù)制構(gòu)件工廠生產(chǎn)工藝存在脫模周期長、蒸養(yǎng)能耗高等共性問題，系統(tǒng)研究了混凝土骨料體系中毫/厘尺度的緊密堆積規(guī)律、膠凝材料納/微尺度水泥水化影響機(jī)制與強(qiáng)度形成規(guī)律，建立了預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)形成的經(jīng)時(shí)模型，采用納微結(jié)構(gòu)和早強(qiáng)型礦物重組的材料設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中免振搗、免蒸養(yǎng)、早強(qiáng)高耐久的綠色制備，提出了一系列預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工藝效能優(yōu)化的生產(chǎn)方案。

【關(guān)鍵詞】高性能預(yù)制混凝土；裝配式建筑；預(yù)制構(gòu)件

【中圖分類號】TU756" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2024）02-0017-05

0 引言

作為裝配式建筑的部品部件，預(yù)制構(gòu)件提前由工廠進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)所用的材料性能對預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率、成品質(zhì)量、生產(chǎn)能耗起決定性作用。預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)過程中，考慮生產(chǎn)周期及模具周轉(zhuǎn)重復(fù)使用的因素，對預(yù)制構(gòu)件所用的混凝土早期強(qiáng)度增長有極高的要求[1]?，F(xiàn)階段，通常使用的提高混凝土早期強(qiáng)度的方法是進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，預(yù)制構(gòu)件在養(yǎng)護(hù)窯中，通過輸送水蒸氣進(jìn)行加熱，促使混凝土中的水泥水化反應(yīng)加快，短時(shí)間內(nèi)提升混凝土的早期強(qiáng)度。

盡管現(xiàn)有的常溫常壓與蒸汽養(yǎng)護(hù)方法被廣泛應(yīng)用于預(yù)制混凝土構(gòu)件制造過程中，但仍有各自的問題：在常溫常壓環(huán)境下，通常需要超過24小時(shí)才能完成預(yù)制構(gòu)件從模板中的分離，這導(dǎo)致了模具長時(shí)間使用，降低了周轉(zhuǎn)率，從而增加了生產(chǎn)成本；使用蒸汽或蒸壓來加速硬化速度的方法，雖然可以迅速使其達(dá)到所需硬度，但是由于溫度的變化，混凝土構(gòu)件細(xì)小裂痕、大面積開裂及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降等問題也隨之出現(xiàn)，并且還帶來了更多的能源消耗和設(shè)備投資。

鑒于此，國內(nèi)外技術(shù)人員進(jìn)行了針對混凝土早強(qiáng)免蒸養(yǎng)的研究，其研究主要集中在對預(yù)制混凝土添加早強(qiáng)劑、減水劑等技術(shù)方面。學(xué)者Sch?nlein等研究了在混凝土中添加聚羧酸減水劑（PCE）并研究其早期強(qiáng)度[2]。學(xué)者姜騫等研究了在混凝土生產(chǎn)過程中，早強(qiáng)型外加劑和養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土早期強(qiáng)度的影響[3]。學(xué)者Hayder等研究了在混凝土中添加粉煤灰對其強(qiáng)度的影響[4]。學(xué)者高立等研究了在混凝土中添加礦粉對其早期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度的影響[5]。

為解決現(xiàn)有預(yù)制混凝土部件制作如脫模時(shí)間過長、蒸汽養(yǎng)護(hù)能耗增加等問題，必須尋找優(yōu)化策略來提高預(yù)制混凝土部件生產(chǎn)效率，滿足市場對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部件的需求，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件無需振搗、無需蒸汽蒸養(yǎng)、早期強(qiáng)度高且耐久的要求[6]?；诰o密堆積、納微效應(yīng)和早強(qiáng)礦物重組的原理，提出了高性能預(yù)制混凝土HPPC（High-performance precast concrete）的設(shè)計(jì)原則與方法。

1 HPPC設(shè)計(jì)思路

1.1 HPPC模型設(shè)計(jì)

針對預(yù)制構(gòu)件中的材質(zhì)特性及其在預(yù)制混凝土技術(shù)上的重難點(diǎn)，進(jìn)行了全面水泥水化進(jìn)程研究并構(gòu)建了三階段的時(shí)間序列模型：高流態(tài)成型－快速脫模－性能評價(jià)，該模型如圖1所示。

在第一階段，由各種物料加水拌合到混凝土制品達(dá)到初步凝固，漿體材料能夠達(dá)到高流態(tài)、自密實(shí)、均質(zhì)和抗離析的特性，以解決高流態(tài)與高穩(wěn)定性之間的沖突。

在第二階段，由混凝土制品初步凝固到混凝土制品強(qiáng)度達(dá)到脫模強(qiáng)度，本階段水泥漿體由高流態(tài)轉(zhuǎn)變到初步凝固，完成結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變，再經(jīng)歷強(qiáng)度提升，達(dá)到脫模強(qiáng)度的臨界值。本過程中需要解決漿體的高流態(tài)與凝固強(qiáng)度之間的沖突。

性能評價(jià)為第三階段，從模具脫落到硬化體的過程遵循虎克定律，這個(gè)階段是水泥漿凝固和硬化的階段，并形成了強(qiáng)度。

只有在前兩個(gè)階段的材料特性被充分滿足并且精確管理了材料性能的變化，才能對第三階段的物理力學(xué)性能進(jìn)行評估，最終實(shí)現(xiàn)HPPC的制備。

1.2 HPPC材料設(shè)計(jì)

1.2.1 低水膠比設(shè)計(jì)

水膠比是影響水泥混凝土性能最重要因素之一。在水泥拌合的過程中加入水有以下作用：一是確保水泥水化過程有效進(jìn)行，二是確保水泥具有足夠的流動(dòng)性[7]。然而，實(shí)際操作中往往超過這個(gè)基本要求，即達(dá)到足夠高的含水率來保障施工時(shí)的順暢程度及方便運(yùn)輸、灌注等環(huán)節(jié)的需求。這部分額外的用水可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象，尤其是在運(yùn)載的過程中或是放置一段時(shí)間之后更為明顯。這時(shí)多余的水會(huì)滲到混凝土表面或聚集在集料或鋼筋的下表面。隨著時(shí)間推移，它們有可能被空氣吸收而造成硬化后的外殼變得脆弱易碎，甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫的情況。對于某一確定的水泥漿來說，應(yīng)該有一個(gè)適當(dāng)?shù)募铀秶?。在這個(gè)范圍內(nèi)，水泥漿能夠形成凝聚結(jié)構(gòu)。

1.2.2 骨料的毫厘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土漿體的本質(zhì)是一個(gè)由多種粒子組成的多層次且非統(tǒng)一的物質(zhì)，這些粒子以其物理與化學(xué)反應(yīng)方式相互連接并構(gòu)成了一個(gè)完整體系。然而，由于其中各粒子大小不同，導(dǎo)致它們分布不均衡及形態(tài)不規(guī)律，這可能引發(fā)漿體分離問題。為了解決漿體離析的問題，需要在微觀上實(shí)現(xiàn)最緊密堆積，使用更小尺度的膠凝材料填充空隙，提升漿體的黏稠度，減少離析現(xiàn)象發(fā)生。

1.2.3 膠凝材料的納微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠凝材料作為水泥混凝土的重要組成部分，它能有效填補(bǔ)大顆粒間的空隙，減少其孔隙率，從而優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)。實(shí)際水泥粉體顆粒的粒徑分布是不均勻的，因此在水泥中添加礦物摻合料（硅灰和二氧化硅球）能夠?qū)崿F(xiàn)粒徑的連續(xù)分布，即各種粒徑的顆粒都可能存在。

1.2.4 早強(qiáng)礦物重組設(shè)計(jì)

普通硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)過程主要由以下四種礦物質(zhì)進(jìn)行水化反應(yīng)，按照水化速率的先后為鋁酸三鈣、硅酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硅酸二鈣。但主要的水化反應(yīng)以硅酸三鈣和硅酸二鈣為主[8]，兩者在混凝土凝固后期才對強(qiáng)度起決定性作用，前期強(qiáng)度幾乎為零，尤其是24小時(shí)之內(nèi)。為了使其早期獲得足夠的強(qiáng)度，現(xiàn)在普遍做法是添加早強(qiáng)型礦物外加劑，常見的早強(qiáng)型礦物外加劑為硫鋁酸鹽。

2 HPPC材料體系制備技術(shù)

對于先前提出的三階模型和各個(gè)階段所需的材料特性，提出了相應(yīng)的HPPC制備關(guān)鍵技術(shù)。主要包括漿體高流態(tài)成型階段和快速脫模階段相對應(yīng)的材料制備技術(shù)，具體的技術(shù)流程見圖2。

（1）高流態(tài)調(diào)凝制備技術(shù)。高流態(tài)成型階段，漿體的流動(dòng)性應(yīng)該是穩(wěn)定且高的，包括具有低黏度、良好流動(dòng)性、長流動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)等特點(diǎn)，如圖3所示。

（2）抗離析性能制備技術(shù)。高流態(tài)成型階段，漿體不僅要具備高流動(dòng)性能，還需要有高穩(wěn)定性。在材料中添加納微組分進(jìn)行物理調(diào)黏，可以提升材料漿體的抗離析能力，同時(shí)保證其高流動(dòng)性能并確保其穩(wěn)定傳輸[9]。相關(guān)技術(shù)流程見圖4。

（3）早強(qiáng)性能制備技術(shù)。水泥漿體由高流態(tài)轉(zhuǎn)變到初步凝固，完成結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變，再經(jīng)歷強(qiáng)度提升，達(dá)到脫模強(qiáng)度的臨界值。為了能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成該過程，關(guān)鍵在于短時(shí)間內(nèi)完成水化反應(yīng)，由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為凝固狀態(tài)，以符合預(yù)制構(gòu)件所需的高效脫模和早期強(qiáng)度的需求[3]。即使沒有使用蒸汽來加溫，也能確保在保持強(qiáng)度持續(xù)增長的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對重要材料早期強(qiáng)度的保障，具體的技術(shù)步驟如圖5所示。

3 HPPC高流態(tài)成型階段的關(guān)鍵技術(shù)

水泥漿體的流態(tài)能有效反映其工作性能，PC預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中所需的高流態(tài)工藝對材料漿體有較高的要求。

3.1 流態(tài)調(diào)控

通常將凝結(jié)時(shí)間作為衡量漿體是否具有可操作性的重要依據(jù)，但根據(jù)預(yù)制構(gòu)件對漿體流態(tài)工作性能要求，凝結(jié)時(shí)間不能作為其單一的性能指標(biāo)，在漿體不能失去可塑性的條件下，還需保證具有較好的流動(dòng)狀態(tài)[10]。

為了滿足漿體擁有良好的流動(dòng)性要求，通過在生產(chǎn)材料中添加不同表面組分以及相同表面組分不同添加量來研究對漿體流動(dòng)性的影響規(guī)律。結(jié)論如下：

（1）超塑化組分的添加，能有效改善漿體的流動(dòng)性，使其滿足高流態(tài)工作性能。

（2）調(diào)凝組分的添加，不僅能夠延長水泥漿體水化凝結(jié)時(shí)間，而且能夠保證水泥漿體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)間。

（3）復(fù)合表面改性組分的添加，不僅延長了水泥漿體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)間，同時(shí)也提高了水泥漿體的流動(dòng)性能。

3.2 黏度調(diào)控

在本階段，漿體除了需要擁有高流態(tài)工作性能，還需要擁有穩(wěn)定的傳輸性，混凝土漿體能夠在一段時(shí)間內(nèi)保持流動(dòng)狀態(tài)不凝固，用于通過魚雷罐等工具運(yùn)輸?shù)綕仓课?，這也是預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中需要研究的重點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)通過添加納米組分（硅灰）和微米組分（二氧化硅球），對混凝土漿體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，目的是實(shí)現(xiàn)預(yù)制混凝土構(gòu)件無需振搗能夠快速成型。

3.2.1 硅灰對黏度值的影響

在水膠比0.29下，硅灰對漿體黏度的影響如圖6所示。隨著硅灰添加量的改變，漿體黏度值也隨之改變。當(dāng)硅灰摻量小于15%時(shí)，漿體黏度緩慢提升，由1 Pa·s提升至3.5Pa·s，當(dāng)硅灰摻量大于15%時(shí)，漿體黏度迅速提升至9.5Pa·s。

3.2.2 硅球?qū)︷ざ戎档挠绊?/p>

硅球?qū)λ酀{黏度的影響與硅灰成反比，如圖7所示。隨著硅球摻量的增加，水泥漿體黏度逐漸減小。在硅球摻量lt;30%下，水泥漿體的黏度從1.15Pa·s減小到接近0.95Pa·s。

4 HPPC快速脫模階段的關(guān)鍵技術(shù)

為使預(yù)制構(gòu)件早期強(qiáng)度快速提升，滿足脫模強(qiáng)度要求，本實(shí)驗(yàn)研究了硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物外加劑對水泥漿體強(qiáng)度性能的影響規(guī)律。以下是主要結(jié)論：

（1）硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物可以有效減少水泥漿體的硬化時(shí)間。在相同條件情況下，隨著硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物的添加，水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間由300分鐘縮短至25分鐘。

（2）硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物可以有效提高混凝土的強(qiáng)度。以水泥基材料8小時(shí)強(qiáng)度為例，當(dāng)摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%和30%時(shí)，對應(yīng)8小時(shí)強(qiáng)度約為3MPa、6MPa、8MPa、9MPa、10MPa和14MPa，較沒有添加的水泥基材料有明顯強(qiáng)度提升。

5 HPPC的工程應(yīng)用

本項(xiàng)目以實(shí)際工程項(xiàng)目為應(yīng)用，生產(chǎn)的混凝土預(yù)制構(gòu)件主要包括預(yù)制疊合樓板、預(yù)制樓梯、剪力墻等，如圖8所示。對C60強(qiáng)度等級配合比進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行高性能預(yù)制混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能評價(jià)。

5.1 原材料

（1）普通硅酸鹽水泥（OPC）。

（2）硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物（CAS）。

（3）硅灰（SF）。

（4）粉煤灰（ASH）：符合GB/T 1596─2017中Ⅰ級粉煤灰用于拌制砂漿和混凝土中的理化性能要求。

（5）骨料：細(xì)骨料采用的砂（QS）為模數(shù)等級為2.7的中砂。

（6）外加劑：超塑化劑采用中建普通聚羧酸塑化劑（PC），固含為12.5%。低黏度型減水率較高的聚羧酸塑化劑（PCE-4），固含為40%。PCE分子為主鏈帶有-COOH（羧基）的梳狀結(jié)構(gòu)。上述超塑化組分均不含有緩凝等其他成分。緩釋組分選用國藥集團(tuán)的硼砂（B）。

5.2 混凝土配合比

基于前期實(shí)驗(yàn)，結(jié)合HPPC在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，通過對預(yù)制剪力墻構(gòu)件C60混凝土強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并以普通C60混凝土作為參照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，設(shè)計(jì)出15組不同配合比組合，具體配合比見表1。

設(shè)定了三個(gè)不同類型的水膠比（W/B）：A0z、A0、A1、A2、A3和A4的水膠比設(shè)定為0.26；Oz、O、O1z、O1和O2f以及B0、B1和B2的水膠比設(shè)置為0.29；而C0則采用0.32的水膠比。A0z、Oz和O1z樣本需經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)處理，以區(qū)別于A0、O和O1的無需蒸汽養(yǎng)護(hù)的情況，其他樣本均采取自然通風(fēng)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5.3 混凝土工作性能

根據(jù)表2所示的C60混凝土工作特性，可以看到，高性能預(yù)制混凝土C60具有良好的流動(dòng)性和可塑性，其塌陷范圍介于230～250mm之間，延伸程度為550～700mm，這比對照樣本表現(xiàn)得更好。

5.4 力學(xué)性能的影響因素

根據(jù)GBJ81─1985標(biāo)準(zhǔn)對水泥材料進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行抗拉壓強(qiáng)度，選取試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，空氣溫度為冬季5～15℃ ，高性能混凝土及常規(guī)混凝土的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著差異。C60混凝土抗壓強(qiáng)度見表3。

5.4.1 水膠比的影響

從表3可以看出，當(dāng)水膠比降低時(shí)，各時(shí)間段的強(qiáng)度均呈現(xiàn)出上升趨勢，明顯加強(qiáng)。當(dāng)水膠比從0.32下降至0.29再進(jìn)一步至0.26后，8小時(shí)后的強(qiáng)度分別提升了0MPa、1.56MPa和2.66MPa；而24小時(shí)內(nèi)，強(qiáng)度增長超過了10MPa；3天內(nèi)的強(qiáng)度增幅達(dá)到了35MPa以上；而在7天內(nèi)，強(qiáng)度又增加了大約30MPa，到了28天，強(qiáng)度則再次提升了20MPa左右。這表明，在較低的水膠比（低于0.29）時(shí)，水泥混凝土的強(qiáng)度有顯著增強(qiáng)。由此，選擇小于0.30的低水膠比。

5.4.2 早強(qiáng)礦物的影響

從圖9可以看出，樣品的強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加而增加。硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物CAS的添加會(huì)使得樣品的早期強(qiáng)度明顯提高，且最佳CAS的摻量為10%。

6 結(jié)語

本文提出了一系列預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工藝效能優(yōu)化生產(chǎn)方案，并且這些預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工藝效能優(yōu)化生產(chǎn)方案在預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)的工業(yè)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。主要研究結(jié)果如下：

（1）提出了三階段的時(shí)間序列模型：高流態(tài)成型－快速脫模－性能評價(jià)。

（2）系統(tǒng)研究了不同表面改性組分及其摻量等因素對漿體流變性能的影響規(guī)律。揭示了復(fù)合表面改性組分對水泥基材料漿體流變性能的影響機(jī)制。系統(tǒng)研究了硫鋁酸鹽早強(qiáng)型礦物摻量對水泥漿體性能的影響和變化規(guī)律。

（3）HPPC實(shí)際工程應(yīng)用。在溫度范圍為5～15℃的冬季，在預(yù)制構(gòu)件工廠里制造出C60級別的剪力墻用HPPC型混凝土，這種類型混凝土擁有更優(yōu)越的工作特性，其坍落度：230～250mm，擴(kuò)展度：550～700 mm。同時(shí)它還具備早期硬化特質(zhì)，無需加熱養(yǎng)護(hù)下，8小時(shí)強(qiáng)度由普通混凝土的0MPa增加到2.75MPa，一天內(nèi)達(dá)到普通混凝土蒸養(yǎng)8小時(shí)的15.84MPa脫模強(qiáng)度。

因此，優(yōu)化預(yù)制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)工藝，對于推動(dòng)高性能預(yù)制構(gòu)件關(guān)鍵材料的研發(fā)、提升預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率和減少能源消耗具有深遠(yuǎn)影響，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制構(gòu)件無需振搗、無需蒸養(yǎng)、早強(qiáng)高且耐久的制備方法。

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[作者簡介]王德恒（1979—），男，高級工程師，研究方向：裝配式建筑。