裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)材料性能提升研究

【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(duì)北方冬季預(yù)制構(gòu)件工廠生產(chǎn)工藝存在脫模周期長(zhǎng)、蒸養(yǎng)能耗高等共性問(wèn)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(lèi)號(hào)】TU756" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】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(duì)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(guò)程中，考慮生產(chǎn)周期及模具周轉(zhuǎn)重復(fù)使用的因素，對(duì)預(yù)制構(gòu)件所用的混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)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(guò)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(guò)程中，但仍有各自的問(wèn)題：在常溫常壓環(huán)境下，通常需要超過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(kāi)裂及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降等問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，并且還帶來(lái)了更多的能源消耗和設(shè)備投資。

鑒于此，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員進(jìn)行了針對(duì)混凝土早強(qiáng)免蒸養(yǎng)的研究，其研究主要集中在對(duì)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(guò)程中，早強(qiáng)型外加劑和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)長(zhǎng)、蒸汽養(yǎng)護(hù)能耗增加等問(wèn)題，必須尋找優(yōu)化策略來(lái)提高預(yù)制混凝土部件生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)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(wú)需振搗、無(wú)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(duì)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(píng)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(guò)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(píng)價(jià)為第三階段，從模具脫落到硬化體的過(guò)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(mǎn)足并且精確管理了材料性能的變化，才能對(duì)第三階段的物理力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)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(guò)程中加入水有以下作用：一是確保水泥水化過(guò)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(guò)這個(gè)基本要求，即達(dá)到足夠高的含水率來(lái)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(guò)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(duì)于某一確定的水泥漿來(lái)說(shuō)，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(wèn)題。為了解決漿體離析的問(wèn)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(guò)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(duì)應(yīng)的材料制備技術(shù)，具體的技術(shù)流程見(jiàn)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(zhǎng)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(jiàn)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(guò)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(méi)有使用蒸汽來(lái)加溫，也能確保在保持強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程中所需的高流態(tài)工藝對(duì)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(duì)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(mǎn)足漿體擁有良好的流動(dòng)性要求，通過(guò)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(lái)研究對(duì)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(mǎn)足高流態(tài)工作性能。

（2）調(diào)凝組分的添加，不僅能夠延長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)魚(yú)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(guò)程中需要研究的重點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)添加納米組分（硅灰）和微米組分（二氧化硅球），對(duì)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(wú)需振搗能夠快速成型。

3.2.1 硅灰對(duì)黏度值的影響

在水膠比0.29下，硅灰對(duì)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(mǎn)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(duì)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(duì)應(yīng)8小時(shí)強(qiáng)度約為3MPa、6MPa、8MPa、9MPa、10MPa和14MPa，較沒(méi)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(duì)C60強(qiáng)度等級(jí)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(píng)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(jí)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(jí)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(guó)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(guò)對(duì)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(duì)比，設(shè)計(jì)出15組不同配合比組合，具體配合比見(jiàn)表1。

設(shè)定了三個(gè)不同類(lèi)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(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)處理，以區(qū)別于A0、O和O1的無(wú)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(shì)，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(zhǎng)超過(guò)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(yǔ)

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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)別的剪力墻用HPPC型混凝土，這種類(lèi)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(wú)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(duì)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(wú)需振搗、無(wú)需蒸養(yǎng)、早強(qiáng)高且耐久的制備方法。

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[作者簡(jiǎn)介]王德恒（1979—），男，高級(jí)工程師，研究方向：裝配式建筑。