预制构件用超早强免蒸养混凝土的研制

崔嘉铭，蒋元海，黄发军，蓝豪杰，殷旭峰，程洪烨，骆可扬

（1.嘉兴学院 建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.宁波大学 土木工程与地理环境学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

随着建筑工业化水平的不断提高和国家对装配式建筑的大力推广，预制混凝土构件伴随着装配式施工方式大量应用于各类工程建设中。预制构件生产效率高、质量稳定，可缩短工期、降低建设成本。预制构件的工厂化生产中，为了缩短养护时间、加快模具周转、提高生产效率，PC工厂采用蒸汽养护工艺。蒸汽养护能快速提高混凝土的早期强度，达到预制构件脱模起吊的强度要求，从而加快模具周转，提高工厂效益。但蒸汽养护同样存在不足：一是需要蒸汽养护装置，如蒸汽锅炉、蒸汽养护窖等，额外增加了生产成本；二是产生蒸汽的过程中能耗较大，据不完全统计，预制混凝土管桩热养护消耗能源约折合标准煤50 kg/m3，而且燃煤蒸汽锅炉还存在废气排放问题[1]；三是蒸汽养护虽能加快水泥基胶凝材料的水化硬化反应进程，快速提高混凝土的早期强度，但对混凝土的耐久性能和脆性有不利影响。研究实践表明，蒸汽养护会对混凝土内部孔隙结构造成不利影响[2]，导致混凝土耐久性能劣于标准养护的混凝土。

鉴于预制构件蒸汽养护不符合绿色发展理念以及可能对混凝土性能潜在的不利影响，技术研究人员进行了超早强免蒸养混凝土的研究。国内外针对免蒸养混凝土及提高混凝土早期强度的研究多集中在早强剂和高效减水剂等外加剂技术方面。Schönlein和Plank[3]研究了聚羧酸减水剂（PCE）对混凝土早期强度的影响。姜骞等[4]、汪梁[5]研究了早强外加剂和养护温度对混凝土早期强度的影响。桂根生等[6]采用硅灰、高性能减水剂、超早强剂、保坍剂等掺和料及外加剂制备出C40早强免蒸养混凝土。此外，掺合料对混凝土早期强度也有一定影响，并能改善混凝土工作性能。Hayder等[7]研究了大掺量粉煤灰对预制构件混凝土的影响。高立等[8]研究了大掺量矿粉对C30混凝士早期、后期强度的影响。

为研制用于预制构件的免蒸养混凝土，使其工作性能可满足预制构件的生产作业要求、12 h抗压强度能满足预制构件脱模起吊要求，本文进行了混凝土配合比的优化试验，研究了超早强剂、早强型高效减水剂、粉煤灰、矿粉以及混凝土搅拌方式对混凝土工作性能及早期强度的影响，以确定合适的配合比来制备工作性能和强度均满足预制构件免蒸养生产技术要求的混凝土，以期实现预制构件免蒸养生产工艺。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：嘉善某水泥厂产P·O52.5R水泥，28 d抗压、抗折强度分别为56、10 MPa；潍坊某水泥厂产P·O52.5R水泥，28 d抗压、抗折强度分别为54、8 MPa。

（2）掺合料：Ⅱ级粉煤灰，主要物理性能见表1；S95级矿粉，玻璃体含量99.0%，碱含量0.56%，三氧化硫含量0.1%，主要技术性能见表2。

表1 粉煤灰的主要物理性能

表2 矿粉的主要技术性能

（3）骨料：细骨料为中砂，细度模数2.3；粗骨料由粒径为5～10 mm和10～25 mm的碎石按1∶2的质量比混合而成。

（4）外加剂：广东某公司产CSP-12早强型聚羧酸高效减水剂，密度（1.07±0.02）g/cm3，减水率≥25.0%，固含量（20.0±2.0）%；南京某公司产SBT-510超早强剂，主要成分为n-CS-H的纳米型新型外加剂，乳白色液体，含水量（87.5±2.0）%。

（5）水：自来水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求。

1.2 试验配合比

以浙江某预制构件厂生产PC构件的混凝土配合比为基础进行实验室试配，经筛选后，采用表3的配合比进行试验。

表3 混凝土试验配合比

1.3 试验方法

（1）流动性：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试验方法标准》进行测试。

（2）养护条件：标准养护、自然养护、30℃蒸汽养护等3种不同的养护方式，其中由于试验条件限制，试验为嘉兴市区3～6月期间，自然养护的环境温度为11～35℃，有较大的波动，相对湿度为（60.0±5.0）%；30℃蒸汽养护是考虑到冬季环境下，养护池中采用少量补充蒸汽的方式，相对湿度与标准养护相同，均控制在95%，以满足强度发展的需要。

（3）抗压强度：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

1.4 搅拌方法

选取相同配比，分别采用2种搅拌方法研究搅拌方法对混凝土性能的影响：（1）一次投料搅拌法：将胶凝材料、骨料、外加剂及水一次性投入搅拌机后搅拌2 min；（2）分级净浆搅拌法：将胶凝材料、外加剂及水投入搅拌机先搅拌55～60 s，然后投入粗、细骨料再搅拌55～60 s。

2 试验结果与讨论

2.1 外加剂对混凝土性能的影响

以C组配合比为基准，进行了多次不同外加剂掺量下的平行重复试验，测试坍落度及不同养护条件下混凝土的12 h抗压强度，并取较佳的4组进行对比，结果见表4。

表4 外加剂对混凝土性能的影响

由表4可见：（1）与未掺早强剂相比，掺SBT-510超早强剂后，混凝土12 h抗压强度提高均超过150%；（2）早强剂掺量不变的条件下，减水剂掺量为1.5%～2.0%时，混凝土早期强度和坍落度可以满足PC构件12 h脱模起吊及新拌混凝土工作性的要求；（3）减水剂掺量不变的条件下，早强剂掺量在2.5%～3.0%时，混凝土早期强度相近，坍落度则与早强剂掺量正相关；（4）3种不同养护方式下，双掺早强剂和减水剂时混凝土的早期强度和坍落度均可以满足PC构件12 h脱模起吊及工作性的要求；（5）养护温度越高，混凝土早期强度发展越快。

混凝土抗压强度与水泥的水化程度、混凝土的孔结构密切相关。混凝土内部的孔隙依孔径大小可分为凝胶孔（＜10 nm）、毛细孔（10 nm～5 μm）和大孔（＞5 μm）。以n-C-S-H纳米为主要成分的SBT-510超早强剂对混凝土早期强度有明显的促进作用。在水泥基材料水化初期，掺入纳米型n-C-S-H早强剂后，其诱导生成的水化产物C-S-H凝胶不仅在熟料矿物表面成核生长，还在n-C-S-H表面成核生长，水泥基材料内部化学结合水含量快速增加，硅酸盐聚合反应加快，从而大大加速熟料矿物的水化速度，提高混凝土的强度。

2.2 胶凝材料对混凝土性能的影响

以水胶比0.31、减水剂掺量2.5%、早强剂掺量4.0%为基准，筛选出掺合料不同掺量的4组配合比进行平行重复试验，测试坍落度及不同养护条件下混凝土的12 h抗压强度，结果见表5。

表5 胶凝材料对混凝土性能的影响

由表5可见：（1）环境温度20℃以上，掺CSP-12早强型减水剂及SBT-510超早强剂情况下，混凝土的12 h抗压强度均超过15 MPa；（2）掺10%粉煤灰混凝土可达到15 MPa的早强要求，同时还大大提高新拌混凝土的流动性，改善了混凝土的工作性。

在粉煤灰材料的细微结构中，具有大量的、圆球状的细小微珠，这些微珠掺加到混凝土中，不但具有一定的减水作用，还可以起到很好的微集料滚珠效应以及火山灰效应，对改善混凝土流动性具有很大的作用。P·O52.5R水泥在低水胶比条件下，在掺SBT-510超早强剂时，水化速度快，熟料矿物水化生成的Ca（OH）2快速促进矿粉和粉煤灰的活性激发，提高了混凝土的早期抗压强度。

粉煤灰、矿粉的复掺不但增大了混凝土的流动度、改善新拌混凝土的工作性，而且还降低了生产成本，具有很好的技术经济性。

2.3 水胶比对混凝土性能的影响

选取2种水泥，以A组配合比为基准，分别在2种不同水胶比下进行平行重复试验，测试坍落度与不同养护条件下混凝土的12 h抗压强度，结果见表6。

表6 水胶比对混凝土性能的影响

从表6可见，2种水泥的结论一致：（1）水胶比为0.30～0.32时，均可配制出12 h抗压强度达到15 MPa的混凝土；（2）在0.30左右的低水胶比情况下，水胶比的微小增减变化对混凝土流动性将产生放大效应；（3）混凝土成型时的环境温度越高，对混凝土标准养护、自然养护、30℃蒸汽养护的抗压强度均产生正向效应作用，即混凝土的成熟度越大。

在早强型聚羧酸高性能减水剂大掺量及低水灰比情况下，混凝土单位用水量的微小变化，引起其较大的工作性变化。若用水量偏小，则表现为混凝土干涩、趴底、板结等；若用水量稍大，则表现为混凝土泌水、离析等。在大掺量早强型聚羧酸高性能减水剂情况下，可使混凝土在0.31左右的低水胶比情况下，实现12 h抗压强度达到15 MPa的超早强性。

2.4 混凝土搅拌方法的影响

传统的混凝土搅拌方法是一次投料搅拌，即将原材料计量后一起投入搅拌机搅拌90～120 s。本试验探索了一种混凝土搅拌的新方法——分级净浆搅拌，以A3组配合比为基准，研究不同搅拌方法对混凝土性能的影响，结果见表7。

表7 搅拌方法对混凝土性能的影响

由表7可见，相同配合比时，采用分级净浆搅拌的混凝土较采用一次投料搅拌的混凝土具有更大的流动性，12 h抗压强度也有一定的提高。

采用一次投料搅拌时，由于砂、石骨料是干燥状态，而且，砂石骨料本身具有一定的吸水性，当水、外加剂、水泥、骨料等一起投入搅拌机后，一部分水、外加剂不但很快将砂、石的表面湿润，而且易被吸收到砂、石集料的内部，减少了用于混凝土流动性的单位用水量、外加剂和有效水胶比，降低了外加剂的减水早强作用效果；而采用分级净浆搅拌时，水、减水剂等与水泥、掺合料等一起搅拌，首先形成具有一定黏度的水泥净浆，当水泥净浆中再投入砂、石后，砂石表面被水泥净浆包裹，由于水泥净浆的黏度较大，砂、石骨料表面及内部吸收水分和外加剂的速度就大大降低，用于混凝土流动性的单位用水量、外加剂和有效水胶比的降低程度就小，外加剂减水早强作用效果较一次投料搅拌好。关于分级净浆搅拌方式更佳的原理有待进一步探讨，但从本试验结果及中铁集团下属公司的实际生产情况来看，采用分级净浆搅拌具有较明显的技术效果。

2.5 综合配合比试验

综合分析外加剂、掺合料、水胶比等因素对混凝土工作性及早期强度的影响，确定试验研究的最佳配合比为C3组配合比。为掌握混凝土后期强度的发展规律，以C3组配合比为基准进行了3批次试验，测试了不同温度下混凝土在不同龄期的抗压强度。由于试验是在春夏季期间进行，环境温度变化很大，同时由于实验室搅拌量有限，不同批次试验的自然养护温度差异较大。试验结果见表8。

表8 综合配合比早强混凝土试验结果

由表8可见，在试验条件下自然养护免蒸养混凝土的后期强度稳定增长，不倒缩。

3 结论

（1）采用P·O52.5R水泥，双掺3.0%的SBT-510超早强剂和1.5%的CSP-12早强型减水剂，具有较好的减水效果和早强效果，制备的混凝土在自然养护下12 h抗压强度能满足预制构件脱模强度要求，可实现预制构件免蒸养生产工艺。

（2）双掺10%Ⅱ级粉煤灰和10%S95级矿粉，配制的混凝土不但可以使强度满足预制构件的脱模强度要求，且可有效改善新拌混凝土的工作性，减少水泥用量，降低生产成本。

（3）在环境温度高于10℃时，制备12 h抗压强度满足预制构件脱模起吊强度要求的免蒸养混凝土在技术上可行。但在冬季（环境温度低于10℃）时，免蒸养混凝土的12 h抗压强度要达到预制构件脱模起吊强度要求，对外加剂和养护制度要求更高。

（4）采用混凝土分级净浆搅拌法，不仅能改善新拌混凝土工作性能，还可降低坍落度损失、适当提高混凝土早期强度。