水泥:南方水泥厂P·II52.5水泥;细骨料:细度模数2.7的河砂;粗骨料:5~25mm连续级配碎石;矿物掺和料:非晶质铝酸钙型矿物掺和料;外加剂:萘系减水剂, VIVID500F型聚羧酸减水剂 (固含量20%) , 3301型聚羧酸减水剂 (固含量20%) , VIVID300 (CN) 晶核型早强剂 (固含量80%) , 酒石酸缓凝剂。其中, 晶核型早强剂基本性能如表1所示, 非晶质铝酸钙系矿物掺和料基本性能如表2所示。

通过加入晶核型早强剂、非晶质铝酸钙型矿物掺和料的方式, 提高低温自然养护条件下预制构件混凝土的早期强度, 实现冬季混凝土预制构件的免蒸养, 达到预制构件的低能耗生产目标。为确保冬季免蒸养条件下预制构件质量, 保证混凝土的拌合物及力学性能满足设计与生产要求, 对预制构件混凝土的性能要求如表3所示。

本试验以常规的C35预制构件混凝土配合比为基准, 研究晶核型早强剂、非晶质铝酸钙型矿物掺和料两种低能耗生产技术路线对预制构件混凝土性能的影响。其中, 混凝土拌合物性能测试指标包括坍落度、30min坍落度损失及凝结时间, 测试方法参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》;力学性能测试指标包括10℃养护抗压强度 (16h, 1d) 和标准养护抗压强度 (16h, 1d, 7d, 28d) , 测试方法参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》;耐久性能测试指标包括电通量、干燥收缩、碳化深度及抗冻融性能, 测试方法参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。试验配合比如表4所示。

本试验测定10℃与标准养护条件下早强剂掺量为0, 1%, 3%, 5%时混凝土不同龄期的抗压强度, 如图1所示。在标准养护条件下, 早强剂在显著提升混凝土早期强度的同时, 对后期强度也有一定的提升效果。相比于基准混凝土, 养护时间为16h的试验组混凝土强度提高75%。

当养护温度为10℃, 混凝土强度随着早强剂掺量的增加而上升, 当早强剂掺量为5%时, 16h混凝土强度较基准组提高99%, 以上2组数据表明VIVID300晶核型早强剂对混凝土早期强度有明显促进作用, 其中低温下的促进作用更加明显。

通过对试验结果中的强度数据进行选择, A1-3组在10℃条件下养护16h时抗压强度为18.6MPa, 大于脱模强度 (15MPa) , 因此选择A1-3组为本路线优选配合比。

非晶质铝酸钙型矿物掺和料会大幅度缩短混凝土凝结时间, 本试验掺加酒石酸作为缓凝剂。试验结果表明, 在不掺加酒石酸的情况下, 试件在成型结束15min时即发生初凝, 且放热明显;当酒石酸掺量为胶凝材料用量的0.2%时, 初凝时间延长30min, 且初凝与终凝时间间隔很短;当酒石酸掺量为胶凝材料用量的0.3%时, 胶凝材料终凝时间与无矿物掺和料的样品比较接近, 且试件无明显放热现象;当掺量≥0.4%时, 凝结时间>8h。考虑对工作性能的影响, 确定酒石酸掺量为胶凝材料质量的0.3% (见图2) 。

与基准试件相比, 掺入10%的非晶质铝酸钙型矿物掺和料的试块3d抗压强度提高16%, 即非晶质铝酸钙型矿物掺和料的早强性能并不明显。但2h时便已形成强度, 将强度形成时间大幅度提前。

在基准混凝土配合比及前期试验的基础上, 调整水泥、早强组分、缓凝剂用量, 进行配合比优化试验, 以确定非晶质铝酸钙型矿物掺和料混凝土配合比, 最终得到满足要求的配合比 (见表5) 。

B1-1组混凝土30min前便已完全硬化, 不符合实际作业要求。与B1-1组相比, B1-2组凝结时间明显变长, 初凝之前工作性能良好。低温和标准养护条件下各龄期混凝土抗压强度均有降低, 10℃下养护时间为16h时试件抗压强度下降24%, 标准养护条件下, 养护时间为16h, 28d时试件抗压强度分别下降31%, 3%。对比B1-1组和B1-2组, 酒石酸缓凝效果明显, 对混凝土的早期强度影响很大, 对28d强度基本无影响。分析以上结果可得, B1-2组各项性能指标满足C35混凝土配合比设计要求, 同时满足16h拆模强度要求, 确定本技术路线最终配合比为B1-2组 (见图3) 。

总结两种技术路线混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能对比如表6, 7所示。

1) 工作性能 在试验过程中发现, 晶核型早强剂的使用会使新拌混凝土坍落度损失偏大, 使用保坍型减水剂能够有效保持混凝土的经时坍落度, 使之拥有更好的工作性能。对于非晶质铝酸钙型矿物掺和料而言, 通过加入酒石酸进行缓凝, 可以保证30min内坍落度不变, 凝结时间延长到接近4h。与晶核型早强剂不同的是, 掺加非晶质铝酸钙型矿物掺和料的新拌混凝土在接近初凝时凝结速度陡然上升, 初凝与终凝间隔较短。

2) 力学性能 随着晶核型早强剂掺量的增加, 混凝土早期抗压强度逐渐提升。早强剂掺量为胶凝材料总量的5%时, 10℃条件下16h混凝土强度相比于基准混凝土提高96%;标准养护条件下, 16h强度相比于基准混凝土提高52%;与此同时, 7d, 28d抗压强度变化不大。非晶质铝酸钙型矿物掺和料掺量为胶凝材料总量的10%时, 10℃条件下16h混凝土强度相比于基准混凝土提高59%;标准养护条件下, 16h和28d强度相比于基准混凝土分别提高22%和27%。一方面, 该矿物掺和料可大幅度提高混凝土在低温条件下的超早期强度;另一方面, 1~28d抗压强度均有明显上升。两种技术路线均能在低温条件下满足16h拆模强度>15MPa。

3) 耐久性 2种低能耗高性能预制构件混凝土电通量、干缩、碳化以及抗冻性能和基准混凝土基本一致。

VIVID300 (CN) 晶核型早强剂是一种通过促进水泥水化反应而提高混凝土早期强度的外加剂。它是一种无机与有机复合的纳米颗粒, 作为反应中心诱发水泥水化形成C—S—H凝胶, 降低水泥水化反应活化能, 提高水化反应速率, 进而促进早期强度快速发展。晶核型早强剂使C—S—H凝胶与钙矾石、氢氧化钙等其他水化产物的搭接更加紧密, 在常温或低温养护温度下均可大幅度提高混凝土早期强度。

非晶质铝酸钙由于内部质点呈无规则排列, 没有一定的几何外形, 水化活性更高。作为掺和料用于混凝土时, 非晶质铝酸钙中12Ca O·7Al₂O₃与水泥中的Ca SO₄及Ca (OH) ₂和水快速反应生成钙矾石。由此, 大幅度缩短凝结时间, 提高1d内抗压强度, 降低干燥收缩。化学反应理论式如下:

对比优化前后混凝土生产成本, 为低能耗高性能预制构件的推广应用提供参考。根据表6中的配合比, 2种技术路线的低能耗高性能混凝土和普通混凝土的经济成本分析如表8所示。

对上海地区的装配式建筑混凝土预制构件单位产品能源消耗限额调查显示, 上海地区约有50%的企业全年都采用蒸汽养护, 其余企业在冬季月份也会采用蒸汽养护。按照蒸养工艺环节能耗限定值43.0kgce/m³, 其他工艺环节按6.2kgce/m³计算, 如果使用免蒸养技术, 能耗可降低约85%, 大大降低能源消耗。采用晶核型早强剂混凝土比基准混凝土生产成本降低10.8元/m³, 若以年产量6 000m³计算, 每年还可节约原材料成本6.5万元。

另外, 免除蒸养环节还简化生产工艺, 使产品质量更加稳定可控。与此同时, 构件生产免蒸养还有利于引导整个建筑行业向低能耗发展, 为完成“十三五”新一轮节能降耗目标做出贡献。

1) 在基准预制构件生产配合比基础上, 为达到冬季低温条件下免蒸养, 尝试2种早强路线。结果显示, 晶核型早强剂掺量在5%, 非晶质铝酸钙型矿物掺和料用量在10%, 各性能均满足预制构件混凝土配合比设计要求, 且低温条件下早期强度均满足16h拆模强度>15MPa。

2) 2种早强剂的早强机理不同。使用晶核型早强剂路线, 通过作为反应中心诱发水泥水化形成C—S—H凝胶, 加速水化达到低温下早强目标。

3) 通过对比蒸养与免蒸养, 免蒸养技术一方面可以降低材料成本, 减少企业支出;另一方面也可大幅度降低能耗。