高性能早强混凝土在预银构件生产中的应用.pdf

高性能早强混凝土在预制 构件生产中的应用 Ap pl i c a t i o n o f Hi g h Pe r f o r ma n c e Ea r l y S t r e ng t h Co n c r e t e t o La r g e Pr e c a s t El e me n t s 朱敏涛 ， z 1 、 同济大学上海2 0 0 0 9 2 ； 2 、 上海市建筑构件制品有限公司 上海2 0 0 4 3 8 摘 要 ： 阐述了可用于预制混凝土构件的高性能早强混凝土技术途径，包括早强型复合胶凝材料技术、早强型化学外加 剂技术 、胶凝材料的热活化技术、磁化水和晶种技术等。详细介绍了 P H C管桩混凝土的早强技术研究现状，并指出了 早强混凝土技术和产品存在的不足及建议 ，供相关工程参考。 关键词 ： 预制构件高性能早强混凝土 外加剂 热活化 磁化水 晶种 中图分类号： T U 5 2 8 3 1 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 1 2 0 1 2 ) 1 1 1 0 9 3 0 3 1 概述 随着预制混凝土技术在市政和建筑工程领域应用越来 越广泛和深入 ，如何在确保混凝土最终性能的条件下提高 混凝土早期强度的技术越来越受到预制行业的重视。随着 建筑工业化的发展和资源节约型 ， 环境友好型社会的建设 ， 开发混凝土早强技术可提高预制构件的生产效率 ，降低生 产能耗 ， 具有 良好的社会和经济意义。 2 早强混凝土技术现状 目前研究的使混凝土早期获得高强度的方法主要有 ： 早强型复合胶凝材料技术，包括高性能水泥技术和高强高 性能矿物外加剂技术 ； 早强型化学外加剂技术 ； 胶凝材料的 热活化技术 ， 例如蒸汽养护、 蒸压养护 、 红外和微波养护等 ； 其他物理化学活化方式 ， 例如磁化 水、 晶种技术等 ； 混凝土 配合比的调整 ，例如降低混凝土水胶 比、采用优质的骨料 等， 这种方法也是一般混凝土生产单位常用的传统方法 ， 本 文不作介绍。 2 1 早强型复合胶凝材料技术 早强型复合胶凝材 料体 系涵盖了高强高 性能水泥技 术、 高性能矿物外加剂技术及其两者之间的配伍技术。 2 1 1 早强高性能水泥技术 提高水泥熟料 中各矿物组分的活性和水泥中早强矿物 组分。以及增加水泥的细度是该方法提高水泥早期强度的 作者简介 ： 朱敏涛( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 在读博士 ， 高级工程师 。 通讯地址 ： 上海市军工路 2 8 0 0号( 2 o 0 4 3 8 ) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 0 6 主要方式。 现在 ， 水泥的超细化技术也越来越受到行业相关 专家的重视 ，但是同时使用超细水泥和超细矿物掺合料将 造成胶凝材料强度的“ 早长晚不长 ” ， 另外材料的开裂敏感 性增大 ， 因此 ， 考虑胶凝材料早强 的同时 ， 必须通过不 同品 种和颗粒级配的胶凝材料 的调粒作用优化胶凝材料的综合 1 生能。 实验研究表 明，水泥基材料的微细化有助于提高单位 时间内水泥的水化速率 ， 提高混凝土早期强度， 充分发挥强 度潜能。 熟料微细化并掺加超细混合材料后， 水泥浆体中无 害孔数量增多， 有害孔大量减少 ， 浆体结构更致密 ， 强度大 大提高。 造成微细化水泥水化速率提高的主要原 因有： 比表 面积大大提高、 矿物的晶格缺陷增多、 选择性粉磨效应造成 在微小颗粒 中反应 活性 高的铝酸盐与 C 。 S 的含量相对 富 集 ： 助磨剂掺杂反应使矿相 晶粒在一定程度上得以活化。 2 1 2 高性能矿物外加剂技 术 混凝土矿物外加剂是传统混凝土领域技术创新成就之 一 ，按其作用效果可分为 ： 改性型矿物外加剂和功能型矿物 外加剂。 矿物外加剂一般含有玻璃相 ， 在热力学上不稳定， 具有 较高的化学潜能 ；从相 图上看 ，多属 C a O A 1 2 0 3 - S i O 2 体系 ( 图 1 ) 。 矿物外加剂改善硬化混凝土力学行为机理 主要有 ： 复 合胶凝效应 ， 包括诱导激活效应、 表面微晶化效应和界面耦 合效应 ； 微集料效应。 为了使矿物外加剂能够提高混凝土的 早期力学性能 ， 采取的方法有： 机械活化 ， 例如超细粉磨 ； 化 学激发 ： 热活化 ， 例如蒸汽养护、 红外养护和微波养护等 电 磁养护方式。 ( 1 ) 矿物外加剂的超细机械活化 l l t Ha 第3 4 第1 1 期 l 1 0 9 3 ； 餮 i 善 j 熏 蓦 i 誊 董 垂 撇涛 高 燃 能 点 暴 露 图 1 Ca O A I 2 0rS i O 体系示意 对于高铝硅低钙类掺合料低钙粉煤灰的超细活化 ， 研 究表明，超细低钙粉煤灰能显著提高混凝土的蒸养适应性 和混凝土早期强度，蒸养超细粉煤灰高性能混凝土的后期 强度、弹性模量具有较好的增长率。与普通蒸养混凝土相 比， 蒸养超细粉煤灰高性能混凝土的脆性降低 ， 塑性变形能 力明显增强 ， 干燥收缩明显降低 ， 且抗氯离子渗透性能显著 提高。超细粉煤灰可改善蒸养条件下混凝土的内部水化产 物组成及其孔结构 ， 降低混凝土的孔隙率 ， 提高混凝土耐久 性。 对于中钙类掺合料高钙粉煤灰的超细活化 ，研究结果 表明 ，超细高钙粉煤灰中游离氧化钙在不同温度下的水化 速度不同 ， 而且， 高钙粉煤灰在与水泥一起水化时的水化速 度要远慢于其单独水化时的水化速度。合适的养护温度对 高钙粉煤灰水泥基材料非常重要 ，超细高钙粉煤灰水泥基 材料适宜制作蒸养水泥混凝土制品，反应活性要高于低钙 粉煤灰。 ( 2) 复合激发类 不同种类的矿物外加剂共存于胶凝材料体系 ，当配比 适 当时 ， 在力学性能方面 ， 特别是早期力学性能能产生单一 矿物外加剂所不及的增强效果。 分析表明， 掺合料取代水泥时 ， 浆体早期抗压强度的提 高取决于掺合料 自身参与水化反应的速度和水化产物的数 量。水化产物在掺合料颗粒表面沉积的速度和浆体 中硅酸 盐、铝酸盐水化产物的非蒸发水量随掺合料活性的提高而 提高。掺合料活性按磨细矿渣微粉、 高钙粉煤灰、 低钙粉煤 灰的顺序降低 ，将磨细矿 渣微粉或高钙粉煤灰与低钙粉煤 灰复合 ，可以克服低钙粉煤灰大掺量取代水泥时混凝土早 期强度降低的缺陷。 另外 ， 石膏等激发剂可以促进掺低钙粉 煤灰 、 高钙粉煤灰、 矿渣微粉水泥基材料的水化 ， 提高混凝 土的早期强度 ， 但必须通过试验确定适宜的石膏掺量， 以达 到最佳的力学，陛能和好的体积稳定性。 2 2 早强型化学外加剂技术 与萘系、 三聚氰胺系、 氨基磺酸盐系等高效减水剂相比 较 ， 聚酸盐系减水剂具有更为优异的性能， 可作为早强型聚 羧酸系外 加剂用于预制构件混凝土。 另外 ， 利 用萘 系等传统 减水剂进行改性开发早强型外加剂也是重要的技术途径之 l o 9 4 J 2 o 1 2 l l D u iJ d |n g C o n l u c t io n 0 实现聚羧酸系外加剂早强功能的技术途径有 3种 ， 第 一 种是合成常规的聚羧酸减水剂，通过复配早强组分达到 早强。该技术主要是通过研究聚羧酸系减水剂与不同类型 早强组分的复合效果来优选适合的复配方案。第二种是合 成聚合物本身具有较好的早强性能 ， 该技术主要是通过对 功能控制型分子结构的进行了系统研究 ，为聚羧酸减水剂 母液的多元化发展、 功能可控制型设计理论提供依据。 第三 种方法是第一种和第二种方法的复合应用 ，需通过试验研 究确定。 2 3 胶凝材料的热活化技术 为了提高预制混凝土构件工厂化生产的效率 ， 许 多预 制混凝土构件生产会用到热活化技术 ，例如常用蒸汽养护 工艺等。 根据不 同的胶凝材料体 系需采用相应蒸 汽养护 制度 ， 使混凝土性能满足既定的目标 ， 又能提高生产效率。 在蒸汽 养护条件下， 水泥和掺合料的反应活性都得到大大的提高 ， 使水泥的水化反应的掺合料的二次水化反应都能够快速进 行 ， 从而使混凝土的早期强度大大提高。 此外 ， 蒸汽养护也可能带来一些 问题 ， 例如延迟钙矾石 的问题以及由于混凝土早期强度快速发展带来的内部微缺 陷增多的问题 。 但是由于钙矾石容易在混凝土早期生成 ， 且 其晶体具有较高的强度 ，在一定的条件下对混凝土有增强 作用。 这是我们在制定混凝土材料配合 比和养护制度是 需统筹考虑的。 2 4 新型养护技术 微波养护技术是混凝土的新型养护技术之一 。微波技 术在混凝土方面的应用主要为水泥基材料 的养护。 一 般预制混凝土构件均采用蒸汽养护 ，但蒸汽养护有 其自身的弱点。与蒸汽养护相比， 微波养护优点为： 微波能 够均匀、 快速的加热混凝土 ， 这种加热作用与混凝土的热传 导能力无关 ： 微波养护能更容易地控制能量 的输入 ， 使混凝 土脱模前的加热过程得到优化。 研究表明 ： 微波养护能够在 不损害制品 2 8 d强度的同时 ，使制品的早期强度大大提 高。 2 5 磁化水、 晶种应用技术 大量的研究和试验数据表明，用磁化水拌合混凝土不 仅可以加快水泥的水化作用 ， 增强混凝土的和易性 ， 还可 以 提高混凝土的密实度和强度 ， 缩短混凝土凝结时间、 提高混 凝土的抗冻融 性能 ， 节约水泥用量。 有研究表 明向水泥中加入晶种 ( 钙矾石、水化硅酸钙 等 ) ， 可以大大增加混凝土早期强度。主要原理是让晶种成 为成核活化点 ， 从而使水化反应和结晶反应加速， 具有加速 水泥水化的作用。 ( 下转 第 1 1 0 0页) 为蠕变前的 7 9 名 ， 3 4 h 为 1 O 5 ， 4 4 h 为 儿 塌。 3 3 破坏加载阶段荷载等级挠度曲线 破坏加载阶段节点 C的荷载位移 曲线以及下弦跨 中的荷载挠度 曲线如图 5 所示。 研究表明， 木桁架静力 极限荷载的变异系数达到了 9 1 ，而本试验中 3 榀桁架的 极 限荷载分别为 6 3 5 k N 、 6 4 7 5 k N 、 6 7 2 5 k N ，它们的变异 系数仅为 2 4 ， 远小于 以上水平。 说 明 3榀试件极限荷载的 差异是由木桁架承载力的离散型所致 ，与标准荷载持荷时 间无关。 ， ， 一 ； f 一 l 二 ： = 1 5 1 0 1 5 2 0 下弦跨中挠度 ra m ， ， ， 。 ， ， 一 I ：I 1 I 图 5 破坏加载阶段 荷载与位移关系 从图 5可以看出， 尽管 3榀桁架的持荷时间不同， 但它 们与静 力直接破坏加载时的变形方式相 比没有发生改变。 从整体上来看 ， 试件在加载至 2 倍设计 荷载 ( 3 2 k N ) 前的 荷载位移关系基本上为线性 ，加载至 2 倍设计荷载后 才逐渐表现出明显的非线性特征 。不管是跨 中挠度还是节 点位移 ， 从 W J 4 、 W J 5 到 W J 6 ， 随着荷载等级的增加 ， 挠度或位 移的差异性也在逐步扩大。对比 3 个试件在同一荷载等级 ( 6 2 5 k N ) 的跨 中挠度 ： 9 6 2 m m 、 1 1 8 5 m m 、 1 4 3 3 m m ， 均值 为 l 1 。 9 3 m m ， 标准差为 1 9 2 m m ， 变异系数达到 了 1 6 1 3 。 表 明试件在破坏加载阶段 的位移与标准荷载持荷时 间相 关， 即持荷时间越长 ， 试件破坏加载时的变形能力越强。 4 结语 ( a )木材的蠕变对轻型木桁架的变形有 明显的影响， 使其挠度随持荷时 间呈阶梯型增长 。持 荷时间为 2 4 h 、 3 4 h 和 4 4 h时的跨 中蠕 变挠度分 别达到 了原有基 础 的 7 9 、 1 0 5 和 1 1 1 。 同时， 延长持荷时间会导致卸载后的稳 定残余变形增大。 ( b ) 设计荷载持荷时间不改变木桁架 的极 限荷载以及 破坏加载时结构的变形方式 ，但对其变形能力有一定的影 响。随着持荷时间增长 ， 变形能力小幅度提高。 ( C ) 试验得到的平均极 限荷载为设计荷载 的 4倍 ， 表 明轻型木桁架有极强的安全储备。但 木材的力学性质受环 境的影响显著 ， 故实验数据具有一定的离散型特征。 参考文献 I 许晓梁轻型木桁架承载能力研究【 D 上海： 同济大学， 2 0 0 6 2 渡边治人木材应用基础 M 张勤丽， 张齐生， 张彬渊， 等译 上海科学技术 出版 社， 1 9 8 2 3 王军煌 应力和含水率作用下杉木的蠕变性能研究 D 南京： 南京林业大 学， 2 0 0 9 ( 上接 第 1 0 9 4页 ) 3 P H C管桩混凝土的早强技术 建 设 工程 中大 量应 用的 P H C管桩 ，一 般要 求成 型 1 d 3 d 就能够达到强度等级 C 8 0以上。 工厂中一般通过 常压蒸汽养护 +高压蒸汽养护两道养护工艺使混凝土达 到设计强度要求， 工艺复杂、 能耗高。如果通过一道常压蒸 汽养护工艺就能使混凝土达到 C 8 0 强度等级 ， 这种混凝土 快速早强技术可简化 P H C 管桩的生产工艺、降低 能耗和设 备投入。目前 P H C 管桩混凝土的快速早强技术的研究主要 着眼于早强型混凝土矿物外加剂和化学外加剂两个方面。 3 1 早强型矿物外加剂 日本某公司研究的高强度混合材 1 0 0 0和 2 0 0 0 在混凝土中添加量为水泥的 8 1 3 ， 混凝土不经高压蒸压 釜 ， 短 时间高强度化 ， 1 d强度达 7 5 M P a以上 ； 上海某公 司 利 用矿渣微粉研制了能显著提高混凝土强度专用外掺料 ， 采用免压蒸技术 ， 得到 了 C 6 0 C 8 0 混凝土。 3 2 早强型化学外加剂 早强型化学外加剂研究单位主要是跨国化学建材公 司 和国内的一些较有实力的混凝土外加剂生产单位 ，目前相 关单位都有研究产品推出， 且已取得初步成 果， 其混凝土仅 l 1 0 0 l 2 0 1 2 l 1 B in * cl in g C o n s t c u c t io n 靠普通蒸汽养护 8 h左右能达到 7 0 M P a 。 4 结语 本文讨论 了用于预制混凝土构件的早强混凝土技术的 现状与方法 ， 在以后的时间里 ， 通过混凝土上下游技术资源 联动， 根据不同预制构件养护工艺的不同， 对预制构件混凝 土进行分类 ， 例如 自然养护、 普通蒸汽养护构件 ， 然后制定 有针对性早强技术方案，并开发相应的化学外加剂和矿物 外加剂产品， 为相关工程提供技术支持。 参考文献 1 】 钱觉时粉煤灰特性与粉煤灰混凝土 M 北京：科学出版社 ， 2 0 0 2 2 谢友均， 马昆林，刘运华， 等蒸养超细粉煤灰高性能混凝土性能试验研究 J 深圳大学学报理工版， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 2 3 4 2 3 8 3 施惠生， 陈更新 ， 范付忠 温度对高钙粉煤灰水泥基材料水化性能的影 响 J 1 水泥， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ： l 一 4 f 4 1 Z h a n g Xi o n g ， Ha n J ib u n g T h e E ff e c t o f Ul t r a - fi n e Ad mix t u r e o n t h e Rh e o l 0 c a 1 P r o p e r t y of C e m e n t P a s te J C e m e m a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 0 ( 5 ) ： 8 2 7 5 严捍东 矿物掺合料早期水化活性 的测试和分析【 J 】 _ 材料科学与工程学 报 2 0 0 5 ( 3 1 ) ： 3 8 8 3 9 2 【 6 施惠生， 范付忠， 冯涛 石膏对掺高钙粉煤灰水泥基材料力学性能的影响 【 j 】 冰 泥， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ：2 4 7 1 S H a n e h ar a ，S F u k u d a ， D e la y e d E t t r i n g i t e F o r m a t i o n i n C o n c r e t e P r e c ast J C o n c r e t e T e c h n o l o g y 2 0 0 7 ( 3 ) ： 9 - 1 6 8 Wu Xu e q u a n ， D o n g J i a n b g o ， T a n g Mi n g s h u Mi c r o wa v e C u r i n g T e c h n i q u e i n C o n c r e t e Ma n u f a c t u r e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 7 f2 1 ： 2 0 5 2 1 0 8 7 6 5 4 3 2 0 ； ：。