季凍區(qū)高速公路高性能混凝土小型預(yù)制構(gòu)件試驗與應(yīng)用研究

王 勃

(遼寧省交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司 沈陽市 110005)

0 引言

混凝土小型構(gòu)件的生產(chǎn)應(yīng)用廣泛，能夠有效地提高工程質(zhì)量、文明施工和質(zhì)量安全管理實際效果、改善施工環(huán)境、降低勞務(wù)人員勞動強(qiáng)度、節(jié)約資源，降低經(jīng)濟(jì)成本。預(yù)制構(gòu)件工廠化集中預(yù)制生產(chǎn)不僅在設(shè)計階段能夠針對實際狀況設(shè)計特定模具，在后期生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)、存放、運輸?shù)雀麟A段還能夠?qū)崿F(xiàn)及時調(diào)控，加快施工效率。

對于混凝土預(yù)制構(gòu)件，已有學(xué)者做了大量的研究討論：鄭西躍[1]研究預(yù)制混凝土構(gòu)件在重大項目建設(shè)中的重要性，證明了其在使用材料、安全性和經(jīng)濟(jì)效益等方面與傳統(tǒng)施工工藝相比具有顯著優(yōu)勢；于明等[2]提出一套混凝土預(yù)制構(gòu)件工廠化、自動化生產(chǎn)設(shè)備和流程，表明混凝土預(yù)制構(gòu)件工廠化、高度自動化生產(chǎn)的可行性；曹麗斐[3]從構(gòu)件生產(chǎn)消耗量的角度分析，建立一種測定方法計算預(yù)制構(gòu)件的成本，調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的影響因素，促進(jìn)企業(yè)對預(yù)制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)。相關(guān)研究成果表明，通過合理的材料和工藝設(shè)計，小型預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用前景廣泛，具有顯著的成本優(yōu)勢和環(huán)境效益。

以沈康四期高速公路項目排水結(jié)構(gòu)工程為依托，考慮具體環(huán)境條件，采取寒冷地區(qū)鹽凍條件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，通過室內(nèi)試驗、室外長期性能評估和工藝研發(fā)，提出預(yù)制構(gòu)件配合比和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝。

1 試驗簡介

1.1 原材料

水泥為P.O 42.5水泥；粉煤灰為F類Ⅰ級粉煤灰；礦粉采用S95礦粉；硅灰膠凝材料的物理性質(zhì)及化學(xué)組成見表1。減水劑為聚羧酸類高效減水劑，減水率為33%；拌和用水為自來水。細(xì)骨料采用Ⅱ區(qū)普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.65，表觀密度為2650kg/m3；粗骨料粒徑為4.75～16 mm的天然碎石，表觀密度分別為2 745kg/m3。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成和物理性質(zhì)

1.2 配合比及試驗方法

(1)試樣制備及基本性能測試

試驗選用的配合比如表2所示。5組混凝土的粗、細(xì)骨料用量相同，水膠比均為0.33，膠凝材料包括水泥、礦粉、粉煤灰和硅灰，其總用量為500kg/m3，減水劑摻量均為1.2%。相比于基準(zhǔn)配合比P1，P2-P4組配合比中硅灰分別以3%、4%和5%等質(zhì)量取代水泥，P5組配合比以P4為基礎(chǔ)摻入0.25‰的三鐵皂甙引氣劑和2‰的消泡劑。按照上述配比，將所有原材料放入攪拌機(jī)中混合均勻，首先進(jìn)行拌和物工作性能測試，按照《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)進(jìn)行測試。其次，每組配合比成型3個100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件和6個150mm×150mm×150mm的立方體。最后，24 h后拆模，并在溫度20℃±2℃和相對濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，棱柱體用于快速凍融試驗，立方體用于單邊凍融(鹽凍法)和抗壓強(qiáng)度試驗，以每組3個試件的平均值作為最終試驗結(jié)果，工作性能和力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果如表3所示。

表2 混凝土配合比

表3 各組混凝土配合比工作性能和力學(xué)性能測試結(jié)果

(2)快速凍融試驗

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)，對P1～P5配合比試樣進(jìn)行300次循環(huán)的快速凍融并進(jìn)行對比，試驗采用尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，將試件進(jìn)行24d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，將凍融試件放在20℃±2℃水中浸泡4d，浸泡時水面應(yīng)高出試件頂面20～30mm，將28d齡期的混凝土試件放入試件盒中心，試件盒放入凍融箱內(nèi)的試件架中，并向試件盒中注入清水。在整個試驗過程中，盒內(nèi)水位高度應(yīng)始終保持至少高出試件頂面5mm，每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4h內(nèi)完成，且用于融化的時間不得少于整個凍融循環(huán)時間的1/4，冷凍和融化之間的轉(zhuǎn)換時間不宜超過10min。

(3)單面鹽凍試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)，對P1～P5配合比試樣進(jìn)行200次循環(huán)的單面鹽凍并進(jìn)行對比，采用150mm×150mm×150mm的立方體試模，在空氣中帶模養(yǎng)護(hù)24h±2h，然后將試件脫模并放在20℃±2℃的水中養(yǎng)護(hù)7d，將試件切割成為150mm×110mm×70mm，偏差應(yīng)為±2mm，放在溫度為20℃±2℃、相對濕度為65%±5%的實驗室中干燥至28d齡期，將試件放置在試件盒中，向試件盒中加入試驗液體并不得濺濕試件頂面，當(dāng)全部試件盒放入單面凍融試驗箱中后，應(yīng)確保試件盒浸泡在冷凍液中的深度為15mm±2mm。

2 試驗結(jié)果與討論

在快速凍融試驗工況下，不同配合比試樣的質(zhì)量損失率和相對動態(tài)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系分別如圖1和圖2所示。由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同配合比試樣的質(zhì)量損失率不斷增加，且隨硅灰摻量的增加，不同配合比試樣(P1～P4)質(zhì)量損失百分率顯著下降。相比于基準(zhǔn)配合比P1，硅灰摻量為膠凝材料4%時，質(zhì)量損失百分率下降22.4%。相比于基準(zhǔn)配合比P1試樣和配合比P4試樣，摻入引氣劑和消泡劑的P5試樣，質(zhì)量損失百分率分別下降39.7%和22.2%。由圖2可知，凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同配合比試樣的相對動態(tài)彈性模量顯著減低。相比于基準(zhǔn)試樣P1，摻入膠凝材料4%的硅灰P4試樣，相對動態(tài)彈性模量損失減少14.3%。相比于P1和P4試樣，配合比P5試樣相對動態(tài)彈性模量損失分別減少21.4%和6.3%。

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損傷百分率的關(guān)系

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)與相對動彈模量的關(guān)系

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同配合比試樣棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖3所示。相比于未凍融試件，凍融循環(huán)300次后，配合比P1～P5試樣棱柱體抗壓強(qiáng)度分別降低29.2%、23.9%、18.6%、18.7%和17.1%。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

綜合不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同配合比試樣質(zhì)量損率、相對動態(tài)彈性模量和棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，摻入硅灰能夠有改善混凝土的抗凍融能力，且隨硅灰摻量的增加而不斷增加，同時摻入引氣劑和消泡劑能夠進(jìn)一步改善混凝土的抗凍融能力。

在單邊鹽凍的試驗工況下，不同配合比試樣的質(zhì)量損失百分率和相對動態(tài)彈性模量損失率的試驗結(jié)果分別如圖4和圖5所示。相比于基準(zhǔn)試樣P1，摻入4%硅灰試樣P4和摻入引氣劑和消泡劑的配合比P5，質(zhì)量損失百分率分別降低29.4%和48.5%，相對動態(tài)彈性模量損失分別降低35.4%和54.2%。由此可知，同時摻入硅灰、引氣劑和消泡劑能夠有效改善混凝土的抗鹽凍能力。

圖4 單邊鹽凍凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系

圖5 單邊鹽凍凍融循環(huán)次數(shù)與相對動態(tài)彈性模量的關(guān)系

通過上述試驗結(jié)果可知，摻入硅灰以及摻入消泡劑和引氣劑能夠顯著提升混凝土的抗凍融和抗鹽凍能力。如圖6所示，摻入4%的硅灰的試樣漿體表面結(jié)構(gòu)密實，未見明顯孔隙和裂縫，其主要是硅灰顆粒粒徑較小，能夠填充水泥水化產(chǎn)物間的孔隙，同時硅灰表面具有較高的活性，能夠與水泥水化體系中的氫氧化鈣進(jìn)行反映，使得水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更加密實，從而提高混凝土的抗凍和抗鹽凍能力。不同配合比最大氣泡間距如圖7所示，隨硅灰摻入量的增加，最大氣泡間距顯著降低，摻入引氣劑和消泡劑的試樣最大氣泡間距系數(shù)最小，摻入消泡劑能夠使得混凝土中的大氣泡逸出，摻入引起劑能夠引入微小且穩(wěn)定的小氣泡，優(yōu)化混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土具有良好的抗凍性能。

圖6 P4試樣的SEM照片

圖7 不同配合比最大氣泡間距

3 室外驗證試驗

將標(biāo)養(yǎng)后的高性能混凝土板放置在普通水泥混凝土地面上，在冬季降雪后人工撒布除冰鹽或鹽水，驗證了其抗鹽凍性能。通過4年的室外觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，撒布除冰鹽或鹽水區(qū)域普通混凝土地面已破損，高性能混凝土試件的表面完好。具體試驗過程及結(jié)果見圖8。

圖8 混凝土抗鹽凍性能室外驗證試驗

4 小型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝

秉承高速公路節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保的建設(shè)理念及根據(jù)建設(shè)需求，沈康四期高速公路項目排水結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)砌筑及現(xiàn)澆混凝土形式變更為高性能引氣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件裝配式施工，設(shè)置小型構(gòu)件預(yù)制場工廠化集中預(yù)制生產(chǎn)，主要結(jié)構(gòu)形式包含填方邊溝2型(U型槽)、填方邊溝3型(梯形)、挖方邊溝2型(U型槽)、泄水槽、錐護(hù)坡防護(hù)(實心/空心六角網(wǎng)格)，部分成品試件如圖9所示。

圖9 成品試件展示

本項目采用一種混凝土小型預(yù)制構(gòu)件加工設(shè)備，將場地建設(shè)在施工現(xiàn)場附近，節(jié)約運輸成本的同時，根據(jù)施工進(jìn)度及時調(diào)節(jié)生產(chǎn)效率，小型預(yù)制構(gòu)件場占地面積7000m2，其中生產(chǎn)作業(yè)區(qū)1000m2為全封閉型鋼廠房，合理劃分為生產(chǎn)加工區(qū)、鋼筋加工區(qū)、噴淋養(yǎng)護(hù)區(qū)、模具清洗區(qū)、成品存放區(qū)，如圖10所示。

圖10 預(yù)制小構(gòu)件生產(chǎn)作業(yè)區(qū)

小型構(gòu)件預(yù)制廠引進(jìn)高效混凝土小型預(yù)制件自動生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線自動卸料、振搗與運輸極為便利，自動化程度高，設(shè)備操作簡單安全。具體小型構(gòu)件生產(chǎn)流程：鋼筋加工—鋼筋入?！炷涟韬汀炷恋谷胄崩隙贰\輸至豎向料斗—豎向料斗卸料混凝土入模—振動輥臺自動振搗—模盒運輸至養(yǎng)生區(qū)噴淋養(yǎng)生—脫?！＞咔逑粗匦吕谩善窓z測—成品存放—成品噴淋養(yǎng)生—成品打包，完成流水線流程。

在鋼筋加工區(qū)將鋼筋加工成鋼筋骨架，通過輸送帶將鋼筋骨架擺放平臺上，將各鋼筋骨架置入模具內(nèi)；在生產(chǎn)加工區(qū)將混凝土拌和料倒入斜拉料斗中進(jìn)行攪拌，通過輸送帶到豎向料斗中，進(jìn)行二次攪拌，從豎向料斗澆注同時進(jìn)行振搗，確保均勻排出氣泡，進(jìn)行多次抹面，保證混凝土充分注入模具中；混凝土入模后通過叉車將模盒運輸至噴淋養(yǎng)護(hù)區(qū)，進(jìn)行帶著模具的小型預(yù)制構(gòu)件的噴淋養(yǎng)護(hù)，直到達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度；進(jìn)行振動脫模，將脫模后的模具送回鋼筋加工區(qū)，清洗后再次使用；檢測后合格的小型預(yù)制構(gòu)件通過成品噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一噴淋養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時通過土工布全覆蓋，確保全方位養(yǎng)護(hù)。在整個流程中，可以隨時操控輸送速率，及時跟進(jìn)施工進(jìn)度，在保證施工效率的同時，防止材料不必要的浪費。

5 結(jié)語

根據(jù)項目的地理環(huán)境要求研發(fā)高性能混凝土，分別通過室內(nèi)試驗和室外長期凍融觀測驗證了其抗凍性，取得以下研究成果：

(1)通過室內(nèi)試驗研究，硅灰、消泡劑和引氣劑能夠有效改善混凝土的抗凍性能。

(2)基于室外驗證試驗，對所設(shè)計的混凝土配合比預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行性能驗證，結(jié)果表明相比同強(qiáng)度混凝土，其抗凍性能顯著提升。

(3)提出預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程和生產(chǎn)工藝，能夠為同類預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)提供技術(shù)支持。