陳 宇

上海君道住宅工業(yè)有限公司

1 引言

裝配式預(yù)制建筑是指把建筑需要的墻板、疊合板、樓梯、陽(yáng)臺(tái)等構(gòu)件，在PC工廠生產(chǎn)車(chē)間按照標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行生產(chǎn)（PC為混凝土預(yù)制件的簡(jiǎn)稱），然后再將預(yù)制件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，這種裝配式建造方式比傳統(tǒng)建造方式具有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢詫⒃O(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行整合，通過(guò)工廠標(biāo)準(zhǔn)化、流程化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品的節(jié)能、環(huán)保。此外在構(gòu)件質(zhì)量、建造效率、節(jié)能和環(huán)保等方面都具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比，裝配式建筑可以縮短施工周期25%～30%，節(jié)約用水50%～60%，節(jié)省木材60%～70%，降低施工能耗約20%，減少建筑垃圾70%～80%，并明顯降低施工現(xiàn)場(chǎng)的粉塵和噪聲污染。可以看出，大力推廣和發(fā)展預(yù)制建筑是建筑產(chǎn)業(yè)化改革和發(fā)展的趨勢(shì)。

國(guó)家從2015 年開(kāi)始就陸續(xù)出臺(tái)了預(yù)制建筑規(guī)劃,決定2016年全國(guó)全面推廣裝配式建筑,并取得了突破性的進(jìn)展。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，PC 工廠數(shù)量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，僅在2018 年全年新增PC工廠大概有300家左右，新增各類PC生產(chǎn)線500條以上。PC工廠為了提高生產(chǎn)效率，最大程度減少模具投入和提高模具的周轉(zhuǎn)率，普遍要求配制的混凝土早期強(qiáng)度比較高，1d的脫模起吊強(qiáng)度要求大于等于15MPa。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中大部分PC 工廠為了滿足早期拆模要求使用加大水泥用量或提高水泥強(qiáng)度等級(jí)等方式，比如C30 等級(jí)混凝土水泥用量高達(dá)每立方米320kg～360kg，也不加任何摻合料，這種方式雖然可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，但是造成了材料的浪費(fèi)，水泥用量太大也會(huì)造成混凝土收縮裂紋和影響構(gòu)件的耐久性。由此看來(lái)，單單采用增加水泥用量來(lái)提高混凝土早期強(qiáng)度的方式滿足不了當(dāng)前PC 工廠生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)需求，必須另外開(kāi)辟一條路，考慮采用新的材料、新的機(jī)理來(lái)滿足PC構(gòu)件生產(chǎn)的特殊要求。因此，可以從膠凝材料方面考慮，用粉煤灰代替部分水泥。

粉煤灰是發(fā)電廠煤炭燃燒后從煙氣管道中收集的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的一種固體廢棄物，為保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)資源綜合利用，將粉煤灰應(yīng)用到裝配式建筑領(lǐng)用具有很大的價(jià)值。另外，粉煤灰本身也具有很多優(yōu)勢(shì)，密度小，可以降低構(gòu)件的重量，方便運(yùn)輸和安裝；細(xì)度小，可以填充構(gòu)件結(jié)構(gòu)縫隙，提高構(gòu)件的密實(shí)度和耐久性。粉煤灰是在1300℃左右的溫度下形成的，他的結(jié)構(gòu)大多數(shù)為球狀的玻璃體，其中很多又為中空的漂珠，這種特殊的結(jié)構(gòu)使他具有很好的保溫防火性能。但是粉煤灰的早期活性低，導(dǎo)致粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度偏低，因此，采用何種方法來(lái)提高粉煤灰的活性，提高混凝土早期強(qiáng)度，從而滿足裝配式預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，就顯得非常重要。為了達(dá)到PC 構(gòu)件早期拆模強(qiáng)度要求，盡量降低成本，綜合本地粉煤灰材料來(lái)源特點(diǎn)，選取一種可以激發(fā)粉煤灰活性的化學(xué)物質(zhì)硅酸鈉，加到粉煤灰里，從而實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度的提升，滿足構(gòu)件廠的生產(chǎn)需求。

2 硅酸鈉加入后對(duì)粉煤灰的作用

粉煤灰中含有很多的玻璃體顆粒，其中含有大量的可溶性的、酸性的氧化物SiO2和Al2O3，這就是粉煤灰本身具有的火山灰活性，其能夠促進(jìn)水泥的水化作用。正因?yàn)镾iO2和Al2O3是酸性的氧化物，他們的活性在堿性的環(huán)境中容易被激發(fā)出來(lái)，本來(lái)牢固的Si-O、Al-O鍵遭到破壞，在表面形成了游離的不飽和鍵，從而容易與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物，如水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，其反應(yīng)過(guò)程如下所示：

根據(jù)以上反應(yīng)過(guò)程，添加硅酸鈉能夠加快粉煤灰和氫氧化鈣的反應(yīng)速度，從而提高混凝土的強(qiáng)度。硅酸鈉是一種無(wú)定型的玻璃體結(jié)構(gòu)，細(xì)度比較小，比表面積較大，化學(xué)活性很高，其無(wú)定型SiO2可與氫氧化鈣迅速反應(yīng)生成硅酸鈣晶體，能夠填充水泥空隙和加快硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化反應(yīng)速度，激發(fā)了粉煤灰的火山灰活性，從而提高混凝土的早期強(qiáng)度。

在本文中，主要研究的是采用化學(xué)的方法對(duì)粉煤灰進(jìn)行活性激發(fā)，操作簡(jiǎn)單，只需要在體系中加入適量的硅酸鈉就能達(dá)到效果。接下來(lái)，從硅酸鈉規(guī)格選用、不同組合比例等角度出發(fā)，來(lái)研究摻加硅酸鈉對(duì)粉煤灰混凝土工作性能、力學(xué)性能以及成本等方面的影響，驗(yàn)證其在預(yù)制建筑構(gòu)件混凝土中的適用性。

3 摻加硅酸鈉的粉煤灰混凝土性能試驗(yàn)

3.1 硅酸鈉激發(fā)劑、粉煤灰主要成分分析

本試驗(yàn)所選用的硅酸鈉是粉狀速溶硅酸鈉，質(zhì)量指標(biāo)如表1。

粉煤灰是上海寶鋼廠的副產(chǎn)品，品質(zhì)為II 級(jí)灰，質(zhì)量指標(biāo)如表2。

表1

表2

粉煤灰主要化學(xué)成分如表3。

表3

3.2 C30混凝土配合比

表4 摻硅酸鈉的粉煤灰混凝土配合比/（kg/m3）

備注：水泥為臺(tái)泥P.II 52.5；粉煤灰為上海寶鋼II級(jí)灰；石產(chǎn)地為舟山，連續(xù)級(jí)配的5mm～25mm 碎石，砂產(chǎn)地為贛江，采用Ⅰ類2 區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)：2.3～3.0，外加劑為江蘇某企業(yè)生產(chǎn)的聚羧酸型減水劑。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)混凝土的水泥用量為340kg/m3，本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)混凝土配合比是以上海某PC工廠為例，在不摻任何摻合料的條件下來(lái)提高混凝土早期強(qiáng)度以達(dá)到構(gòu)件脫模起吊要求。粉煤灰替代率采用兩種，15%和20%。硅酸鈉激發(fā)劑摻量選用參照兩個(gè)原則：一是成本低，二是活化效果好。經(jīng)研究表明，本試驗(yàn)所用規(guī)格的硅酸鈉摻量按照粉煤灰用量的0.8%為宜。外加劑摻量按照膠凝材料總量的1.4%為宜。

進(jìn)行C30 混凝土性能試驗(yàn)時(shí)，混凝土試件尺寸為100mm×100mm×100mm，1d 成型后拆模，轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的齡期。制備混凝土抗壓強(qiáng)度試件以及試驗(yàn)方法，可以參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表4設(shè)計(jì)的混凝土配合比，試驗(yàn)結(jié)果顯示，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表5。

激發(fā)劑摻量粉煤灰取代率混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）序號(hào)3d 7d 28d混凝土成本S1 0 26.4 30.6 39.6 420元/方S2 15%0 0 21.7 25.4 36.8 400元/方S3 15%0.8%23.3 28.3 37.9 402元/方S4 20%0 14.5 19.7 30.2 392元/方S5 20%0.8%19.2 23.1 32.3 395元/方

根據(jù)表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析有以下幾點(diǎn)。

（1）用粉煤灰代替一部分水泥，代替比例從15%增加到20%，混凝土3d，7d 和28d 抗壓強(qiáng)度值相應(yīng)的有所降低，加了硅酸鈉的混凝土抗壓強(qiáng)度也有同樣的變化趨勢(shì)。因此，對(duì)于PC工廠來(lái)說(shuō)，建議使用粉煤灰對(duì)水泥的替代率小的配合比，至于具體選擇多大的替代率，還有待試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

（2）在粉煤灰代替比例相同的情況下，一組加了硅酸鈉來(lái)激發(fā)，一組沒(méi)有加，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知加了硅酸鈉的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度比未加硅酸鈉的混凝土抗壓強(qiáng)度高一些。

（3）以上海某PC 工廠為例，純水泥混凝土的成本約為420元/方（不含稅），摻加粉煤灰之后的混凝土成本均有所降低，降低比例依據(jù)實(shí)際使用的配合比來(lái)定。

5 添加硅酸鈉的粉煤灰混凝土在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的作用和效益

（1）節(jié)約水泥用量，降低混凝土的成本。根據(jù)表5數(shù)據(jù)，針對(duì)PC 工廠來(lái)說(shuō)，如果設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30 混凝土，采用S3 配合比既能達(dá)到構(gòu)件3d脫模起吊的強(qiáng)度要求（大于等于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%），又能節(jié)約成本約4.3%。

（2）降低廢品率，降低維修成本。使用不加摻合料的混凝土，構(gòu)件產(chǎn)品穩(wěn)定性較差，并且水養(yǎng)后在堆場(chǎng)中容易產(chǎn)生較為明顯的收縮裂縫，極易產(chǎn)生廢品，而使用硅酸鈉激發(fā)粉煤灰活性混凝土生產(chǎn)的構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性好，減少報(bào)廢率，節(jié)約成本。

（3）改善混凝土和易性和結(jié)構(gòu)密實(shí)程度，降低水化熱，減少離析與泌水，從而減少預(yù)制構(gòu)件的裂紋，提高混凝土的耐久性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

在混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)中，使用添加硅酸鈉的粉煤灰解決了粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度較低的問(wèn)題，改善了預(yù)制構(gòu)件的外觀缺陷，提高了耐久性。同時(shí)顯著提升構(gòu)件廠生產(chǎn)效率、加快預(yù)制混凝土構(gòu)件鋼模具周轉(zhuǎn)、降低混凝土養(yǎng)護(hù)能耗，從而節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益。