納米晶核劑在PC構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

PC（precastconcrete）構(gòu)件是指在工廠中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化方式加工生產(chǎn)的混凝土制品。隨著國(guó)家對(duì)裝配式建筑的大力倡導(dǎo)和推進(jìn)，目前混凝土預(yù)制件已廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演重要的角色。在PC構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，由于普通混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展慢，導(dǎo)致PC構(gòu)件需要很長(zhǎng)時(shí)間才能拆模，這極大限制了模具的周轉(zhuǎn)效率，從而影響了PC構(gòu)件的生產(chǎn)效率。因此，如何提高混凝土早期強(qiáng)度，是PC構(gòu)件生產(chǎn)效率提高的最大難題。混凝土早強(qiáng)主要是通過(guò)水泥提前水化來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)典水泥化學(xué)理論認(rèn)為，水泥水化反應(yīng)是受到成核與晶體生長(zhǎng)速度控制的化學(xué)反應(yīng)，早期水化反應(yīng)速率低的主要原因之一是水化產(chǎn)物缺少晶核，水化誘導(dǎo)期太長(zhǎng)。若在水泥中摻入納米晶核，則可以極大地促使水泥水化，從而實(shí)現(xiàn)水泥及混凝土的早強(qiáng)。本文通過(guò)自制納米晶核劑，研究了納米晶核劑對(duì)水泥水化和混凝土早期的力學(xué)性能影響，并將納米晶核劑應(yīng)用于PC構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)中，為PC構(gòu)件早拆模生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)意義。

1、試驗(yàn)材料1.1水泥試驗(yàn)采用廣東某水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ42.5水泥，其基本技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。表1P·Ⅱ42.5水泥主要性能指標(biāo)1.2納米晶核劑合成原料以Na2SiO3和Ca（NO3）2為硅源和鈣源，按照一定的Ca/Si比，在高分子聚合物水溶液中，通過(guò)邊攪拌邊滴加的方式，以沉淀法合成得到納米晶核劑懸浮液。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1納米晶核劑的粒徑測(cè)試采用馬爾文3000激光粒度分析儀，測(cè)試了自制納米晶核劑的顆粒粒徑大小，如圖1所示，自制納米晶核劑的平均粒徑約為215nm。2.2納米晶核劑對(duì)水泥水化的影響采用美國(guó)TAMAir水泥水化熱測(cè)量?jī)x來(lái)研究納米晶核劑對(duì)水泥水化的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。由圖2可見(jiàn)，純P·Ⅱ42.5水泥，約在7.34h時(shí)達(dá)到瞬時(shí)放熱峰值，而隨著摻入（固摻）不同含量的納米晶核劑，水泥放熱峰均提前了，水泥放熱峰值也隨納米晶核劑摻量的增大而逐漸提高。當(dāng)納米晶核劑摻量為2%時(shí)，水泥的放熱峰較純P·Ⅱ42.5水泥提前了3.15h，最大放熱峰值強(qiáng)度提高了59%。由圖3可知，當(dāng)納米晶核劑摻量為2%時(shí)，水泥的10h累計(jì)放熱值較純P·Ⅱ42.5水泥提高了約65%。圖1自制晶核劑的粒徑測(cè)試圖2不同摻量納米晶核劑對(duì)水泥水化瞬時(shí)放熱的影響圖3不同摻量納米晶核劑對(duì)水泥水化累計(jì)放熱的影響從水泥水化的角度理解，就是納米晶核劑的摻入，縮短了水泥水化的誘導(dǎo)期，并極大地促進(jìn)了水泥中礦物的水化。這主要?dú)w因于納米晶核劑能夠?yàn)樗嗨缙谒a(chǎn)物的生成提供晶核，降低水泥水化過(guò)程中水化產(chǎn)物結(jié)晶成核與晶體生長(zhǎng)的阻力，縮短水泥水化過(guò)程中結(jié)晶成核與晶體生長(zhǎng)反應(yīng)控制階段，加快了水泥的水化進(jìn)程。2.3納米晶核劑對(duì)混凝土早期力學(xué)性能的影響為了研究納米晶核劑對(duì)混凝土早期力學(xué)性能的影響，采用與PC構(gòu)件廠相類似的混凝土配方進(jìn)行試驗(yàn)（如表2所示），并成型100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)試模，成型后迅速使用薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)及養(yǎng)護(hù)溫度控制在（20±2）℃，隨后測(cè)試不同齡期的強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。表2混凝土試驗(yàn)配比圖4納米晶核劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響圖5納米晶核劑作用下混凝土與空白混凝土的強(qiáng)度差值一般在PC構(gòu)件廠，構(gòu)件在混凝土澆筑后強(qiáng)度達(dá)到15MPa后即可拆模。如圖4所示，未摻納米晶核劑的混凝土需10h才能達(dá)到脫模強(qiáng)度，而摻有1%（固摻）納米晶核劑的混凝土，7h即已經(jīng)達(dá)到了14.5MPa強(qiáng)度，較空白強(qiáng)度高出8.7MPa，強(qiáng)度相比提高了150%。同等拆模強(qiáng)度條件下（15MPa），摻有1%晶核劑的混凝土較空白混凝土可以縮短3h的拆模時(shí)間。另外如圖5所示，將不同時(shí)間段內(nèi)納米晶核劑作用下的混凝土與空白混凝土強(qiáng)度進(jìn)行差減法，由此發(fā)現(xiàn)納米晶核劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的促進(jìn)作用在10h左右促進(jìn)效果最佳，隨后促進(jìn)效果逐漸減弱，但24h內(nèi)均保持著不錯(cuò)的強(qiáng)度增幅。2.4納米晶核劑在PC構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用在廣東省某PC構(gòu)件廠進(jìn)行納米晶核劑生產(chǎn)試用試驗(yàn)，采用表2混凝土配方，摻入1%的納米晶核劑，分別澆筑了樓梯和凸窗構(gòu)件。試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試了摻入晶核劑后混凝土的工作性能指標(biāo)，并留置了相應(yīng)的混凝土試塊用以監(jiān)測(cè)混凝土早期強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖6。表3摻入晶核劑后混凝土工作性能測(cè)試指標(biāo)圖6摻入晶核劑留置混凝土試塊早期強(qiáng)度由于晶核劑擁有早強(qiáng)效果，在摻入晶核劑后，為了確保實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中澆筑的混凝土擁有足夠的可操作時(shí)間，分別測(cè)試了新拌混凝土及30min后的坍落度、擴(kuò)展度指標(biāo)。如表3所示，摻入納米晶核劑后，新拌混凝土30min后坍落度還可以維持在180mm左右，且擴(kuò)展度影響也很小，完全可以滿足生產(chǎn)上對(duì)操作時(shí)間的要求。如圖6所示，摻有1%納米晶核劑的留置混凝土試塊，在6h時(shí)強(qiáng)度已達(dá)到15.08MPa，已滿足構(gòu)件拆模強(qiáng)度。由于留置混凝土試塊為100mm×100mm×100mm試塊，體積較小，而實(shí)際生產(chǎn)澆筑的構(gòu)件為大體積構(gòu)件，混凝土實(shí)際溫度較高，導(dǎo)致實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度高于留置混凝土試塊強(qiáng)度，因此構(gòu)件的實(shí)際拆模時(shí)間在5h左右，相比未使用晶核劑構(gòu)件可縮短4h以上，從而可幫助PC構(gòu)件廠實(shí)現(xiàn)早拆模目標(biāo)，提高了構(gòu)件的生產(chǎn)效率。圖7為使用納米晶核劑混凝土澆筑后拆模的樓梯構(gòu)件，從混凝土加水?dāng)嚢栝_(kāi)始計(jì)時(shí)后的6h后完成拆模，構(gòu)件外觀質(zhì)量良好，基本不用修補(bǔ)。PC構(gòu)件廠對(duì)納米晶核劑試驗(yàn)結(jié)果表示滿意，現(xiàn)場(chǎng)工人更是對(duì)納米晶核劑產(chǎn)品產(chǎn)生了極大的興趣，期待納米晶核劑為PC構(gòu)件的生產(chǎn)提供更多的便利。圖7使用納米晶核劑混凝土澆筑后拆模的樓梯構(gòu)件

3、結(jié)論（1）采用化學(xué)沉淀法成功合成了平均粒徑為215nm的納米晶核劑。（2）納米晶核劑對(duì)水泥的水化起到了良好的促進(jìn)作用，可明顯縮短水泥水化誘導(dǎo)期，促進(jìn)水泥礦物的提前水化。（3）納米晶核劑極大地促進(jìn)了混凝土的早強(qiáng)，在