纳米二氧化硅晶核早强剂对C30预制混凝土性能的影响

引言随着我国装配式建筑的快速发展，混凝土预制构件的需求度不断增加，企业在预制构件的生产过程中，为了提高生产效率，在有限的设备和空间条件下，通常会通过提高预制混凝土的早期强度，从而加快模具的周转，来加快生产速度。常采用的提高预制混凝土早期强度的方法主要是采用高温蒸养或者在混凝土生产中使用早强剂，促进早期强度的提高来加快模具的周转速度[1]。然而，由于高温蒸养成本高，企业更愿意采用在混凝土中添加早强剂的方法，因此，选择合适的早强剂是提高预制混凝土生产效率的最优途径。混凝土早强剂主要包括无机类和有机类，在混凝土中都有广泛的应用，但是也引起了混凝土工作性能和耐久性能的下降，而且不同的早强剂使用范围受限较大[2-3]。比如早强剂中含氯，则应避免在钢筋混凝土中使用；硫酸盐类早强剂则应避免在抗渗性能要求高的环境中使用。近年来，国内外开发了具有显著早强效果的晶核早强剂[4]，本文围绕预制混凝土早期性能的提升，研究纳米SiO2晶核早强剂（分散液）在不同掺量下对C30预制混凝土性能的影响，可以为预制混凝土实际生产中合理选用早强剂提供参考。

1、试验部分1.1原材料水泥：山水42.5普通硅酸盐水泥。砂：河砂，中砂，细度模数2.4。石子：碎石，粒径5~25mm。粉煤灰：山东黄台火力发电厂II级粉煤灰。矿粉：鲁新S95矿粉。减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率25%。纳米SiO2晶核早强剂分散液：粒径10~20nm，固含量30%，pH值7.8。水泥、粉煤灰、矿粉的化学成分见表1。1.2试验仪器及方法试验采用的仪器有：砂浆搅拌机，NJ-160A型，无锡新建仪器科技有限公司；压力试验机，YAW-2000型，济南中路昌试验机制造有限公司；混凝土搅拌机，HJW-60，北京北方建仪科技有限公司。混凝土坍落度、坍落度经时损失和凝结时间：根据GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》进行测试。混凝土力学性能：制作150mm×150mm×150mm的试模，养护至相应龄期，根据GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对硬化混凝土块进行检测。水泥水化程度：采用化学结合水法中的普通升温法，水灰比设定为0.5，用无水乙醇将养护至相应龄期的水泥样品终止水化，干燥粉磨，过0.075mm方孔筛，在65℃条件下烘干至恒重，继续在1000℃烧至恒重。1.3配合比C30混凝土配合比见表2。其中，纳米SiO2晶核早强剂的掺量分别为0%、1%、2%、3%、4%。表2C30混凝土试验配合比2、结果与讨论2.1纳米SiO2晶核早强剂对混凝土工作性能的影响图1为不同SiO2晶核早强剂掺量条件下，新拌混凝土的坍落度。由图1可知，当纳米SiO2晶核早强剂掺量不高于1%时，初始坍落度相对稳定在165mm；但是当掺量继续增大，其坍落度开始降低，尤其是当掺量达到4%时，坍落度迅速下降。从图1也可以看出，新拌混凝土1h坍落度出现不同程度的损失。当纳米SiO2晶核早强剂掺量为1%时，与未掺早强剂的混凝土坍落度损失相同，随着其掺量的继续增大，坍落度损失也逐渐增大。在掺量达到4%时，坍落度损失出现大幅增高。这主要是因为在低掺量条件下，液态纳米SiO2能够很好的分散在混凝土体系中，对混凝土流动性的影响较低。但是当掺量增大时，纳米SiO2在混凝土中分散变的困难，而且其微填充效应占据主导地位，从而增加了体系稠度，降低了浆体的流动性。因此，纳米SiO2晶核早强剂在混凝土中的掺量不应过多，应控制在一定范围内，维持混凝土具有良好的流动性[5]。图1不同掺量纳米SiO2晶核早强剂对混凝土坍落度的影响2.2纳米SiO2晶核早强剂对混凝土凝结时间的影响图2为不同纳米SiO2晶核早强剂掺量条件下，新拌混凝土的初凝和终凝时间。由图2可知，不同掺量的纳米SiO2晶核早强剂均能够缩短混凝土的初凝和终凝时间，且随着掺量的增大，混凝土的凝结时间逐渐缩短，在掺量达到3%时，初凝时间缩短了2.95h，终凝时间缩短了3.96h。然而，在掺量从3%增加到4%时，初凝时间和终凝时间相对稳定。这说明，纳米SiO2晶核早强剂在一定掺量范围内能够缩短混凝土的凝结时间，但是过高的掺量并不能进一步缩短凝结时间。这主要是因为过高掺量的纳米SiO2晶核早强剂会导致其在混凝土浆体内分散不均匀，其微填充效应导致浆体密度增加，在一定程度上阻碍了纳米SiO2扩散，使其促进水泥早期水化的作用受到限制，因此在掺量从3%增加到4%时，凝结时间没有进一步的明显缩短。

图2不同掺量纳米SiO2晶核早强剂对混凝土凝结时间的影响2.3纳米SiO2晶核早强剂对混凝土强度的影响图3为不同纳米SiO2晶核早强剂掺量对混凝土强度的影响。由图3可知，未使用晶核早强剂的混凝土在8h时尚未终凝，强度为0，但是使用晶核早强剂的混凝土在8h时已经终凝且具有一定强度，且随着其掺量的增加，混凝土的抗压强度不断增加。这说明，纳米SiO2晶核早强剂对混凝土早期强度有明显的提升，尤其是在24h以内对混凝土强度的提升作用非常明显。从图3中可以看到，当掺量达到3%时，混凝土24h抗压强度达到18.8MPa，已满足脱模要求，而未掺早强剂的混凝土强度仅为7.6MPa。这说明在预制混凝土生产中，掺入纳米SiO2晶核早强剂能够明显提升混凝土的早期强度，缩短脱模时间，提高生产效率，进而可以通过省去蒸养措施而极大的降低预制混凝土的生产成本。同时从图3中可以看出，掺晶核早强剂的混凝土28d抗压强度明显高于未掺的混凝土，其除了有良好的24h内的超早龄期早强效果外，也不会引起后期强度的倒缩。

图3

不同纳米SiO2晶核早强剂掺量对混凝土强度的影响2.4纳米SiO2晶核早强剂对水泥水化程度的影响图4为不同掺量纳米SiO2晶核早强剂对水泥早期水化程度的影响。由图4可知，纳米SiO2晶核早强剂的掺入能够促进水泥的早期水化进程，在前12h内，未掺晶核早强剂和掺晶核早强剂的水泥浆体的水化程度逐渐拉大，掺3%早强剂的水泥浆体在12h的水化程度比未掺早强剂的水泥浆体的水化程度高14.8%。这说明纳米SiO2晶核早强剂能够促进水化产物的产生，加快水泥水化进程，有利于混凝土早期强度的提升。图4

不同掺量纳米SiO2晶核早强剂对水泥早期水化程度的影响结论（1）纳米SiO2晶核早强剂对C30新拌混凝土坍落度影响较小，但是1h经时坍落度损失随着掺量的增加而增加，在低掺量（掺量不大于1%）时，1h经时损失影响较小，但是当掺量达到4%时，经时损失迅速增大。因此，纳米SiO2晶核早强剂的掺量不宜过大。（2）随着纳米SiO2晶核早强剂掺量的增加，混凝土凝结时间缩短，早