CN115838301A - 一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，它涉及预制混凝土结构件的制备方法。它既能够解决现有的混凝土不易在低温条件下固化、使用的技术问题，还能够满足混凝土结构件在正温下的快速制备问题。本方法：以具有水化活性的胶凝材料部分取代混凝土拌合料中的水泥，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；将水泥砂浆倒入成型模具中，成型，通电进行电激养护；达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件。通过具有水化活性的胶凝材料的加入，使预制混凝土结构件通过电激养护实现在各类应用场景下的快速制造的目的，本发明可用于建筑领域。

Description

一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法

技术领域

本发明属土木工程技术领域，具体涉及预制混凝土结构件的制备方法。

背景技术

随着我国经济不断发展，混凝土结构的使用也越来越广泛，在实际生产过程中，预制混凝土构件也起到越发重要的作用。与此同时，在我国北方，冬季气温长期维持在零度以下，在这样恶劣的条件下，混凝土的施工会受到很大阻碍。现有的做法通常是将试件养护至抗冻临界强度，等到环境温度达到正温后再对其进行养护，使工期延长，也会使结构件的强度受到影响。同时，严寒地区冬季混凝土结构容易在环境温度反复变化的条件下出现结构损伤的现象。因此在严寒地区的混凝土工程都无法在冬季进行正常的施工养护。预制构件建设所需环境严重依托于构件厂提供的正温环境。不利于预制构件在我国北方地区冬季的施工建设。

电激方法作为一种新型的养护方式已经得到了一定的关注，它是一种利用电场生热实现结构养护的方法，相较于传统养护方法，在提高基体养护温度的同时，还对基体施加了交变电场。目前，关于电激养护新方法的研究主要集中在其通电机理方面，尚无利用电激养护在各种实际环境下制备混凝土结构的相关技术记载，没有得到大面积推广，究其根本原因是电激养护对不同混凝土材料组分影响效果尚不明确，导致混凝土养护质量无法统一。

发明内容

本发明是要解决现有的混凝土不易在低温条件下固化，无法在低温条件下使用的技术问题，而提供一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法。它提供了一种既能够用于正温促进预制混凝土结构件强度快速形成，又能应用于寒区冬季预制混凝土结构的适温电激养护材料体系，以解决在寒区冬季的施工中，电激养护方法没有相匹配的材料体系的现状，实现多功能多场景电激养护材料体系构件的制备。

本发明用于电激养护预制混凝土结构件的制备方法，按以下步骤进行：

一、拌合水泥砂浆：以具有水化活性的胶凝材料部分取代混凝土拌合料中的水泥，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

二、将步骤一中的水泥砂浆倒入成型模具中，成型，通电进行电激养护；

三、达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件。

更进一步地，步骤一中所述的水泥为普通硅酸盐32.5水泥、普通硅酸盐42.5水泥、普通硅酸盐52.5水泥或者超高强72.5水泥；

更进一步地，步骤一中所述的具有水化活性的胶凝材料为偏高岭土、铁尾矿粉、硅灰、钢渣或镍渣；该组材料为欧姆热活性材料，发热较高，可用于高性能混凝土构件的制备；

更进一步地，步骤一中所述的具有水化活性的胶凝材料为稻壳灰或粉煤灰；该组材料能够抑制发热，可用于需要控制基体膨胀的混凝土构件的制备；

更进一步地，步骤一中所述的具有水化活性的胶凝材料为粒化高炉矿渣、赤泥、煤矸石或磷渣粉；该组材料能够制备实现低水泥掺量绿色混凝土结构的制备；

更进一步地，步骤一中所述的部分取代是指取代混凝土拌合料中水泥质量的1%~60%；

更进一步地，步骤二中所述的温度条件为-40℃~40℃之间。

更进一步地，步骤二中所述的成型模具包括成型箱体1和一对电极片2，电极片2设置在成型箱体1内相对的两侧内壁上；成型时，将混合料倒入成型箱体1内，混合料与电极片2接触，电极片2与电源连通，产生欧姆热对成型箱体1内的混凝土进行电激养护，达到固化成型的目的。

更进一步地，步骤一中所述的混凝土拌合料还含有导电纤维或导电填料，用于提升混凝土拌合料的导电性能；其中导电纤维为碳纤维、钢纤维、碳纳米纤维和不锈钢纤维中的一种或几种的组合；导电填料为石墨烯、炭黑和纳米炭黑中的一种或几种的组合；导电纤维的组合使用可以使混凝土结构件具有多功能性质，实现从制备到后期应用的全过程多功能应用混凝土结构体系设计，但并不是实现预制混凝土结构电激养护的必要条件。

更进一步地，步骤一中所述的搅拌方法为球磨法、干混预制搅拌法、湿搅拌法、超声分散法；其目的是促进纤维在基体内部的分散。

更进一步地，步骤二中所述的电激养护时的温度保持在40℃~80℃之间。此温度适于在环境在-20℃~40℃的地区。

更进一步地，步骤二中所述的电激养护时的温度保持在20℃~40℃之间。此温度适于在环境低于-20℃的地区，如极地地区。

更进一步地，步骤二中所述的通电功率为5~50W。

电激养护是一种自带交变电场的自生热养护机制，它提供的高温会促进具有活性的胶凝材料的水化活性，进而进一步提高养护温度，促进混凝土结构件的水化；电激养护是自生热养护机制，惰性胶凝材料的使用会在消耗欧姆热的同时起到抑制结构膨胀的作用，对结构的性能有提升效果。

具有不同活性的材料在电激养护作用下的性能激发效果是不同的，惰性胶凝材料可能会受电场激发作用表现出更高的活性，而活性胶凝材料在电场作用下也会表现出不同的活性激发效果，因此针对电激养护水泥基材料内部原材料的组成，提出欧姆热活性和欧姆热惰性的概念，对电激养护材料体系的设计提出开创性理念。

活性胶凝材料和惰性胶凝材料都被认为能够参与到反应过程中，活性胶凝材料反应更加迅速、彻底，而惰性胶凝材料的水化反应活性较低；在此基础上，欧姆热活性材料指的是在电激养护作用下，力学性能、电热学性能或者耐久性能等会得到进一步激发的材料，传统的活性胶凝材料和惰性胶凝材料的分类在电激养护条件下得到变革，活性胶凝材料由于在电激养护作用下没有性能提升，被归类为欧姆热惰性材料，惰性胶凝材料会因为电激养护的作用得到增强效果，被归类为欧姆热活性材料。

电激养护是一种新型养护方法，不同材料在电激养护条件下表现出的性能不同，根据电激养护对不同欧姆热活性材料性能的激发效果，可以将这些材料应用到不同场合的应用场景中，实现多功能高性能混凝土结构的建设。

该方法操作简单，人力需求较低，装置与模板布设与传统混凝土一致。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

一、本发明为一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，适用于在不用应用场景下的预制混凝土结构的现场快速施工。材料体系的制备充分利用各种材料自身的性能，适用在电激养护制度下，能够与电激养护适配，结合相应养护场景及应用需求实现多功能混凝土结构件的快速制备，本发明明确且定量评述不同混凝土材料组分影响效果，使混凝土养护质量统一。

二、本发明中的养护方法能够高效、迅速地养护冬季施工混凝土，原料成本较低，能源消耗小，且材料体系设计较为灵活，利用各种活性胶凝材料取代水泥能够积极响应我国“碳达峰”和“碳中和”两大目标。

三、本发明提出的“欧姆热活性”和“欧姆热惰性”概念，是一种基于原有的材料活性判断标准所创立的新型材料活性判断准则，适用于电激养护水泥基材料内部材料性能的评价，为电激养护材料体系设计提供了一种更加创新的判断标准。

四、本发明中的材料体系能够充分结合现场施工情况，实现就地取材，就地制备混凝土结构，能够显著节约寒区冬季混凝土制备的原材料运输成本。

五、本发明中的养护方法操作简单且成本较低，养护效果全面均匀，无需配合复杂的机械结构，容易加工移动，可多次重复利用。

附图说明

图1是实施例1中在混凝土结构件养护过程中的温度发展测试图；

图2为实施例2中制备的混凝土结构件养护过程中的温度发展测试图；

图3为实施例2中制备的混凝土结构件的力学性能测试图；

图4为实施例3中制备的混凝土结构件的力学性能测试图；

图5为实施例3中制备的混凝土结构件的力学性能测试图；

图6为实施例中的成型模具的结构示意图。

具体实施方式

用下面的实施例验证本发明的有益效果。

实施例1：本实施例针对不同活性胶凝材料在电激养护作用下的发热效果进行评价，明确不同活性胶凝材料的应用对电激养护条件下试件养护温度的影响。本实施例的用于寒区冬季施工的电激养护混凝土结构件的制备方法，按以下步骤进行：

一、拌合各组水泥砂浆：

（1）作为对照的水泥砂浆的配合比为水泥：石英砂=1：1，水胶比为0.3，备好水泥、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为1.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入标准砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（2）用偏高岭土改性水泥砂浆，配合比为水泥：偏高岭土：石英砂=1：0.3：1.3，水胶比为0.3；备好水泥、偏高岭土、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为1.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥、偏高岭土与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入标准砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（3）用粉煤灰改性水泥砂浆，配合比为水泥：粉煤灰：石英砂=1：0.3：1.3，水胶比为0.3；备好水泥、粉煤灰、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为1.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥、粉煤灰与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入标准砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（4）用粒化高炉矿渣改性水泥砂浆，配合比为水泥：粒化高炉矿渣：石英砂=1：0.3：1.3，水胶比为0.3；备好水泥、粒化高炉矿渣、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为1.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥、粒化高炉矿渣与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入标准砂细石英砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

二、在环境温度为-20℃条件下，将步骤一中的水泥砂浆分别倒入成型模具中，其中成型模具由70.7mm×70.7mm×70.7mm的成型箱体1、一对电极片2和热电偶3组成，电极片2设置在成型箱体1内相对的两侧内壁上，热电偶3设置在成型箱体1的中央位置，用于监测养护全过程的温度，成型模具的结构示意图如图6所示；成型时，将水泥砂浆倒入成型箱体1内，水泥砂浆与电极片2接触；

三、将电极片2与电源连通，通电功率恒定为20W，产生欧姆热对成型箱体1内的混凝土进行电激养护，养护龄期12h，每隔30min对试件的电阻进行测量，即时调整电压，保证养护全过程的恒功率电能供给；达到固化成型的目的；达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件；

图1是实施例1中在混凝土结构件养护过程中的温度发展测试图；实施例1的实验结果表明，在20W通电功率电激养护的条件下，对照组试件的养护温度能够稳定维持在50-57℃之间，而偏高岭土改性水泥砂浆的养护温度相较于对照组有显著提升，达到65-70℃之间，粉煤灰改性水泥砂浆的养护温度要低于对照组，在39-43℃之间，粒化高炉矿渣改性水泥砂浆的养护温度与对照组相同，集中在54-60℃之间。综上可知，电激养护作为一种热养方法可以针对不同活性胶凝材料的不同发热特性进行具有针对性的养护，针对高性能混凝土的制备，可以采用偏高岭土这类发热较高的胶凝材料取代水泥，针对需要控制基体膨胀的水泥基材料，可以采用粉煤灰这类能够抑制发热的胶凝材料取代水泥，而粒化高炉矿渣改性的胶凝材料体系能够制备实现低水泥掺量绿色混凝土结构的制备。在此基础上，偏高岭土由于能够提高试件的发热效率，被认定为欧姆热活性材料。

实施例2：本实施例中的高发热混凝土结构材料体系从颗粒材料和导电填料改性两个角度进行设计，本实施例的用于寒区冬季施工的电激养护混凝土结构件的制备方法，按以下步骤进行：

一、拌合各组水泥砂浆：

（1）作为对照的水泥砂浆的配合比为水泥：石英砂=1：1，水胶比0.30，备好水泥、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为1.0vol%、减水剂的掺量为2.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径为0.5~2mm的细石英砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（2）按水泥砂浆的配合比为水泥：偏高岭土：石英砂=0.8：0.2：1，水胶比0.30，备好水泥、偏高岭土、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为1.0vol%、减水剂的掺量为3.0wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥、偏高岭土与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径为0.5~2mm的细石英砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（3）按水泥砂浆的配合比为水泥：粒化高炉矿渣：石英砂=0.8：0.2：1，水胶比0.30，备好水泥、粒化高炉矿渣、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为1.0vol%、减水剂的掺量为3.0wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥、粒化高炉矿渣与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径为0.5~2mm的细石英砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（4）按水泥砂浆的配合比为水泥：石英砂=1：1，水胶比0.30，备好水泥、石英砂和水；再按碳纳米纤维的体积掺量为0.5vol%、减水剂的掺量为3.0wt%，称取碳纳米纤维和减水剂；将水泥与碳纳米纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，再利用超声分散30分钟，保证碳纳米纤维在水中的均匀分散，最后加入0.5~2mm的细石英砂，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

二、在环境温度为-60℃条件下，将步骤一中的水泥砂浆分别倒入成型模具中，其中成型模具由70.7mm×70.7mm×70.7mm的成型箱体1、一对电极片2和热电偶3组成，电极片2设置在成型箱体1内相对的两侧内壁上，热电偶3设置在成型箱体1的中央位置，用于监测养护全过程的温度，成型模具的结构示意图如图6所示；成型时，将水泥砂浆倒入成型箱体1内，水泥砂浆与电极片2接触；

三、将电极片2与电源连通，通电功率恒定为30W，产生欧姆热对成型箱体1内的混凝土进行电激养护，养护龄期2天，每隔30min对试件的电阻进行测量，即时调整电压，保证养护全过程的恒功率电能供给，达到固化成型的目的；达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件。

图2为实施例2中制备的混凝土结构件养护过程中的温度发展测试图；图3为实施例2中制备的混凝土结构件的力学性能测试图；实施例2的试验结果表明，对照组结构在本实施例设定养护条件下养护温度达到47-52℃区间范围内，养护2天抗压强度达到36.9MPa，符合C50混凝土标准。从颗粒材料和导电填料两种层面对混凝土结构进行改性都能够在相同通电功率的条件下显著提高结构的养护温度，偏高岭土取代水泥得到的结构在同等养护条件下温度达到49-56℃，养护2天力学性能达到42.4MPa，相较于对照组结构强度提高14.9%，高炉粒化矿渣改性结构养护温度处于44-50℃之间，2天抗压强度达到34.7MPa，与对照组相当；碳纳米纤维改性结构养护温度高达55-60℃，力学性能同样出现大幅提升，达到47.3MP。以上实验结果均表明，在严寒极端条件下，通过合理选用活性胶凝材料以及导电填料，能够利用电激养护制备出绿色高性能混凝土结构。

实施例3：本实施例利用绿色具有欧姆热活性的铁尾矿改性水泥砂浆，本实施例的用于寒区冬季施工的电激养护混凝土结构件的制备方法，按以下步骤进行：

一、拌合各组水泥砂浆，每组各两份：

（1）作为对照的水泥砂浆的配合比为水泥：石英砂=1：2.5，水胶比0.25，备好水泥、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为2.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径1~2.5mm的河沙，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（2）按水泥砂浆的配合比为水泥：铁尾矿粉：石英砂=0.9：0.1：2.5（铁尾矿粉取代水泥质量为10%），水胶比0.30，备好水泥、铁尾矿粉、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为2.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径1~2.5mm的河沙，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（3）按水泥砂浆的配合比为水泥：铁尾矿粉：石英砂=0.8：0.2：2.5（铁尾矿粉取代水泥质量为20%），水胶比0.30，备好水泥、铁尾矿粉、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为2.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径1~2.5mm的河沙，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（4）按水泥砂浆的配合比为水泥：铁尾矿粉：石英砂=0.7：0.3：2.5（铁尾矿粉取代水泥质量为30%），水胶比0.30，备好水泥、铁尾矿粉、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为2.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径1~2.5mm的河沙，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

（5）按水泥砂浆的配合比为水泥：铁尾矿粉：石英砂=0.6：0.4：2.5（铁尾矿粉取代水泥质量为40%），水胶比0.30，备好水泥、铁尾矿粉、石英砂和水；再按碳纤维的体积掺量为0.75vol%、减水剂的掺量为2.5wt%，称取碳纤维和减水剂；将水泥与碳纤维首先进行搅拌，后倒入水和减水剂搅拌，最后加入粒径1~2.5mm的河沙，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

二、取一份（1）~（5）组的水泥砂浆倒入70.7mm×70.7mm×70.7mm的成型模具中，进行标准养护28天；达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件；

三、取另一份（1）~（5）组的水泥砂浆倒入成型模具中，其中成型模具由70.7mm×70.7mm×70.7mm的成型箱体1、一对电极片2和热电偶3组成，电极片2设置在成型箱体1内相对的两侧内壁上，热电偶3设置在成型箱体1的中央位置，用于监测养护全过程的温度，成型模具的结构示意图如图6所示；成型时，将水泥砂浆倒入成型箱体1内，水泥砂浆与电极片2接触；将电极片2与电源连通，通电功率恒定为30W，产生欧姆热对成型箱体1内的混凝土进行电激养护，电激养护2天后，再标准养护26天；达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件。

图4为实施例3中标准养护28天的混凝土结构件的力学性能测试图；从图4可以看出，标准养护28天条件下，铁尾矿-水泥砂浆力学性能随着铁尾矿取代水泥量的增加逐渐降低。

图5为实施例3中先电激养护2天后，再标准养护26天制备的混凝土结构件的力学性能测试图；从图5可以看出，早期电激养护2天条件下，不同铁尾矿掺量试件在龄期达到28d后的抗压强度没有显著差异，这表明铁尾矿掺量增多的条件下，其水化活性被电激养护这一方法大幅激发，导致其长期力学性能发展规律要明显优于传统标准养护试件。这一现象确定了铁尾矿是一种“欧姆热活性”胶凝材料。

综上，作为一种针对寒区冬季混凝土结构的适温电激养护材料体系，本发明从不同角度对电激养护混凝土结构的材料体系进行改良，在不同负温环境下，对相应的结构进行电激养护，得到具有优异性能的混凝土结构，为寒区绿色混凝土结构的就地取材和现场制备带来突破。

Claims (10)

1.一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

一、拌合水泥砂浆：以具有水化活性的胶凝材料部分取代混凝土拌合料中的水泥，搅拌均匀后，得到水泥砂浆；

二、将步骤一中的水泥砂浆倒入成型模具中，成型，通电进行电激养护；

三、达养护龄期后，脱模，得到混凝土结构件。

2.根据权利要求1所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的水泥为普通硅酸盐32.5水泥、普通硅酸盐42.5水泥、普通硅酸盐52.5水泥或者超高强72.5水泥。

3.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的具有水化活性的胶凝材料为偏高岭土、铁尾矿粉、硅灰、钢渣或镍渣。

4.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的具有水化活性的胶凝材料为稻壳灰或粉煤灰。

5.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的具有水化活性的胶凝材料为粒化高炉矿渣、赤泥、煤矸石或磷渣粉。

6.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的部分取代是指取代混凝土拌合料中水泥质量的1%~60%。

7.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的成型环境温度范围在-40℃~40℃之间。

8.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的成型模具包括成型箱体（1）和一对电极片（2），电极片（2）设置在成型箱体（1）内相对的两侧内壁上。

9.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的混凝土拌合料还含有导电纤维或导电填料。

10.根据权利要求1或2所述的一种电激养护预制混凝土结构件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的通电功率为5~50W。

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