張豐 白銀 蔡躍波
摘要:低溫環(huán)境下,混凝土強(qiáng)度發(fā)展緩慢,嚴(yán)重影響工程施工進(jìn)度。在低溫(5 ℃)條件下,分類研究了摻入常見早強(qiáng)組分對(duì)砂漿1,3,7,28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,并明確了早強(qiáng)組分的作用時(shí)間范圍。結(jié)果表明:5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下,不同早強(qiáng)組分對(duì)砂漿各齡期下強(qiáng)度提高幅度各不相同;適量無機(jī)鹽類早強(qiáng)組分可使砂漿各齡期強(qiáng)度明顯提高,其中NaSCN和LiNO3組分的低溫早強(qiáng)效果優(yōu)異,且后期28 d強(qiáng)度仍有較大幅度提高;晶核類早強(qiáng)組分強(qiáng)度提高作用時(shí)間主要在3 d后,摻入0.2%~0.5%納米SiO2的砂漿3 d后強(qiáng)度提高顯著,28 d強(qiáng)度提高幅度可近20%;多數(shù)有機(jī)類早強(qiáng)組分強(qiáng)度提高作用時(shí)間在3 d前,甚至1 d前,三異丙醇胺的作用時(shí)間則主要在3 d后,可使砂漿3 d后強(qiáng)度發(fā)展接近對(duì)比樣在20 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度發(fā)展。
關(guān) 鍵 詞:
早強(qiáng)組分; 砂漿抗壓強(qiáng)度; 低溫環(huán)境; 作用時(shí)間; 混凝土
中圖法分類號(hào): TQ172
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.025
冬季環(huán)境下,氣溫低,混凝土強(qiáng)度發(fā)展慢[1],從而減緩工程施工進(jìn)度[2-3]。摻入早強(qiáng)組分對(duì)加快混凝土強(qiáng)度發(fā)展、保證工程質(zhì)量等有重要作用,其摻量一般不超過膠材用量的5.00%[4-5]。常溫下,氯鹽可以顯著提高混凝土早期強(qiáng)度[6-7],在0.50%~2.00%范圍內(nèi),氯化鈣摻量越高,其早強(qiáng)作用越明顯,可提高凈漿3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)30%~50%,提高7 d強(qiáng)度達(dá)15%~25%[8]。Na2SO4對(duì)大多數(shù)水泥有較好的早強(qiáng)作用[9],其適宜摻量為0.80%~2.00%,且摻量越高早強(qiáng)效果越顯著[10]。鋰鹽也可提高水泥早期強(qiáng)度,尤其低溫下仍能促進(jìn)水泥水化[11-12],摻入0.10%Li2CO3可使硫鋁酸鹽砂漿3 h抗壓強(qiáng)度達(dá)34.2 MPa,滿足道路搶險(xiǎn)工程要求[13]。甲酸鈣被認(rèn)為是替代氯化鈣的最佳物質(zhì),它能加速C3S的水化并縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間[14]。晶核物質(zhì)可明顯降低水泥水化產(chǎn)物析出的能量障礙,從而加快水泥水化[15-16]。納米材料具有尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)和表面效應(yīng)等,將其應(yīng)用于水泥基材料中可改善材料的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高材料力學(xué)性能。其中當(dāng)納米SiO2摻量為3.00%時(shí),對(duì)混凝土1,3,7,28 d強(qiáng)度的提高幅度達(dá)20%~30%[17-18]。三乙醇胺(TEA)為應(yīng)用最廣泛的一種有機(jī)早強(qiáng)組分,其適宜摻量為0.02%~0.06%。適量TEA在誘導(dǎo)期后不僅可促進(jìn)C3S的水化,還可使后期水化產(chǎn)物生長密實(shí)[19-20],但其早強(qiáng)作用效果受摻量影響較大[21]。三異丙醇胺(TIPA)常為白色粉末狀固體,具有分散性好、表面活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可增強(qiáng)水泥水化生成膠體的活性[22-23]。Ichikawa等[24]指出,TIPA能與C4AF和C3S發(fā)生反應(yīng),且可促進(jìn)石灰石粉參與C3S的水化反應(yīng),從而提高砂漿后期強(qiáng)度。摻0.04%TIPA時(shí),凈漿28 d強(qiáng)度可提高12.7%[25]。
可以看出,以往早強(qiáng)劑的研究多在常溫下進(jìn)行,而低溫環(huán)境下的研究相對(duì)較少,早強(qiáng)劑低溫下的性能尚不明確。本文以《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144-2015)中規(guī)定的正常施工最低溫度5 ℃為試驗(yàn)條件[26],研究不同類型常見早強(qiáng)組分對(duì)砂漿1,3,7,28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,并明確不同早強(qiáng)組分的作用時(shí)間范圍。
1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 原材料
(1) 水泥。
采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(HL),其XRD圖譜如圖1所示,相應(yīng)的化學(xué)組成和物理性能指標(biāo)則分別如表1~2所列??梢钥闯?,該水泥的化學(xué)組成和物理性能均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)相關(guān)規(guī)定,其3,28 d抗壓強(qiáng)度也分別達(dá)到了27.1 MPa和48.1 MPa。
(2) 早強(qiáng)組分。
在查閱文獻(xiàn)及前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,篩選出幾種早強(qiáng)組分,并將其分為無機(jī)鹽、晶核和有機(jī)3類,各早強(qiáng)組分性狀、廠家及其推薦摻量如表3所列。
(3) 其他材料。
標(biāo)準(zhǔn)砂選用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,符合《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)相關(guān)要求。試驗(yàn)用水選用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>
1.2 試驗(yàn)方法
(1) 試件制備。
試驗(yàn)過程中早強(qiáng)組分均采用外摻的方式,按照膠凝材料的質(zhì)量百分比來確定具體用量,成型砂漿試件。無機(jī)鹽類早強(qiáng)組分因多為晶體狀,成型過程中需事先將其溶解于拌合水中。
(2) 砂漿強(qiáng)度。
固定水膠比為0.45,參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671-1999)成型砂漿試件。連同試模置于(5±1) ℃低溫養(yǎng)護(hù)箱或(20±1) ℃標(biāo)養(yǎng)室,養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,然后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期后取出,折斷后測定其抗壓強(qiáng)度。
低溫養(yǎng)護(hù)箱采用上海喆鈦機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的DW-25型混凝土低溫養(yǎng)護(hù)箱,其溫控范圍為室溫至-25 ℃,控溫精度1 ℃。
2 結(jié)果與討論
2.1 常見無機(jī)鹽類早強(qiáng)組分
5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下,摻不同無機(jī)鹽早強(qiáng)組分的砂漿試件1,3,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表4所列,其中“對(duì)比樣(-20 ℃)”和“對(duì)比樣(-5 ℃)”分別表示20 ℃和5 ℃溫度養(yǎng)護(hù)下的對(duì)比試件(未摻早強(qiáng)組分)。為比較不同早強(qiáng)組分的作用效果,以“對(duì)比樣-5 ℃”試件各齡期下的強(qiáng)度為基準(zhǔn)值,計(jì)算得摻早強(qiáng)組分砂漿相應(yīng)齡期下的抗壓強(qiáng)度比,結(jié)果見圖2。
可以看出,當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從20 ℃下降至5 ℃時(shí),對(duì)比砂漿試件各齡期下的強(qiáng)度均大幅度降低,7 d前強(qiáng)度下降尤為顯著,其中1 d強(qiáng)度僅有1.8 MPa,僅為20 ℃養(yǎng)護(hù)時(shí)1 d強(qiáng)度的16.7%。5 ℃低溫養(yǎng)護(hù)下,摻入的無機(jī)鹽早強(qiáng)組分種類不同,各齡期下砂漿強(qiáng)度的提高幅度也不盡相同,有的相較于對(duì)比試件強(qiáng)度甚至?xí)箍s,且各齡期下砂漿強(qiáng)度多低于對(duì)比試件20 ℃養(yǎng)護(hù)下(對(duì)比樣-20 ℃)的強(qiáng)度,尤其是早期強(qiáng)度。同一早強(qiáng)組分在不同齡期下其摻量均存在一最優(yōu)值,且不盡相同。比較可知,Li2CO3、LiNO3、Ca(NO3)2、CaCl2、NaSCN、Na2SO4和Na2S2O3無機(jī)鹽早強(qiáng)組分中,LiNO3、Ca(NO3)2、CaCl2、NaSCN有一定低溫早強(qiáng)作用,其中CaCl2的作用效果較佳。當(dāng)CaCl2摻量為1.50%時(shí),砂漿1,3,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度提高幅度分別達(dá)452%,69%,52%和13%,早強(qiáng)作用效果明顯,且后期28 d強(qiáng)度提高的幅度仍較大,此時(shí)砂漿各齡期下強(qiáng)度已接近對(duì)比樣-20 ℃的強(qiáng)度。鋰鹽Li2CO3和LiNO3對(duì)砂漿早期1,3,7 d強(qiáng)度提高較為明顯,尤其在低摻量下(如0.03%~0.10%)效果更佳,但后期28 d強(qiáng)度的提高幅度不明顯,有時(shí)28 d強(qiáng)度還會(huì)倒縮。Na2SO4、Na2S2O3對(duì)砂漿1d強(qiáng)度的提高作用效果較為明顯,但對(duì)7 d之后強(qiáng)度提高作用不明顯,28 d強(qiáng)度則明顯倒縮;再者,Na2SO4和Na2S2O3摻入量通常較大(3.00%~4.00%),試驗(yàn)中試件表面“泛堿”現(xiàn)象嚴(yán)重。
上述常見無機(jī)鹽早強(qiáng)組分中,有且僅當(dāng)摻1.0%~1.5% CaCl2或0.2% NaSCN時(shí),砂漿1,3,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度比能同時(shí)滿足180%,150%,130%和100%的指標(biāo)要求;LiNO3則是在低摻量條件下,可使砂漿3,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度比接近上述指標(biāo)要求。CaCl2低溫早強(qiáng)效果雖好,但其會(huì)引入大量Cl-,容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕,不適用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、高性能混凝土等結(jié)構(gòu)中,《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)和《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119-2013)也嚴(yán)格限定混凝土中Cl-的摻入量。綜合來說,5℃低溫養(yǎng)護(hù)下,摻適量無機(jī)鹽類早強(qiáng)組分能使砂漿各齡期強(qiáng)度有所提高,早期強(qiáng)度的提高幅度尤為顯著;上述7種組分中,NaSCN和LiNO3組分的低溫早強(qiáng)作用效果優(yōu)異,且對(duì)后期強(qiáng)度無不利影響。
2.2 常見晶核類早強(qiáng)組分
納米材料為顆粒尺寸在納米量級(jí)(1~100 nm)的超細(xì)材料,不易分散,摻量過大時(shí)還會(huì)導(dǎo)致拌合物流動(dòng)性變差,試驗(yàn)中其所選摻量不宜過大。5 ℃低溫條件下,摻入常見的晶核類早強(qiáng)組分(納米SiO2、納米CaCO3和超細(xì)硅粉)砂漿1,3,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表5所列,相應(yīng)的砂漿抗壓強(qiáng)度比結(jié)果如圖3所示。
納米SiO2的摻入使砂漿各齡期強(qiáng)度均有所提高,3 d后強(qiáng)度的提高幅度尤為明顯,但其對(duì)1 d強(qiáng)度的作用效果有限。對(duì)不同齡期下的砂漿強(qiáng)度,納米SiO2摻量分別存在一最優(yōu)值,且不盡相同;當(dāng)摻量為0.5%時(shí),砂漿試件1,3,7 d和28 d強(qiáng)度的提高幅度分別為49%,44%,33%和19%,其中28 d強(qiáng)度(61.8 MPa)已超過對(duì)比樣20 ℃養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度(56.8 MPa),這表明在水泥水化后期納米SiO2的火山灰效應(yīng)顯著[27],可加快低溫條件下水泥后期強(qiáng)度的發(fā)展。以砂漿7,28 d抗壓強(qiáng)度比同時(shí)滿足130%和100%為指標(biāo)要求,可得到納米SiO2的摻量范圍宜為0.2%~0.5%。
除納米SiO2外,常見的晶核類早強(qiáng)組分還有納米CaCO3、超細(xì)硅粉等。從圖3中可看出,5℃養(yǎng)護(hù)下,納米CaCO3、硅粉也可顯著提高砂漿3 d后強(qiáng)度;同納米SiO2一樣,硅粉也具有火山灰效應(yīng),可促進(jìn)水泥后期水化及微觀結(jié)構(gòu)致密化,硅粉作早強(qiáng)組分時(shí),其強(qiáng)度提高作用效果與納米SiO2相近,只是所需硅粉摻量較大,但硅粉價(jià)格優(yōu)勢明顯;納米CaCO3摻量在1.0%時(shí),強(qiáng)度提高作用效果不明顯,甚至出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮;摻2.0%納米CaCO3砂漿的7,28 d抗壓強(qiáng)度比分別超過了130%和100%,作用效果接近納米SiO2,但此時(shí)其摻量遠(yuǎn)高于納米SiO2的摻量。
由此可知,5 ℃低溫下,常見晶核類早強(qiáng)組分強(qiáng)度提高作用時(shí)間主要在3 d后。綜合考量強(qiáng)度提高作用效果、摻量范圍,認(rèn)為納米SiO2較納米CaCO3、超細(xì)硅粉等常見晶核類早強(qiáng)組分具有一定優(yōu)勢,不僅摻量低,而且3 d后強(qiáng)度提高作用顯著,28 d抗壓強(qiáng)度提高接近20%;而考慮經(jīng)濟(jì)成本時(shí),可用超細(xì)硅粉替代納米SiO2。
2.3 常見有機(jī)類早強(qiáng)組分
一般來說,有機(jī)類早強(qiáng)組分本身不會(huì)對(duì)混凝土造成損害,具有一定早強(qiáng)效果,但對(duì)混凝土后期強(qiáng)度提高作用較小甚至有不利影響。5 ℃低溫養(yǎng)護(hù)下,摻不同有機(jī)類早強(qiáng)組分砂漿試件的1,3,7 d和28 d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表6所列,對(duì)應(yīng)砂漿試件的抗壓強(qiáng)度比結(jié)果如圖4所示。
在三異丙醇胺(TIPA)、三乙醇胺(TEA)、三乙醇胺鹽酸鹽(TEA·HCl)、尿素(CO(NH2)2)、甲酸鈣(Ca(HCOO)2)、乙酸鈣(Ca(CH3COO)2)和EDTA二鈉等有機(jī)類早強(qiáng)組分中,TIPA和低摻量條件下的TEA·HCl的低溫早強(qiáng)效果較好,可提高5 ℃養(yǎng)護(hù)下砂漿各齡期強(qiáng)度,其中三異丙醇胺的作用效果更佳。0.03%~1.00%摻量范圍內(nèi),TIPA組分對(duì)砂漿試件3 d后強(qiáng)度提高效果較為明顯,但1 d前強(qiáng)度提高幅度仍偏低;且砂漿3,7,28 d強(qiáng)度提高幅度均隨TIPA摻量的增加先減小后增大,以3,7,28 d抗壓強(qiáng)度比同時(shí)達(dá)到150%,130%和100%的指標(biāo),有且僅當(dāng)摻量為0.50%,1.00%時(shí)滿足要求,此時(shí)砂漿3 d后強(qiáng)度發(fā)展已經(jīng)接近甚至超過對(duì)比試件20 ℃養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度發(fā)展。當(dāng)TIPA的摻量為1.0%時(shí),砂漿各齡期強(qiáng)度均達(dá)到最高值,1,3 d和7 d抗壓強(qiáng)度的提高幅度分別達(dá)96%,79%和60%,且后期28 d強(qiáng)度也有提高,提高幅度達(dá)到了8%。綜上可知,TIPA對(duì)試件3 d后強(qiáng)度提高作用顯著,對(duì)1 d強(qiáng)度提高作用則不明顯;考慮到其摻量為0.03%時(shí),砂漿3 d強(qiáng)度比達(dá)到了146%,已接近150%的指標(biāo)要求,7 d、28 d抗壓強(qiáng)度比也同時(shí)達(dá)到了130%和100%的指標(biāo),因此可確定三異丙醇胺的適宜摻量為低摻量的0.03%及較高摻量的0.50%~1.00%。
5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下,除三異丙醇胺外,其他常見的有機(jī)類早強(qiáng)組分對(duì)砂漿各齡期下強(qiáng)度提高作用均相對(duì)有限,且作用時(shí)間主要在3 d前,但砂漿1 d強(qiáng)度仍偏低,3,7,28 d強(qiáng)度比均未達(dá)到150%,130%和100%的指標(biāo)要求,有的28 d強(qiáng)度還會(huì)倒縮,且砂漿各齡期下強(qiáng)度也均遠(yuǎn)低于對(duì)比樣20 ℃養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度。TEA、TEA·HCl和EDTA二鈉的作用規(guī)律類似,對(duì)砂漿強(qiáng)度提高的作用時(shí)間在3 d前,且僅在摻量較低下才表現(xiàn)出早強(qiáng)效果,7 d后強(qiáng)度提高效果已不明顯;摻量過大時(shí)1 d和28 d強(qiáng)度則“不升反降”。甲酸鈣、乙酸鈣對(duì)砂漿強(qiáng)度提高作用時(shí)間主要在1 d之前,1 d強(qiáng)度比可超200%,但后期強(qiáng)度的提高幅度較小,尤其是摻甲酸鈣時(shí)28 d強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯下降、倒縮。尿素在低溫下的早強(qiáng)效果較差,砂漿1 d強(qiáng)度不升而降,3 d后強(qiáng)度提高也不明顯,抗壓強(qiáng)度比均不超過120%。
由此可知,5 ℃低溫下,多數(shù)常見有機(jī)類早強(qiáng)組分強(qiáng)度提高作用時(shí)間主要在3 d前,甚至僅在1 d前,且強(qiáng)度提高幅度有限;三異丙醇胺組分性能要明顯優(yōu)于其他常見的有機(jī)類早強(qiáng)組分。三異丙醇胺的作用時(shí)間主要在3 d后,且使后期28 d強(qiáng)度也大幅度提高,相關(guān)研究也表明,TIPA可促進(jìn)C4AF的水化,能促進(jìn)水泥中后期強(qiáng)度增長[28-29]。5 ℃低溫下,摻適量三異丙醇胺(0.03%,0.50%~1.00%)砂漿3 d后各齡期強(qiáng)度已經(jīng)接近甚至超過對(duì)比樣20 ℃養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度。
3 結(jié) 論
(1) 低溫5 ℃條件下,不同類型早強(qiáng)組分對(duì)砂漿各齡期下強(qiáng)度的提高幅度各不相同;同一早強(qiáng)組分對(duì)不同齡期砂漿強(qiáng)度,其摻量均存在一最優(yōu)值,也不盡相同。
(2) 適量無機(jī)鹽類早強(qiáng)組分可提高5 ℃養(yǎng)護(hù)下砂漿各齡期強(qiáng)度,早齡期強(qiáng)度的提高幅度尤為顯著。NaSCN和LiNO3的低溫早強(qiáng)效果優(yōu)異,且砂漿后期28d強(qiáng)度提高幅度仍較大;摻入1.5% CaCl2時(shí),砂漿各齡期下強(qiáng)度能接近對(duì)比樣20 ℃養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度,但這會(huì)引入大量Cl-,易造成混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕。
(3) 5 ℃低溫下,常見晶核類早強(qiáng)組分對(duì)砂漿的強(qiáng)度提高作用時(shí)間主要在3 d后,其中納米SiO2組分可使砂漿3 d后強(qiáng)度顯著提高,28 d抗壓強(qiáng)度甚至可提高近20%,其適宜的摻量范圍為0.2%~0.5%;考慮經(jīng)濟(jì)成本時(shí),可用硅粉替代納米SiO2。
(4) 5 ℃低溫下,多數(shù)常見有機(jī)類早強(qiáng)組分對(duì)砂漿的強(qiáng)度提高作用時(shí)間主要在3 d前,甚至僅在1 d前,且強(qiáng)度提高幅度有限;而三異丙醇胺的作用時(shí)間則主要在3 d后,可使砂漿3 d后強(qiáng)度發(fā)展接近甚至超過對(duì)比樣20 ℃下的強(qiáng)度發(fā)展,其適宜摻量范圍為低摻量的0.03%及高摻量的0.50%~1.00%。
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(編輯:胡旭東)