快硬早強混凝土的制備研究

何 鑫 熊春楊 羅 健 范曉玲 李 鋒

（成都建工預筑科技有限公司，四川 成都 610000）

1 引言

快硬早強混凝土是一種具有凝結時間快、早期強度高、后期強度不倒縮、耐久性良好的高性能混凝土。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，車載量與交通量急劇增加，高速公路、城市道路承受的交通壓力越來越大，使得我國混凝土路面損壞情況日趨嚴重，并且早期建設的混凝土路面也臨近使用壽命，面臨更新?lián)Q代。普通混凝土凝結時間通常較長，早期強度低，養(yǎng)護時間長，使得道路長時間不能使用，無法滿足車輛快速通行的要求，而快硬早強混凝土的特點則符合人們對于道路混凝土性能的需求。

許多國家對修補材料領域越來越重視，美國、英國、日本等發(fā)達國家先后對此問題進行研究并取得一定成果。美國波波維奇教授研究了一款特種水泥快硬混凝土，1h抗壓強度能夠達到 15～ 20MPa，在緊急情況下可用于快速搶修；Mikhailov曾研制出鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和二水石膏組分比例為18∶67∶15的自應力水泥；重慶大學的蒲心誠教授研究了在混凝土中加入早強型外加劑，12h抗壓強度大于35MPa。

目前，我國對于快硬早強混凝土的研究還不夠深入，快硬早強混凝土在使用過程中還存在一些問題，本文旨在通過調整快硬早強混凝土的配比，使其4h抗壓強度大于20MPa，1h坍落擴展度大于600mm。

2 原材料和試驗方法

2.1 原材料

水泥：P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，四川星船城水泥股份有限公司生產，其物理性能見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學性能

粉煤灰：一級粉煤灰，成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司生產，其物理性能見表2。

表2 粉煤灰的物理性能

硅灰：成都明凌科技有限公司生產，灰白色，比表面積為18 000 m2/kg，密度為2.2g/cm3。

粗集料：產自四川廣漢，粒徑為5～ 31.5mm連續(xù)級配，物理性能按照GB/T 14685-2011測試，見表3。

表3 碎石物理性能

細集料：試驗所用砂子為中砂，產自四川廣漢，細度模數(shù)為2.5，表4為砂子顆粒級配；根據(jù)GB/T 14684-2011對砂的其他性能進行測試，見表5。

表4 砂的顆粒級配

表5 砂的物理性能

外加劑：試驗所用減水劑為聚羧酸高效減水劑，四川常青藤科技發(fā)展有限公司生產，主要成分為聚羧酸鹽，劑型為液型，固含量10%，減水率27%。

促凝劑：廣東龍湖科技有限公司生產，灰白色粉末，比表面積為5 500～ 7 500cm2/g，密度為2.90～ 3.10g/cm3。

2.2 實驗方法

將膠凝材料、粗骨料、細骨料和促凝劑混合均勻后，加水與減水劑，用混凝土攪拌機自動攪拌，攪拌均勻后裝模成型，裝入尺寸100mm×100mm×100mm模具中，在溫度為20±1℃、濕度為95%左右的標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，3h后脫模，到達齡期后進行抗壓強度測試。試塊的工作性能測試按照《普通混凝土拌合物性能測試方法標準》（GB/T 50080-2016）的相關規(guī)定進行，抗壓強度按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）進行測試。

3 快硬早強混凝土的配制

3.1 促凝劑摻量對混凝土力學性能的影響

為了探究不同促凝劑摻量對混凝土力學性能的影響，試驗采用水灰比0.34、膠材用量525kg/m3、砂率38%、減水劑摻量3%的混凝土配比為基準，促凝劑摻量（膠材用量的百分比）分別為15%、20%、25%和30%進行研究，對試塊進行4h和28d抗壓強度測試，試驗結果如圖1所示。

圖1 促凝劑摻量對混凝土抗壓強度的影響

從圖1可以看出，混凝土的4h抗壓強度隨著促凝劑摻量的增大而隨之增大，分別為15MPa、19.4MPa、21.4MPa和27.5MPa，其中促凝劑摻量為25%和30%時混凝土4h抗壓強度大于20MPa；隨著促凝劑摻量的增加，混凝土28d抗壓強度并沒有明顯的規(guī)律，均達到70MPa以上，當促凝劑摻量達到30%時，試塊4h的抗壓強度達到最大，為27.5MPa；在摻量為25%時，試塊28d抗壓強度最大，為87.5MPa。這是因為促凝劑能縮短水泥凝結時間，加速水泥水化，并在較短時間內使混凝土產生強度；當促凝劑摻量大于20%時，混凝土的4h強度大于20MPa。

3.2 正交實驗結果分析

為進一步研究快硬早強混凝土配合比中關鍵參數(shù)對其性能的影響，進一步優(yōu)化配合比，本次試驗固定水灰比為0.34，促凝劑摻量為膠材用量的30%，減水劑摻量為6%，同時選取膠凝材料、硼酸摻量和砂率作為三因素，每一因素分別取3個水平進行正交實驗，以快硬早強混凝土的4h抗壓強度和28d抗壓強度為考核指標，找出快硬早強混凝土的最佳配合比。正交實驗因素設計水平見表6，選用正交表L9（33）?；炷撂涠?、擴展度、4h抗壓強度和28d抗壓強度的檢測結果的極差分析過程及結果見表7。

表6 混凝土正交因素設計水平

三個因素分別在水平1、水平2、水平3下的1h坍落度用K1、K2、K3表示（見表7），以此來反映混凝土在不同因素下，每個水平對混凝土1h坍落度的影響，從而得到某因素下的最優(yōu)水平。同一因素下水平的變化對坍落度的影響程度，用該因素下不同水平的坍落度的極差R來反映，極差越大，所對應的因素越重要，反之，該因素則為次要因素。

表7 混凝土坍落度、擴展度、抗壓強度的影響因素極差分析

從表7可分析出影響快硬早強混凝土1h坍落度的因素主次順序為：硼酸=膠材用量＞砂率，即硼酸與膠材用量是影響快硬早強混凝土1h坍落度的主要因素，砂率是次要因素。因此，得知快硬早強混凝土1h坍落度越大工作性能越好，故而最優(yōu)水平應選取每個因素里K值最大的水平，即A1C3B1：膠材用量455kg/m3、砂率為38%、硼酸摻量為0.37%、水膠比為0.34、減水劑為4%。

表7中的K4、K5、K6分別表示各個因素在水平1、水平2、水平3下的1h擴展度，可以看出，影響快硬早強混凝土1h擴展度的因素主次順序為：膠材用量＞砂率＞硼酸，即膠材用量是影響快硬早強混凝土1h擴展度的主要因素，砂率是次要因素，硼酸對混凝土的擴展度影響較小。對于快硬早強混凝土1h擴展度來說，坍落擴展度越大，工作性越好，應取每個因素中的最優(yōu)水平（K值最大的水平），即B2A3C2：膠材用量525kg/m3、砂率為40%、硼酸摻量為0.35%、水膠比為0.34、減水劑為4%。

表7中的K7、K8、K9分別表示各個因素在水平1、水平2、水平3下的4h平均抗壓強度，分析得到影響正交試驗中快硬早強混凝土4h抗壓強度的因素主次順序為：硼酸＞膠凝材料摻量＞砂率，即硼酸摻量是影響快硬早強混凝土抗壓強度的主要因素，膠凝材料是次要因素，砂率影響較小。為使混凝土達到早強效果，4h抗壓強度越大越好，因此，從表中可以得到最優(yōu)因素水平組合，即C1A3B3：硼酸摻量為0.33%、膠凝材料摻量為525kg/m3、砂率為42%。

表7中的K10、K11、K12分別表示各個因素在水平1、水平2、水平3下的28d平均抗壓強度。經(jīng)表7分析得到影響正交試驗中快硬早強混凝土28d抗壓強度的因素主次順序為：硼酸＞砂率＞膠凝材料摻量，即硼酸摻量是影響快硬早強混凝土抗壓強度的主要因素，砂率是次要因素，膠凝材料影響較小?；炷恋?8d抗壓強度越大則力學性能越優(yōu)，故而應取每個因素中的最優(yōu)水平（K值最大的水平），即C2B2A1：硼酸為0.35%、膠凝材料摻量為455kg/m3、砂率為40%。

為了直觀描繪正交試驗，通常對其作效應曲線圖，圖2和圖3為表7中不同因素各水平結果的均值效應曲線圖。

圖2 坍落度與擴展度的直觀分析效應曲線圖

圖3 抗壓強度的直觀分析效應曲線圖

從圖2-a可以得出，混凝土的初始坍落度隨膠凝材料摻量的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，1h后坍落度在230mm以上，坍落擴展度在610mm以上，還保持著優(yōu)異的工作性能。這可能是因為隨著膠凝材料增加，混凝土中漿體增多，使得新拌混凝土工作性能得到提高，但膠凝材料過多，會使?jié){體變得黏稠，工作性能有所下降。

從圖2-b可以看出，隨著砂率的增大，新拌混凝土的初始坍落度先減小后增大，而坍落擴展度先增大后減小，但1h后仍有良好的工作性能。這可能是因為砂子與水泥漿組成砂漿，而砂漿能夠在粗骨料間起到潤滑和滾珠作用，減少粗骨料間摩擦力，所以在一定范圍內，隨著砂率的增大，混凝土的流動性增大，同時，由于砂的比表面積比粗骨料大，隨著砂率的增大，骨料的總比表面積增大，在漿體一定的條件下，骨料表面包裹的漿料減少，潤滑作用減弱，因此流動性降低。

從圖2-c分析得出，混凝土的初始坍落度隨著硼酸摻量的增加而逐漸增大，坍落擴展度逐漸降低，1h后坍落度和擴展度分別先增大后降低、先降低后增大，這可能是因為隨著緩凝劑增加，可以提高拌合物的均勻性，延長混凝土的凝結時間，從而改善混凝土流動性，減少損失，提高新拌混凝土工作性能。

從圖3-a中可以看出，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土4h和28d抗壓強度先減小后增大，且4h抗壓強度均大于30MPa，28d抗壓強度均大于70MPa。是因為混凝土中的水分子增加了水泥顆粒間的距離，硬化后留下大量毛細孔隙，導致混凝土強度降低；隨著膠凝材料的增加，膠凝材料很好地填充于水泥凝結硬化過程所形成的孔隙中，改善水泥的微孔結構以及骨料與水泥石之間的界面結構，讓混凝土更加密實。摻合料在Ca(OH)2的激發(fā)下具有一定活性，能夠和水化產物發(fā)生二次水化反應，形成水化硅酸鈣，從根本上改善混凝土微觀結構和骨料界面性能，提高混凝土強度。

從圖3-b可以看出，混凝土4h抗壓強度隨著砂率的增加逐漸增大，28d抗壓強度則先增大后減小，且4h抗壓強度均大于30MPa，28d抗壓強度均大于70MPa。因為砂率的增加引起混凝土中砂石比例變大，導致粗集料與膠凝材料的比例逐漸減??；且過小的砂率導致碎石包裹性變差，黏聚性和保水性均下降，易產生泌水、離析和流漿?；炷林猩笆壤?，富裕漿體含量增加，砂漿的比表面積比粗骨料大，碎石的密實骨架結構遭到破壞，混凝土強度降低。

從圖3-c分析得出，隨著硼酸摻量的提高，混凝土4h抗壓強度降低，28d抗壓強度呈先增加后降低的趨勢。這可能是因為硼酸具有緩凝作用，隨著硼酸摻量的增加，減緩了水泥水化反應的進行，延長了凝結時間，早期生成的水化產物減少，使得混凝土4h抗壓強度降低。

4 結語

（1）促凝劑能加速水泥水化反應，縮短混凝土凝結時間，減少混凝土養(yǎng)護時間。當促凝劑摻量從15%到30%逐漸增加時，快硬早強混凝土的強度逐漸增加，到促凝劑的摻量大于等于膠凝材料摻量的25%時，快硬早強混凝土的4h抗壓強度大于20MPa；當促凝劑摻量達到30%時，混凝土的4h強度達到最大，為27.5MPa。

（2） 影響快硬早強混凝土1h坍落度的因素主次順序為硼酸與膠材用量、砂率；影響快硬早強混凝土1h擴展度的因素主次順序為膠材用量、砂率、硼酸；影響快硬早強混凝土4h抗壓強度的因素主次順序為硼酸、膠材用量、砂率；影響快硬早強混凝土28d抗壓強度的因素主次順序為硼酸、砂率、膠材用量。

（3） 在快硬早強混凝土28d抗壓強度相差不大的條件下，以4h抗壓強度為標準，確定影響快硬早強混凝土的因素水平組合為 C1A3B3，得到快硬早強混凝土最佳配合比：膠凝材料525kg/m3、砂率為42%、水膠比為0.34、減水劑為4%、硼酸摻量為0.33%。