低溫復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)混凝土性能的影響

李杰，曹云玉，張宏，肖勝華，鐘學(xué)，顧曉俊，張海棠

（1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311112；2.浙江華堃環(huán)保建筑構(gòu)件有限公司，浙江 衢州 324022；3.浙江金圣建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 麗水 323000；4.杭州西聯(lián)物流有限公司，浙江 杭州 310000；5.湖州綠色新材股份有限公司，浙江 湖州 313023）

0 引言

混凝土以水泥、砂、石為基礎(chǔ)原料，作為一種傳統(tǒng)的建筑材料，性能穩(wěn)定，構(gòu)建的建筑體在使用期內(nèi)安全可靠。不論是現(xiàn)澆工程和還是裝配式建筑用量都非常大，隨著建筑工業(yè)化的進(jìn)一步推進(jìn)，裝配式建筑中的預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品需求日益增長(zhǎng)?；炷翗?gòu)件的蒸汽養(yǎng)護(hù)作為生產(chǎn)中的一環(huán)，能促進(jìn)水泥膠凝材料的進(jìn)一步水化反應(yīng)，有利于混凝土早期強(qiáng)度的提升，對(duì)構(gòu)件成型后脫模起吊所需的強(qiáng)度保證起到了積極的作用。然而，現(xiàn)有的混凝土構(gòu)件廠往往受場(chǎng)地的限制，車(chē)間內(nèi)只能排布有限的模臺(tái)數(shù)量，加之養(yǎng)護(hù)窯等機(jī)械設(shè)備在空間上的一定占比，造成絕大數(shù)生產(chǎn)廠家無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量產(chǎn)品生產(chǎn)的作業(yè)需求，使預(yù)制構(gòu)件成品產(chǎn)量受到很大的限制。為了達(dá)到脫模、起吊強(qiáng)度的規(guī)范要求，傳統(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護(hù)工序一般需要24 h，而在冬季低溫等環(huán)境條件下，養(yǎng)護(hù)周期甚至遠(yuǎn)超24 h。在達(dá)到起強(qiáng)效果前，單件養(yǎng)護(hù)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，模臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，使得預(yù)制構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)效率低，造成構(gòu)件產(chǎn)品最終成品產(chǎn)量低[1-2]。

本文通過(guò)對(duì)混凝土強(qiáng)度激發(fā)性能的研究，開(kāi)發(fā)一種復(fù)配型多組分早強(qiáng)劑，能有效提升混凝土的早期強(qiáng)度，且對(duì)混凝土耐久性無(wú)不利影響，對(duì)裝配式建筑中混凝土預(yù)制構(gòu)件的高效化生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本以及提高品質(zhì)具有十分重要的意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：江蘇鶴林P·O42.5 水泥和河南登電集團(tuán)CSA42.5硫鋁酸鹽水泥；砂：細(xì)砂和中砂均為天然砂，將細(xì)砂和粗砂按質(zhì)量比4∶6 摻和使用，天然混合砂的細(xì)度模數(shù)為2.25；石：粒徑16～31.5 mm 碎石（大石）和粒徑5～16 mm 的瓜子片；聚羧酸類(lèi)減水劑：1201 型，蘇州孚克產(chǎn)；甲酸鈣、三乙醇胺（粉）：工業(yè)級(jí)，山東佳化化學(xué)股份有限公司；鋁酸鈣工業(yè)品（CA、CA2、C12A7等，以下簡(jiǎn)稱(chēng)配合劑）：河南綿源環(huán)?？萍加邢薰镜?；增強(qiáng)劑（GS）：工業(yè)級(jí)，杭州南森化工科技有限公司；緩凝劑（BoA）：工業(yè)級(jí)，河南信誼化工有限公司；水：自來(lái)水。

1.2 低溫復(fù)配型早強(qiáng)劑的制備

采用有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料復(fù)配方式，以硫鋁酸鈣水泥CSA42.5 為主要組分，通過(guò)添加其他快凝類(lèi)粉體材料經(jīng)均勻混合而成。低溫（環(huán)境溫度10 ℃，下同）復(fù)配型早強(qiáng)劑的配合比組成（以每立方混凝土中摻量計(jì)）如表1 所示。

表1 低溫復(fù)配型早強(qiáng)劑的配合比組成 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝土試件的制備

試驗(yàn)以C30 混凝土配合比為基礎(chǔ)，C30 混凝土的配合比如表2 所示，其中水泥、砂、石等主料均采用混凝土生產(chǎn)廠內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)原料。將細(xì)砂和粗砂按質(zhì)量比4∶6 摻和使用，混合砂的細(xì)度模數(shù)為2.25。

表2 C30 混凝土的配合比 kg/m3

按混凝土配合比稱(chēng)取混凝土拌合材料，在環(huán)境溫度10℃下倒入單臥軸混凝土攪拌機(jī)，再將預(yù)混均勻的多組分復(fù)配型早強(qiáng)劑粉劑摻入攪拌機(jī)中的混凝土拌合料中，進(jìn)行充分干混拌和均勻。依據(jù)設(shè)計(jì)水膠比添加足量的拌合水，在攪拌機(jī)中進(jìn)行充分的濕料拌合。然后按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成型混凝土試件。

1.3.2 混凝土性能測(cè)試方法

坍落度：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；早期抗裂性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

提高混凝土的低溫早強(qiáng)性能是在傳統(tǒng)的混凝土拌合料中添加一定量的激發(fā)物質(zhì)，在混凝土拌合物初期，通過(guò)壓縮電荷層、加大水化半徑、析出CH 晶體降低溶解度以及大分子共價(jià)鍵的絡(luò)合效應(yīng)等方式，提高水泥熟料的水化反應(yīng)從而提高混凝土拌合物的早期強(qiáng)度，達(dá)到快速起強(qiáng)效果。

然而，混凝土水化激發(fā)的早強(qiáng)作用在提升混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，也削弱了拌合物的初期流動(dòng)性，因?yàn)樵鐝?qiáng)的特性，使得凝結(jié)速率加快，必然影響混凝土的拌和性，對(duì)有效操作時(shí)間產(chǎn)生影響。本研究著重于提升混凝土拌和物在低溫工況下的早期強(qiáng)度，如10 h 的混凝土抗壓強(qiáng)度，同時(shí)在早強(qiáng)混凝土的拌合物操作性上著力進(jìn)行提升，即研究得到的混凝土拌合物特性應(yīng)既具備早強(qiáng)特性，也同時(shí)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求方的拌合物操作性要求。

因此，研究中通過(guò)多組分復(fù)配的方式，在早強(qiáng)劑的強(qiáng)度激發(fā)作用下，調(diào)整混凝土的流動(dòng)性，改善混凝土的拌合物的早期工作性能，試驗(yàn)中采用了多種外加劑，如穩(wěn)定劑、增強(qiáng)劑GS、配合劑、緩凝劑BoA 等。

2.1 復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)混凝土工作性能和強(qiáng)度的影響

按表2 混凝土配合比，在攪拌機(jī)中進(jìn)行充分的濕料拌和。試驗(yàn)環(huán)境為低溫條件（環(huán)境溫度為10 ℃），并使水泥、砂、石及拌合用水的溫度與環(huán)境保持一致，均為10 ℃。在混凝土中摻入不同配比的低溫復(fù)配型早強(qiáng)劑，得到相應(yīng)早強(qiáng)混凝土性能如表3 所示。

表3 低溫復(fù)配型多組分早強(qiáng)劑對(duì)早強(qiáng)混凝土性能的影響

由表3 可見(jiàn)：（1）復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展影響較大。隨著早強(qiáng)劑中復(fù)配功能組分摻量的增加（對(duì)照表1為各配方的組成），混凝土的10 h 抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，雖然MCA3 和MCA4 的早強(qiáng)效果尚不明顯，但其10 h 抗壓強(qiáng)度仍在2.0 MPa 以上。（2）試驗(yàn)中的混凝土坍落度保持性在一定范圍內(nèi)隨復(fù)配功能組分摻量的增加而表現(xiàn)得較為溫和的變化，即摻量的增加在一定范圍內(nèi)并不顯著影響混凝土拌和物的保坍性能。一方面，復(fù)配功能組分的早強(qiáng)作用顯著，混凝土內(nèi)膠凝材料的水化反應(yīng)隨著摻量的一定量增加，激發(fā)早強(qiáng)性的效應(yīng)增強(qiáng)，水化反應(yīng)加快，水化物的膠結(jié)性增強(qiáng)，致使拌合物流動(dòng)性減??；另一方面，復(fù)配功能組分中BoA 的緩凝作用，在控制拌合物水化反應(yīng)中起到了積極的閾值作用，也就是在可操作性的工作時(shí)間區(qū)（如45 min）以后BoA 從有效的水化抑制態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗T導(dǎo)態(tài)[3-5]。

因此，復(fù)配型早強(qiáng)劑的作用機(jī)理不僅是其中早強(qiáng)劑、配合劑等對(duì)水化反應(yīng)的激發(fā)態(tài)效應(yīng)，在保持初始坍落度和45 min經(jīng)時(shí)坍落度良好的可操作性下，需要對(duì)早期（～1 h）階段的水化進(jìn)行有效控制，既不能完全屏蔽水化粒子間的有效鏈接作用也不能完全開(kāi)放水化前期的激增效應(yīng)。在單一源組分早強(qiáng)劑與配合劑、穩(wěn)定劑、增強(qiáng)劑以及緩凝劑等的協(xié)同作用下，對(duì)水化早前期（約1 h）形成籠蔽效應(yīng)，對(duì)早強(qiáng)混凝土性能影響效果明顯。從試驗(yàn)結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，摻MCA7 復(fù)配型早強(qiáng)劑的混凝土既具有10 h 強(qiáng)度高的早強(qiáng)性，也具有較高的操作適應(yīng)性。

2.2 復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)混凝土早期開(kāi)裂性能的影響

對(duì)早強(qiáng)混凝土的早期抗裂性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%。將摻5.28%復(fù)配型早強(qiáng)劑MAC7 的混凝土與基準(zhǔn)混凝土（未摻早強(qiáng)劑）進(jìn)行對(duì)比。標(biāo)準(zhǔn)試件制備完成后30 min，立即調(diào)節(jié)風(fēng)扇位置和風(fēng)速，使試件表面中心正上方100 mm 處風(fēng)速為（5±0.5）m/s，并應(yīng)使風(fēng)向平行于試件表面和試模中預(yù)埋的裂縫誘導(dǎo)器的長(zhǎng)度方向。持續(xù)試驗(yàn)24 h 后，進(jìn)行試件表面裂縫觀察，對(duì)混凝土早期開(kāi)裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)?？梢园l(fā)現(xiàn)，2 種混凝土試件表面均平整性良好，混凝土拌合物骨料未有明顯外露，通過(guò)振搗保證了試件內(nèi)部的一定密實(shí)度。在風(fēng)扇進(jìn)行一定功率的表面風(fēng)吹試驗(yàn)過(guò)程中，試件表面的完整性并未受到太大影響，隨著水泥水化反應(yīng)的加速，表層硬化提升，使得試件在持續(xù)性風(fēng)扇加速開(kāi)裂性試驗(yàn)上能夠保持較高的穩(wěn)定性。圖1 為混凝土早期開(kāi)裂性試驗(yàn)結(jié)束后試件表面狀態(tài)的照片。

圖1 混凝土早期開(kāi)裂性能測(cè)試后試件表面狀態(tài)

由圖1 可見(jiàn)，摻5.28%MAC7 的混凝土試件表面保持良好的平整性，混凝土膠凝面連續(xù)光滑；同時(shí)，基準(zhǔn)混凝土在同樣的風(fēng)速?gòu)?qiáng)化作用下，也具有良好穩(wěn)定性，表面未出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究開(kāi)發(fā)的復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)混凝土的早期開(kāi)裂性能不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，在提高混凝土早期強(qiáng)度的同時(shí)，混凝土的整體穩(wěn)定性也得到了較好的保持。一方面早強(qiáng)的特性在表面硬化的增速過(guò)程中留下膨脹的空間，另一面水硬性骨料的空間分布對(duì)整體收縮也起到了較大的抑制作用。

2.3 復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響

不同等級(jí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4，在各組混凝土中均摻入5.2%的低溫復(fù)配型早強(qiáng)劑MCA7，試驗(yàn)環(huán)境溫度為10℃，復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響如表5所示。

表4 不同等級(jí)混凝土配合比 kg/m3

表5 低溫復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響

從表5 可知：

（1）復(fù)配型早強(qiáng)劑MCA7 對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的10 h強(qiáng)度演算值有提升作用；在MCA7 摻量相同的條件下，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土拌合物初始坍落度呈逐漸減小趨勢(shì)，45 min坍落度損失呈逐漸增大趨勢(shì)。這是因?yàn)?，低?qiáng)度等級(jí)混凝土中水泥含量相對(duì)較少，因此，在高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中早強(qiáng)劑的硬化速凝效果更明顯。

（2）在低溫條件下，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的早期強(qiáng)度（10 h）在試驗(yàn)的低溫條件下均表現(xiàn)良好，且28 d 抗壓強(qiáng)度都達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求。10 h 抗壓強(qiáng)度相對(duì)設(shè)計(jì)值的完成率隨著混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的提高而逐步減小，但均達(dá)到50%以上，其中C30 混凝土的10 h 抗壓強(qiáng)度完成率為73%，為4 組不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中最高。這是因?yàn)?，一方面高等?jí)的混凝土設(shè)計(jì)中水泥含量較高，早期的水化反應(yīng)激發(fā)特征更突出，帶來(lái)的強(qiáng)度增長(zhǎng)更明顯；另一方面，以等量的激發(fā)效應(yīng)對(duì)高值狀態(tài)獲得相同完成比的難度更大，因此強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)越高，10 h強(qiáng)度對(duì)設(shè)計(jì)所占的完成比重將更小[6-7]。

3 結(jié)論

（1）采用CSA42.5 水泥、穩(wěn)定劑、增強(qiáng)劑GS、配合劑、緩凝劑BoA 等復(fù)配而成復(fù)配型早強(qiáng)劑（粉劑），該復(fù)配型早強(qiáng)劑在低溫環(huán)境（10 ℃下）下具有良好的混凝土早強(qiáng)激發(fā)性能。在C30 混凝土中摻入5.28%的低溫復(fù)配型多組分早強(qiáng)劑MCA7，混凝土10 h 抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa 以上，混凝土拌合物的初始坍落度較大，且45 min 經(jīng)時(shí)損失較小，在工程應(yīng)用中有積極的意義。

（2）混凝土試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)配型早強(qiáng)劑MCA7 對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的早期強(qiáng)度（10 h）均有不同程度的影響，在針對(duì)不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)混凝土應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)復(fù)配型早強(qiáng)劑MCA中各組分比例調(diào)整的方式來(lái)獲得更優(yōu)的早強(qiáng)劑配合比。