混凝土早強(qiáng)性能研究進(jìn)展和展望

梁志強(qiáng)

摘 要：混凝土材料是工程建設(shè)中最常用的一種建筑材料，由于其具有較強(qiáng)的塑形能力、較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及超低的經(jīng)濟(jì)造價(jià)等優(yōu)勢(shì)，在各種工程建筑項(xiàng)目上得以廣泛應(yīng)用。混凝土早強(qiáng)劑是一種無(wú)氯鹽堿水復(fù)合型材料，可以有效縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間、提高混凝土早期強(qiáng)度。得益于早強(qiáng)劑顯著的商業(yè)價(jià)值，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和學(xué)者對(duì)混凝土早強(qiáng)性能研究持續(xù)深入，也取得了不少成果。筆者總結(jié)分析了混凝土早強(qiáng)性能研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)早強(qiáng)性能研究方向進(jìn)行展望，以供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土;早強(qiáng)性能;進(jìn)展;展望

中圖分類號(hào)：TU528 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）7-0104-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.024

Abstract： concrete material is the most commonly used building material in engineering construction. Because of its strong shaping ability， high structural strength and ultra-low economic cost， it is widely used in various engineering construction projects. Concrete early strength agent is a chloride free saline alkali water composite material， which can effectively shorten the setting time of concrete and improve the early strength of concrete. Thanks to the remarkable commercial value of early strength agent， domestic and foreign enterprises and scholars have continued to conduct in-depth research on the early strength performance of concrete and achieved great results. The author summarizes and analyzes the research progress of early strength performance of concrete， and looks forward to the research direction of early strength performance in the future for reference.

Keywords： concrete; early strength performance; progress; expectation

0 引言

混凝土材料是由水泥、砂石、水以及多種添加劑配比拌和而成的復(fù)合型材料，混凝土的使用性能主要取決于各種組成原材料的配合比。在混凝土配制之前，需要根據(jù)工程建設(shè)強(qiáng)度等技術(shù)要求，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行多次試驗(yàn)，以獲得符合要求的配合比，并以此配制混凝土材料，來(lái)滿足工程施工建設(shè)要求。然而，盡管混凝土材料具有如此優(yōu)勢(shì)的建筑特點(diǎn)，但受限于混凝土配比材料的劣化以及環(huán)境對(duì)混凝土材料的侵蝕等影響，混凝土使用壽命受到一定的限制，也使得混凝土建筑結(jié)構(gòu)過(guò)早地遭到破壞，失去使用價(jià)值，面對(duì)數(shù)量如此龐大的混凝土建筑結(jié)構(gòu)群體，若干年后無(wú)疑會(huì)成為一項(xiàng)代價(jià)巨大的工程難題。就混凝土材料自身配比特點(diǎn)而言，由于可以通過(guò)改變不同的添加劑或配合比來(lái)改變混凝土的強(qiáng)度等材料性能，因此研究高強(qiáng)度的混凝土材料也成了混凝土建材市場(chǎng)上普遍關(guān)注的話題。其中，通過(guò)添加早強(qiáng)劑來(lái)縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間，提高混凝土早期強(qiáng)度的技術(shù)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，不少企業(yè)、專家、學(xué)者等對(duì)混凝土早強(qiáng)性能進(jìn)行研究，以期能獲得更高強(qiáng)度的混凝土材料，從而進(jìn)一步提高混凝土的使用壽命，進(jìn)而提升混凝土的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 混凝土早強(qiáng)性能研究現(xiàn)狀

1.1 各界對(duì)混凝土早強(qiáng)性能的早期研究

鑒于混凝土材料巨大的商業(yè)價(jià)值，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)混凝土早強(qiáng)性能進(jìn)行了大量的研究，以期能夠獲得高強(qiáng)度的混凝土材料，在混凝土早強(qiáng)性能研究初期取得了極具參考價(jià)值的理論和應(yīng)用實(shí)踐成果。其中，早在1990年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)等展開合作，對(duì)混凝土早強(qiáng)性能進(jìn)行研究，并首次提出以“混凝土耐久性”為高性能指標(biāo)的研究方向，也由此開啟了高性能混凝土材料熱點(diǎn)研究與技術(shù)應(yīng)用之路[1]。1992年，吳中偉教授首次將高性能混凝土這一概念引入國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者開始對(duì)混凝土早強(qiáng)性能等技術(shù)進(jìn)行研究，不僅在混凝土耐久性、高強(qiáng)度等方面取得了一定進(jìn)展，而且也開啟了混凝土強(qiáng)度與混凝土耐久性之間的關(guān)聯(lián)性影響的研究方向。而早期對(duì)混凝土早強(qiáng)性能的概念和定義研究也出現(xiàn)了不同的側(cè)重點(diǎn)，美國(guó)、加拿大等學(xué)者將“高耐久性”作為混凝土早強(qiáng)性能的主要側(cè)重點(diǎn)，日本學(xué)者則更注重混凝土在建筑工作中的使用性能，英國(guó)學(xué)者則普遍關(guān)注混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)[2]，中國(guó)學(xué)者不僅關(guān)注混凝土的耐久性，同時(shí)也注重綠色、環(huán)保等方面的研究，側(cè)重綠色高性能的新型混凝土材料研究。隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)混凝土早強(qiáng)性能有了更為清晰的認(rèn)知，具體包含混凝土的流動(dòng)性、工作性、強(qiáng)度、耐久性、自密性等多種性能，但都是建立在早期無(wú)數(shù)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。

1.2 不同礦物摻合料對(duì)混凝土早強(qiáng)性能的影響研究

為了獲得高強(qiáng)度的混凝土材料，相關(guān)研究人員做了大量的試驗(yàn)，通過(guò)在混凝土配制過(guò)程中添加粉煤灰、硅灰、細(xì)磨礦渣料等不同的礦物摻合料，以此研究不同礦物摻合料對(duì)混凝土早強(qiáng)性能的影響。在此列舉以硅灰、粉煤粉、礦粉三種材料作為混凝土的摻合料的試驗(yàn)，表1為混凝土配合比。

試驗(yàn)重點(diǎn)測(cè)試在水膠比為0.42、0.46、0.50時(shí)礦粉、粉煤灰、硅灰等量替代水泥0%、15%、30%時(shí)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和工作性能的影響。由于水膠比較小，為了獲得相同的工作性能，需要向其中加入不同劑量的減水劑，其中以硅灰為摻合料的混凝土中加入2.5%，礦粉和粉煤灰均為1.5%，空白對(duì)照組為0.2%。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入不同礦物摻合料都會(huì)降低混凝土的工作性能特別是流動(dòng)性，只是影響程度各不相同。其中硅灰對(duì)混凝土流動(dòng)性能降低最大，礦粉次之，粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的負(fù)面影響最小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果最終可以得出隨水膠比增大，坍落度增大，流動(dòng)性也相應(yīng)增大。由于混凝土拌和中，使用的主要原材料是水泥，這也是混凝土材料經(jīng)濟(jì)造價(jià)的主要方面，因此，研究使用部分礦物摻合料代替一部分水泥材料，在提高混凝土材料性能的同時(shí)，也節(jié)約了水泥用量，提高了混凝土的經(jīng)濟(jì)性。如近幾年的研究熱點(diǎn)之一粉煤灰，可以顯著提升混凝土的抗?jié)B性能，主要得益于粉煤灰中含有大量顆粒狀的玻璃微珠，這種形態(tài)效應(yīng)可以有效起到抗?jié)B作用，同時(shí)，粉煤灰中含有大量的二氧化硅、三氧化二鋁等物質(zhì)，這些物質(zhì)極具活性，可以與水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，填充混凝土中的孔隙，增加混凝土的密實(shí)度;硅灰也是一種常見(jiàn)的礦物摻合料，該材料結(jié)構(gòu)顆粒很細(xì)，可以與水化物生成凝膠體，填充混凝土中的孔隙，降低孔隙率的產(chǎn)生，從而提升混凝土的強(qiáng)度;礦渣料與水泥中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以消耗水泥中的氫氧化鈣，改變水泥漿中的pH值，提高了混凝土材料抗腐蝕性能，對(duì)混凝土材料的使用穩(wěn)定性和耐久性具有顯著的強(qiáng)化效果。

1.3 不同添加劑對(duì)混凝土早強(qiáng)性能的影響研究

通過(guò)研究混凝土材料中的不同添加劑形式及含量，同樣也可以改變混凝土材料的使用性能，從而影響混凝土的早強(qiáng)性能。添加劑方面主要針對(duì)高效減水劑進(jìn)行研究，通過(guò)加入不同劑量的減水劑，以分析混凝土的耐久性和使用強(qiáng)度等性能。大量試驗(yàn)研究表明，減水劑可以有效降低混凝土拌和用水量，加快混凝土的凝聚時(shí)間，提升混凝土強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)，還能有效提升混凝土流動(dòng)性，有助于提高施工效率。減水劑根據(jù)不同的化學(xué)成分可以分為萘系、密胺系、木質(zhì)素系、聚羧酸系等，其中，萘系減水劑技術(shù)研究和應(yīng)用實(shí)踐效果最為顯著，技術(shù)發(fā)展最為成熟，無(wú)論是在理論層面，還是在實(shí)踐方面，都取得了很大的進(jìn)步，因此，在混凝土工程領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用推廣。而其他系的減水劑則還存在一些技術(shù)難題，廣泛地推廣應(yīng)用也受到一定的限制，還需要進(jìn)一步地深入研究，因此，暫時(shí)僅作小范圍應(yīng)用。

1.4 傳統(tǒng)早強(qiáng)劑對(duì)混凝土產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷研究

隨著國(guó)內(nèi)外企業(yè)、學(xué)者等對(duì)混凝土早強(qiáng)性能的研究，出現(xiàn)了大量的早強(qiáng)劑產(chǎn)品，這些初期的早強(qiáng)劑產(chǎn)品雖然也能夠起到提高混凝土使用性能的作用，但同時(shí)也會(huì)引起一些較為嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，因此，在發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)早強(qiáng)劑的質(zhì)量缺陷以后，還需在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。例如，氯鹽系的早強(qiáng)劑，其中的氯化物與水泥中的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，消耗水泥中的氫氧化鈣，生成不易溶于水的氯酸鈣，增加水泥相中固化物的體積，降低水泥的堿度，加快水泥漿的水化反應(yīng)進(jìn)程，從而提高混凝土的早強(qiáng)性能，以上這些優(yōu)點(diǎn)使得氯鹽系的早強(qiáng)劑在研究早期得到廣泛應(yīng)用，但由于在混凝土配合比中加入了大量的氯離子，而鋼筋混凝土材料中，氯離子容易與鋼筋之間形成較大的電極電位，從而加速了鋼筋的腐蝕，在鋼筋混凝土應(yīng)用中就存在極大的質(zhì)量隱患，由此其應(yīng)用范圍受到了很大的限制;再比如硫酸鹽系的早強(qiáng)劑，在常溫和低溫環(huán)境下能加快水泥強(qiáng)度的增長(zhǎng)，提高混凝土的使用性能，但隨著國(guó)內(nèi)對(duì)水泥材料制作工藝的改進(jìn)，大量的純熟料硅酸鹽水泥材料得以應(yīng)用，而硫酸鹽系的早強(qiáng)劑對(duì)此類新型水泥材料的活性激發(fā)和早強(qiáng)效果并不顯著，因此，也同樣作為傳統(tǒng)早強(qiáng)劑而被其他產(chǎn)品替代。

2 混凝土早期性能研究進(jìn)展

在傳統(tǒng)早強(qiáng)劑研發(fā)應(yīng)用基礎(chǔ)上，大量研究人員通過(guò)總結(jié)傳統(tǒng)早強(qiáng)劑的應(yīng)用弊端，同時(shí)對(duì)新型材料的不斷開發(fā)和利用，對(duì)混凝土早強(qiáng)性能研究取得了很大的進(jìn)展，先后推出了更為優(yōu)質(zhì)、高效的有機(jī)物早強(qiáng)劑、復(fù)合類早強(qiáng)劑，并在混凝土工程上得到廣泛的應(yīng)用。

2.1 有機(jī)物早強(qiáng)劑的研究進(jìn)展

近年來(lái)，常用的有機(jī)物早強(qiáng)劑有三乙醇胺、甲酸鈣、尿素等。首先，根據(jù)三乙醇胺對(duì)混凝土早強(qiáng)效果的研究表明，通過(guò)添加三乙醇胺早強(qiáng)劑，可以較好地縮短混凝土的終凝時(shí)間，提高混凝土的早期強(qiáng)度，主要原因在于三乙醇胺中含有的氮原子可以與混凝土中的鈣離子和鐵離子等生成易溶于水的絡(luò)合離子，提高了水泥顆粒表明的水溶性，進(jìn)而加快了水泥的水化反應(yīng)。經(jīng)研究表明，摻合三乙醇胺早強(qiáng)劑的混凝土使用性能可以提升6～9 MPa的抗壓強(qiáng)度，終凝時(shí)間可以縮短30 min以上，起到了很好的早強(qiáng)效果。其次，甲酸鈣早強(qiáng)劑的應(yīng)用同樣效果顯著，添加甲酸鈣可以有效改變混凝土系統(tǒng)中硅酸三鈣的濃度，降低混凝土中的pH值，提升水泥水化中的結(jié)晶速度和固相比例，有助于更快地形成水泥石結(jié)構(gòu)，從而提升混凝土的早期強(qiáng)度。再次，針對(duì)尿素的早強(qiáng)劑研究應(yīng)用也取得了很大的進(jìn)步，尿素是一種很好地表面活性物質(zhì)，對(duì)混凝土拌合物能起到較快的塑化作用，同時(shí)，尿素的化學(xué)反應(yīng)還可以對(duì)水泥中難溶物的結(jié)晶速度可以起到極佳的調(diào)節(jié)作用，并能有效降低水泥液相物的冰點(diǎn)，從而加速水泥的水化過(guò)程，提升混凝土的抗凍效果，進(jìn)一步提高混凝土的早強(qiáng)性能[3]。

2.2 復(fù)合型早強(qiáng)劑的研究進(jìn)展

復(fù)合型的早強(qiáng)劑在綜合了有機(jī)物早強(qiáng)劑基礎(chǔ)上，對(duì)早強(qiáng)劑性能進(jìn)一步研究，融合不同單一類型早強(qiáng)劑的優(yōu)點(diǎn)，將多種類型的早強(qiáng)劑相互復(fù)合，并做出了積極的改進(jìn)和提升，從而更好地提升了混凝土的綜合性能。常見(jiàn)的有三乙醇胺復(fù)合早強(qiáng)劑、甲酸鈣復(fù)合早強(qiáng)劑和聚羧酸復(fù)合早強(qiáng)劑等。其中，三乙醇胺復(fù)合早強(qiáng)劑是利用三乙醇胺為肌理，摻合其他早強(qiáng)劑作為綜合使用，從而克服單一早強(qiáng)劑存在的缺點(diǎn)，使得應(yīng)用范圍更加廣泛，例如，綜合了三乙醇胺和無(wú)水硫酸鈉的復(fù)合型早強(qiáng)劑，可以解決低溫環(huán)境下混凝土早期強(qiáng)度不高的問(wèn)題，可顯著提升混凝土12 h抗壓強(qiáng)度4倍以上，又如綜合了三乙醇胺、氫氧化鈣、絡(luò)合劑等原料形成的固態(tài)性復(fù)合型早強(qiáng)劑，其早強(qiáng)性能繼續(xù)保持優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，比液態(tài)早強(qiáng)劑更加便于包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存;其次，以甲酸鈣、硫酸鐵、晶胚等組成的甲酸鈣復(fù)合早強(qiáng)劑，是一種無(wú)堿性的高性能早強(qiáng)劑，可以有效降低水泥水化產(chǎn)物析出的能量損失，保持水泥水化物的充分結(jié)晶，從而提升混凝土的使用強(qiáng)度。

3 混凝土早強(qiáng)性能研究展望

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)混凝土企業(yè)、業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者等對(duì)混凝土早強(qiáng)劑的持續(xù)研究，取得了很大的進(jìn)步，相繼研發(fā)出了多種類型的早強(qiáng)劑產(chǎn)品，大幅度提升了混凝土的早強(qiáng)性能。然而，縱觀不同種類的早強(qiáng)劑產(chǎn)品，最為常用、最為經(jīng)濟(jì)的大多離不開氯鹽、硫酸鹽類等物質(zhì)，其研究和應(yīng)用成果受到一定的限制。鑒于混凝土材料技術(shù)發(fā)展的不斷進(jìn)步，以復(fù)合型早強(qiáng)劑為代表的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，更加高效、經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用廣泛。因此，未來(lái)對(duì)混凝土早強(qiáng)性能研究方向和開發(fā)側(cè)重點(diǎn)，主要有以下三點(diǎn)。

3.1 進(jìn)一步研究具有綜合有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等特點(diǎn)的復(fù)合型早強(qiáng)劑產(chǎn)品

復(fù)合型早強(qiáng)劑通過(guò)綜合多種早強(qiáng)劑的性能優(yōu)勢(shì)，可以綜合單一早強(qiáng)劑的優(yōu)點(diǎn)，避開單一早強(qiáng)劑的缺點(diǎn)，從而獲得性能更為優(yōu)質(zhì)、高效的復(fù)合類產(chǎn)品，未來(lái)可以結(jié)合不同早強(qiáng)劑的應(yīng)用特點(diǎn)以及建筑結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土材料的性能需求，有針對(duì)性、有目的性地開發(fā)相應(yīng)的復(fù)合型早強(qiáng)劑，已獲得更明確的早強(qiáng)劑產(chǎn)品，提升混凝土的使用性能。

3.2 研發(fā)具有早強(qiáng)功能的高價(jià)陽(yáng)離子產(chǎn)品的早強(qiáng)劑產(chǎn)品

水泥的水化產(chǎn)物中含有更多的凝膠體C-S-H，這類凝膠體遇到高價(jià)陽(yáng)離子后可以被迅速壓縮，加速凝聚，從而降低凝膠體在水泥漿液相中的濃度，以提高水泥和混凝土的凝結(jié)進(jìn)程，進(jìn)而提高混凝土的強(qiáng)度性能，將這些高價(jià)的陽(yáng)離子加入復(fù)合早強(qiáng)劑中，可以改進(jìn)復(fù)合早強(qiáng)劑的使用性能，獲得更加優(yōu)質(zhì)的早強(qiáng)效果[4]。

3.3 研究晶胚物質(zhì)在早強(qiáng)劑中的應(yīng)用

水泥的水化反應(yīng)中，結(jié)晶過(guò)程也伴隨著能量的降低，而晶體從液相中析出需要突破能量障礙，進(jìn)而造成了有時(shí)候晶體析出較為困難的現(xiàn)象。而加入有晶胚物質(zhì)的早強(qiáng)劑，可有效降低水化產(chǎn)物析出的能量阻礙，從而加速晶體析出的過(guò)程，使得水泥的水化速度加快，提升混凝土的早強(qiáng)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土早強(qiáng)性能對(duì)于混凝土材料使用強(qiáng)度和耐久性等影響很大，在建筑工程中，混凝土早強(qiáng)性能研究早已成為混凝土工程中極為重要的課題，隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，混凝土早強(qiáng)劑的研發(fā)和應(yīng)用取得了顯著的成果，不僅可以有效提升混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，同時(shí)可以有效降低混凝土的造價(jià)成本，提高混凝土的使用經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于建筑工程行業(yè)而言是一種巨大的利好。然而，以目前的研究進(jìn)展而言，混凝土早強(qiáng)性能研究還有很大的進(jìn)步空間，需要混凝土企業(yè)、業(yè)內(nèi)專家和社會(huì)學(xué)者等繼續(xù)努力，持續(xù)深入研究，以取得更好的成果，獲得更大的進(jìn)步。

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