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：（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 混凝土早期開裂性能測(cè)試后試件表面狀態(tài)

由圖1 可見，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)開裂的情況。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究開發(fā)的復(fù)配型早強(qiáng)劑對(duì)混凝土的早期開裂性能不會(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。