低温施工用快硬水泥的配方及性能试验研究

（广西壮族自治区产品质量监督检验研究院，广西 南宁 530007）

1 冬季低温条件下混凝土工程施工状况

硅酸盐水泥的水化反应遵循一般化学反应规律，温度升高，水化加速，水泥强度发挥快。国际上通认的混凝土标准养护条件为：温度20±2℃，相对湿度≥95%养护室养护，或不流动的氢氧化钙饱和水溶液中养护。试实验证明，硅酸盐水泥在－5℃温度下还能继续进行水化，但水化速度很慢，两天都无法凝结。到－10℃以下，水化趋于停止。在我国黄河以北地区，冬季低温时间较长，一年约有六个月处于低温季节。美国混凝土协会（ACI）将连续超过 3d的日平均气温低于 5℃且 1d中低于 10℃的时间不少于 12h定义为低温条件。我国建筑工程冬期施工规程（JGJ 104-1997）规定，室外日平均气温连续 5天稳定低于5℃即进入冬期施工，需要对混凝土采取保暖等养护措施。在这样的低温条件下，许多建筑工程采取了许多措施来加速混凝土水化硬化，如锅炉蒸汽保暖、红外线灯照射、蓄热覆盖养护、掺防冻快硬剂等办法，使混凝土正常水化硬化。但暴露在野外的建筑工程结构复杂、现场条件恶劣，采取这些保暖措施存在许多具体困难，且投入成本大幅增高。许多建筑工程如果工期不紧张，施工单位宁愿避开冬季低温季节，等天气暖和后再施工。如能研制一种特种水泥，采用普通混凝土常温施工方法，在低温环境下也能快速硬化，就可以方便、经济地解决许多冬季低温环境下的抢修工程（如工期极短建筑工程、设备基础抢修、道路抢修、军事构建等）。

2 低温施工用快硬水泥配方确定

2.1 原料化学成分

本文以 5℃的低温环境为前提条件进行试验和养护，尝试研发一种低温施工用快硬水泥的配方。硫铝酸盐水泥熟料主要矿物组成为无水硫铝酸钙（4CaO·3Al2O3·SO3）和硅酸二钙（2CaO·SiO2）,该熟料具有水化反应快，早期强度高，后期强度不倒缩等特点，被优先选为主要原料。但市场上出售的快硬硫铝酸盐水泥单独使用，在 5℃的低温环境下施工和养护，水泥硬化还是较慢，凝结也要半天时间，早期强度低，1d抗压强度一般达不到15MPa，满足不了拆除混凝土模板的要求。以硫铝酸盐水泥熟料为主要原料，辅助原料选用硅酸盐水泥熟料、天然硬石膏、天然二水石膏、生石灰、亚硝酸钠，在 5℃的低温环境为前提条件进行试配试验。各原料化学成分见表1。

表1 原料化学成分（%）

2.2 低温施工用快硬水泥的配方

在 5℃的低温环境条件下，通过多次反复的试配试验，最终确定较理想的配方见表2。

表2 低温施工用快硬水泥的配方（%）

3 低温施工用快硬水泥的性能试验

3.1 试验方法

凝结时间试验按GB/T 1346-2011《水泥标准稠度水量、凝结时间、安定性检验方法》，环境条件和养护条件改为：5℃。

强度试验按 GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度试验方法（ISO法）》，环境条件和养护条件改为：5℃。

3.2 原料制备

按表2确定的质量配合比称取六种原料共6kg，置于试验小磨机（φ500mm×500mm）粉磨约25分钟，控制粉磨后物料比表面积（400±30）㎡/㎏。按此方法反复粉磨制备低温施工用快硬水泥50㎏。试验用砂采用ISO水泥标准砂,拌合水用饮用自来水。

3.3 仪器设备

试验将用到以下仪器设备：冰柜；NJ-160A水泥净浆搅拌机； 电子天平；ISO水泥标准稠度、凝结时间测定仪；电动勃氏透气比表面积仪；JJ-5型水泥胶砂搅拌机； ZS-15型水泥胶砂振实台；DKZ-5000型电动抗折试验机；WAY-300B型电液式压力试验机。

3.4 试验环境准备

将试验用到的原料、拌合水置于 5℃的冰柜环境中恒温24h，试验时，实验室温度控制在 4℃～8℃，凝结时间试件和强度试件成型后立即带模置于 5℃的冰柜环境中养护。强度试件脱模时间以强度达到3MPa～5MPa来确定。脱模后试件仍置于冰柜中 5℃的不流动的氢氧化钙饱和水溶液中养护。

3.5 试验结果

按本文规定的试验方法分别对低温施工用快硬水泥（42.5）、普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）两种水泥进行试验。其中普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）加做标准养护试验（20℃），利于比对分析。试验结果见表3。

表3 两种水泥在不同条件下的物理力学性能（5℃）

4 试验结果分析

普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）在 5℃的环境中养护一天未凝结，3d抗压强度才4.5MPa，达不到工程拆除模板的要求。随着养护时间延长，普通硅酸盐水泥的强度缓慢增长，28d抗压强度25.8MPa，约占20℃的环境中养护强度的50%，而低温施工用快硬水泥（42.5）在5℃的环境中养护4h抗压强度10.5MPa，1d抗压强度32.2MPa，对于设计强度等级为C30的混凝土构件，1d抗压强度已达到设计强度的100%，可以拆除底模板，提高施工速度，加快模板周转，降低施工成本。

低温施工用快硬水泥能在低温下正常快速硬化，主要归功于它的水化产物—－钙矾石。在低温施工用快硬水泥水化体系中，硅酸盐水泥熟料和生石灰能快速释放出Ca(OH)2, 天然二水石膏能快速释放出CaSO4，Ca(OH)2和 CaSO4与硫铝酸盐水泥熟料中的4(CaO)·3(Al2O3)·SO3(无水硫铝酸钙)迅速反应生成大量的钙矾石，钙矾石结晶增多，搭建了强度骨架，水泥奖体逐渐硬化。亚硝酸钠是最有效的水泥低温水化催化剂，它的参与，大大的加快了以上反应的进程。天然硬石膏在水中的溶解速度很慢，同样条件下比天然二水石膏在水中的溶解速度慢几十倍。在低温条件下的水化初期，天然二水石膏先参加反应，形成大量钙矾石，搭建了水泥浆体强度骨架并进一步密实已硬化的水泥浆体。天然二水石膏消耗完后，天然硬石膏缓慢溶解，与无水硫铝酸钙、硅酸二钙等矿物继续发生水化反应，使水泥硬化体后期强度不断增长。在该水泥水化体系中，主要有以下水化反应发生：

5 结论

（1）利用硫铝酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、天然硬石膏、天然二水石膏、生石灰、亚硝酸钠可以配制出适用于冬季低温施工用快硬水泥，该水泥在 5℃的低温环境下施工和养护可以参照普通混凝土常温施工养护方法，不需进行冬期施工措施，一天强度可达到拆除底模板要求，后期强度能继续增长。

（2）该配方水泥在低温下正常快速硬化主要机理为：硅酸盐水泥熟料和生石灰能快速释放出Ca(OH)2，天然二水石膏能快速释放出 CaSO4, Ca(OH)2和 CaSO4与硫铝酸盐水泥熟料中的矿物无水硫铝酸钙(4CaO·3(Al2O3)·SO3)迅速反应生成大量的钙矾石，加上硫铝酸盐水泥水化硬化专用催化剂——亚硝酸钠的作用，水泥奖体快速硬化。天然硬石膏溶解速度缓慢，在天然二水石膏用尽之后与无水硫铝酸钙、硅酸二钙等继续发生水化反应，使水泥硬化体后期强度不断增长。

[1]国家质量技术监督局.GB/T 17671-1999.水泥胶砂强度检验方法(ISO法)[S].北京:中国标准出版社,1999.

[2]中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局.GB/T 1346-2011.水泥标准稠度水量、凝结时间、安定性检验方法[S].北京:中国标准出版社,2011.

[3]苏晶,等.掺盐水泥浆体在负温下的水化作用[J].低温建筑技术,1992,(4):34-35.

[4]王燕谋,等.硫铝酸盐水泥[M].北京:北京大学工业出版社,1999.

[5]沈威等.水泥工艺学[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1991.