C40 早强免蒸养混凝土的制备及工程应用研究

桂根生，黄伟，张荣华，李林娜

（四川华西绿舍建材有限公司，四川 成都 610051）

0 引 言

装配式预制构件是建筑工业化的核心与基础[1]，在各项工程领域应用越来越广泛。GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》规定了脱模强度：预制构件脱模起吊时，同条件养护的立方体抗压强度不宜小于15 MPa。目前混凝土预制构件早期强度低，导致模具周转率低，直接影响了生产效率。提高预制构件生产效率的关键在于提高早期强度，缩短脱膜时间，加快模具周转速率。

目前，预制构件厂家常采用蒸汽养护法，以提高混凝土预制构件的早期强度[2]。蒸汽养护需要特定设备以及大量的燃料燃烧，这都会带来很多额外的支出；其次是环境问题，蒸养燃烧燃料会增加温室气体与有害气体排放，造成环境污染；另外，蒸汽养护会导致预制混凝土构件产生裂缝[3]。早强免蒸养混凝土具有良好施工和易性、早期强度和耐久性能，早强免蒸养技术的研究也就越来越受到预制构件行业的重视。

1 工程概况

装配式建筑以其预制程度高、施工方便快捷、经济效益好、环境污染少等优点在国内外得到了广泛应用和发展[4]。预应力混凝土叠合板系采用预制预应力薄板和现浇混凝土层组成整体的混凝土板。结合了装配式楼板和现浇楼板的优点，近年来得到广泛应用。生产C40 早强免蒸养混凝土主要应用于预应力混凝土叠合板工程。

该预应力混凝土叠合板要求具备良好的施工性能和早期抗压强度，具体技术指标要求为：初始坍落度（220±20）mm，初始扩展度（600±30）mm；混凝土经罐车运送至预应力叠合板浇筑场地，保证2 h 坍落度无明显损失，具有良好的施工和易性；10 h 混凝土早期抗压强度≥15 MPa，抗开裂等级≥L-Ⅵ。主要存在以下技术难点：

（1）该项目要求常温环境下模板的使用周期为2 次/d。在混凝土配合比设计阶段，要考虑使用早强剂加速水泥的水化速率，促进早期强度的快速提高。但添加早强剂会导致混凝土拌合物和易性损失过快，不利于罐车运输，影响叠合板混凝土施工质量。

（2）采用常规的早强剂，短时间内产生大量疏松的水化产物，虽然能够满足10 h 设计早期强度要求，但28 d 强度可能存在倒缩。水化热集中释放，增加叠合板开裂风险。

针对以上技术难点，通过对P·O42.5R 水泥、硅灰、超早强剂、早强型高性能减水剂等原材料优选，系统研究了超早强剂掺量、保坍剂掺量、水胶比等配合比设计参数对混凝土性能的影响，确定了C40 预制免蒸养混凝土的优化配合比。

2 试 验

2.1 原材料

（1）胶凝材料：峨胜P·O42.5R 水泥、拉法基P·O42.5R 水泥、重龙P·O42.5R 水泥、兰丰P·O42.5R 水泥、利森P·O42.5R水泥、明凌S95 级硅灰和纳米硅灰。水泥的主要技术性能见表1，硅灰的主要技术性能见表2。

表1 水泥的主要技术性能

表2 硅灰的主要技术性能

（2）骨料：粗细骨料颗粒形貌、粒径、级配影响骨料堆积空隙率，直接影响低胶凝材料用量混凝土的施工和易性。骨料应具有良好的性能。本试验采用5～31.5 mm 碎石，含泥量小于0.5%；机制Ⅱ区中砂，细度模数2.8，含泥量小于3%。

（3）外加剂：新型复合型高性能超早强剂，主要成分为甲酸钠、三乙醇胺等；早强型聚羧酸高性能减水剂，上海路加有限公司生产，含固量为15%，减水率为25%；高性能保坍剂，上海路加化工有限公司生产。

2.2 试验方法

采用强制式双卧轴混凝土搅拌机，将水泥、硅灰、石子等原材料搅拌均匀，形成混凝土拌合物。测试拌合物的工作性能，包括初始坍落度及扩展度、2 h 坍落度及扩展度。新拌混凝土工作性能测试完毕后，将混凝土拌合物装模，振动密实成型。将混凝土试块在常温[（20±5）℃]环境中自然养护至规定龄期，取出进行抗压强度测试。

混凝土拌合物的坍落度及扩展度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；混凝土的抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；混凝土耐久性参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》、JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》进行测试。

3 早强免蒸养混凝土的配制

3.1 混凝土配合比设计

混凝土配合比设计是混凝土结构安全的重要保障，决定新拌混凝土施工和易性、硬化混凝土力学性能、混凝土服役阶段的耐久性。初步配合比设计阶段要充分考虑到工作性能要求、配制强度、工程应用部位等设计指标要求。

（1）超早强剂：超早强剂掺量直接影响硬化混凝土的早期强度以及新拌混凝土的施工和易性。这2 个技术指标是评价超早强剂最优掺量的依据，超早强剂的掺量为1.0%～1.9%。

（2）保坍剂：与普通聚羧酸减水剂相比，早强型聚羧酸减水剂具有较高的早强性[5]，特别适用于预制构件混凝土[6-7]。水泥水化产物会覆盖掉部分高性能减水剂，保坍剂缓慢持续释放出减水组分，补充水泥浆体中残存的减水剂。减水剂与保坍剂复配使用，使减水剂持续发挥分散作用。保坍剂掺量为0.3%～0.9%。

（3）水胶比：水是混凝土材料不可缺少的组成部分，在水化反应中，水既是反应介质，也是反应物质；自由水能改善新拌混凝土和易性，也与水泥矿物发生反应形成C-S-H 凝胶体。水胶比决定混凝土内部微观性能和宏观力学性能。水胶比控制在0.38～0.44。

（4）胶凝材料用量：增加胶凝材料的用量，新拌混凝土水泥浆体含量提高，有利于改善拌合物施工和易性，但也会造成生产成本的上涨。胶凝材料用量为360～440 kg/m3。

（5）矿物掺合料：矿物掺合料作为辅助胶凝材料，具有火山灰效应，能减少水泥用量，降低孔隙率，提高密实度，改善混凝土的耐久性。采用S95 级硅灰和纳米硅灰2 种矿物掺合料，S95 级硅灰掺量为3%～9%，纳米硅灰掺量为0.4%～1.0%。

3.2 混凝土配合比优化

依据配合比设计思路开展早强免蒸养混凝土试验，对新拌混凝土的施工性能、硬化后强度、耐久性进行测试，测试的主要项目有坍落度、扩展度、抗压强度、早期抗裂性能。

3.2.1 超早强剂对早强免蒸养混凝土性能的影响

超早强剂是一种复合型高性能外加剂，主要作用是提高水泥水化速率，促进混凝土早期强度的发展，而且不会引起混凝土后期强度倒缩。早强剂种类繁多，作用机理不同，将相容性较好的高效早强剂复配使用，能够发挥高效早强剂之间协同作用。基础配合比设计参数为：胶凝材料用量390 kg/m3，S95级硅灰掺量3%，水胶比0.40，砂率41%，减水剂、保坍剂掺量分别为1.5%、0.3%，若无特殊注明，均采用峨胜P·O42.5R 水泥，外加剂掺量按占胶凝材料质量计。超早强剂掺量对超早强免蒸养混凝土性能的影响见表3。

表3 超早强剂掺量对早强免蒸养混凝土性能的影响

在水泥-硅灰二元胶凝体系中，水泥水化速率决定胶凝体系的早期强度发展速率；水泥水化早期阶段（10 h 内），早强剂与水泥矿物组分、石膏、水化产物发生反应，使加速期反应阶段提前，提高早期水化产物反应程度，影响早期水泥-硅灰二元胶凝体系强度，因此掺加超早强剂能够显著提高早期强度；同时，也会降低新拌混凝土初始坍落度，增加拌合物坍落度经时损失。从表3 可以看出，随着超早强剂掺量的增加，硬化龄期为10 h 时，混凝土早期强度不断提高；超早强剂掺量为1.9%时，混凝土早期强度最高，而2 h 坍落度经时损失为50 mm，早强剂用量过高严重影响新拌混凝土工作性能。结合10 h 早期抗压强度和新拌混凝土拌合物和易性，确定超早强剂的适宜掺量为1.6%。

3.2.2 高性能保坍剂对早强免蒸养混凝土性能的影响减水剂在液相中发生电离，定向吸附在水泥颗粒表面，使水泥颗粒的ζ 电位提高，颗粒间静电斥力增大；同时，减水剂梳形分子链产生空间位阻作用，改变水泥颗粒分散程度。在水泥基材料中掺加超早强剂，一般会影响高性能减水剂组分对水泥颗粒的分散作用，增加新拌混凝土坍落度经时损失。混凝土配合比参数为：胶凝材料用量390 kg/m3，水胶比0.40，S95 级硅灰掺量3%，砂率41%，减水剂、超早强剂掺量分别为1.5%、1.6%，保坍剂掺量对超早强免蒸养混凝土性能的影响见表4。

表4 高性能保坍剂对早强免蒸养混凝土性能的影响

在水泥水化的强碱性环境中，保坍剂分子链上的酯基发生皂化反应，缓慢释放出羧基（—COO—），羧基不断吸附在水泥颗粒表面，较长时间维持减水剂残存浓度，增加了减水剂分子数量，持续发挥减水剂作用效果。从表4 可以看出，适量保坍剂能够减小新拌混凝土的经时损失，改善拌合物的施工性能。保坍剂掺量过大，2 h 新拌混凝土拌合物表面泌水，骨料沉降，表现为工作性能“返大”现象，导致混凝土匀质性不良，影响硬化混凝土的早期和后期强度。本试验中高性能保坍剂的适宜掺量为0.5%。

3.2.3 水胶比对早强免蒸养混凝土性能的影响

对混凝土结构与性能起决定性的影响因素是水胶比。水胶比直接影响水化产物组成、孔结构、界面结构。减小水胶比，一方面能降低水泥石孔隙率，增加密实度，另一方面能改善混凝土结构匀质性。水胶比决定着硬化混凝土的强度。混凝土配合比参数为：胶凝材料用量390 kg/m3，S95 级硅灰掺量3%，砂率41%，减水剂、超早强剂、保坍剂掺量分别为1.5%、1.6%、0.5%，水胶比对超早强免蒸养混凝土性能的影响见表5。

表5 水胶比对早强免蒸养混凝土性能的影响

水胶比减小，混凝土结构的密实度增大。采用低水胶比设计，可以获得较高的早期强度。但是，在水泥-硅灰二元胶凝材料中，随着水胶比的大幅降低，水泥浆体的黏度迅速增大，对新拌混凝土拌合物和易性造成不利影响。从表5 可以看出，水胶比为0.40 时，硬化混凝土10 h 抗压强度为15.5 MPa，可以满足结构部件吊装的要求。

3.2.4 水泥品种对早强免蒸养混凝土性能的影响

不同水泥之间矿物组成、混合材、助磨剂、细度等因素可能会影响水泥颗粒水化，影响水泥早期强度的发展。试验选择性能稳定、市场销量大的5 种P·O42.5R 水泥，测试水泥品种对超早强免蒸养混凝土性能的影响。配合比为：胶凝材料用量390 kg/m3，水胶比0.40，S95 级硅灰掺量3%，砂率41%，减水剂、超早强剂、保坍剂掺量分别为1.5%、1.6%、0.5%。测试结果见表6。

表6 水泥品种对早强免蒸养混凝土性能的影响

从表6 可以看出，采用峨胜P·O42.5R 水泥，新拌混凝土具备良好的施工和易性，硬化混凝土10 h 抗压强度最高。原因可能是水化反应诱导期阶段时间短，水泥颗粒早期水化速率快，表现为净浆凝结时间短；而且，水泥中助磨剂的成分中一般含有三乙醇胺等早强物质[8-9]，其与水泥熟料、超早强剂之间相容性较好，促进了复合超早强剂早强性能发挥。

3.2.5 胶凝材料用量对早强免蒸养混凝土性能影响

通常认为，增加胶凝材料用量能大幅提高混凝土早期强度，但这在一定条件下存在局限性。影响混凝土早期强度的主要因素有水泥强度等级、凝结时间、用水量、养护环境温度湿度等，在研究胶凝材料用量对混凝土早期强度的影响时，应该综合考虑这些因素。配合比参数为：水胶比0.40，S95 级硅灰掺量3%，砂率41%，减水剂、超早强剂、保坍剂掺量分别为1.5%、1.6%、0.5%，胶凝材料用量对超早强免蒸养混凝土性能的影响见表7。

表7 胶凝材料用量对早强免蒸养混凝土性能的影响

从表7 可以看出，增加胶凝材料的用量，新拌混凝土水泥浆体的含量提高，有利于改善拌合物施工和易性。一定范围内，提高胶凝材料用量，混凝土早期强度增幅较快。然而，骨料-水泥浆体-自由水三相系统中，浆体体积含量不断提高，可能会打破三相稳定存在的匀质性，造成骨料下层，浆体上浮的不利现象。增加胶凝材料的用量还会导致生产成本过高。综合早期强度和施工和易性，胶凝材料适宜用量为390 kg/m3。

3.2.6 掺合料对早强免蒸养混凝土性能影响

矿物掺合料作为辅助胶凝材料，具有火山灰效应，能减少水泥用量，降低孔隙率，提高密实度，改善混凝土的耐久性。一般掺加矿物掺合料会降低硬化混凝土的早期强度。为了提高早期强度，必须要对矿物掺合料进行改性或采用特种掺合料。基准配合比为：胶凝材料用量390 kg/m3，水胶比0.40，砂率41%，减水剂、超早强剂、保坍剂掺量分别为1.5%、1.6%、0.5%，S95 级硅灰掺量为3%、5%、9%，纳米硅灰掺量为0.4%、0.7%、1.0%。测试结果见表8。

表8 掺合料及其掺量对早强免蒸养混凝土性能的影响

S95 级硅灰具有高火山灰活性、高比表面积等特点，能改善混凝土的性能：与氢氧化钙发生二次水化反应，增加C-S-H凝胶含量，改善混凝土中硬化水泥浆体与骨料的界面性能。硅灰及其二次水化产物填充硬化水泥浆体中的有害孔，降低孔隙率，改善孔结构。S95 级硅灰掺量为5%时，能获得良好的工作性能和早期强度。纳米硅灰颗粒表面存在高活性的不饱和键，水化初期与Ca（OH）2迅速反应生成小粒径的C-S-H凝胶，该凝胶作为水化反应的成核活化点，使水化产物直接在纳米颗粒表面持续生长，促进水泥的水化，使早期强度显著提高[10]。由表8 可见，纳米硅灰早期反应活性过大，新拌混凝土经时损失偏大。综合考虑施工性能、早期强度，确定采用S95 级硅灰制备早强混凝土，S95 级硅灰的适宜掺量为5%。

通过对以上数据分析，超早强免蒸养混凝土的优化配合比参数为：胶凝材料用量390 kg/m3，水胶比0.40，S95 级硅灰掺量5%，砂率41%，高性能减水剂、超早强剂、保坍剂掺量分别为1.5%、1.6%、0.5%。采用经过优化的C40 早强免蒸养混凝土配合比，成功应用于预制叠合板产品项目中，具体性能测试结果如表9 所示，制备的C40 早强免蒸养混凝土具有良好的施工性能和较高的早期抗压强度。

表9 C40 早强免蒸养混凝土的技术性能

3.2.7 早期抗开裂性能测试

超早强剂会加速水泥矿物组分的水化速率，短时间使水泥的水化热放热更加集中，混凝土内部水分蒸发速度增快。同时，早期大量水化产物生成，容易形成疏松的浆体骨架，引起内部的孔隙率增加，密实度降低。混凝土早期存在开裂风险，采用2 组试样：A 组为优化的早强免蒸养混凝土，B 组为未添加超早强剂的优化配合比普通混凝土，比较2 组试样的抗开裂性能，测试结果见图1 和表10。

表10 混凝土早期抗开裂性能测试数据

由图1 和表10 可以看出，早强免蒸养混凝土与普通混凝土表面裂缝位置分布基本一致，开裂等级相同，裂缝宽度与裂缝开裂面积无明显变化。早强免蒸养混凝土的早期抗开裂性能与普通混凝土相当。

4 结 论

（1）C40 早强免蒸养混凝土的优化配合比方案为：胶凝材料用量390 kg/m3，水胶比0.40，S95 级硅灰掺量5%，砂率41%，高性能减水剂、超早强剂、保坍剂掺量分别为1.5%、1.6%、0.5%。

（2）采用经过优化的C40 早强免蒸养混凝土配合比，成功应用于预制叠合板产品项目。C40 早强免蒸养混凝土的初始坍落度为230～235 mm，初始扩展度为590～600 mm；2 h 坍落度为215～225 mm，2 h 扩展度为550～565 mm，抗开裂等级达到L-Ⅵ，10 h 抗压强度≥15 MPa。

（3）高性能超早剂与保坍剂复配使用，既能解决新拌混凝土工作性能损失过大问题，又能促进早期10 h 抗压强度的增长。水泥早期水化速度较快，应加强保湿养护，撤除混凝土表面模板后，及时覆盖薄膜或毛毡保湿养护，养护时间不少于14 d。预制叠合板模板使用周期可以实现2 次/d，加速钢模板的周转，提高生产效率。