快硬早强混凝土的制备研究

何 鑫 熊春杨 罗 健 范晓玲 李 锋

（成都建工预筑科技有限公司，四川 成都 610000）

1 引言

快硬早强混凝土是一种具有凝结时间快、早期强度高、后期强度不倒缩、耐久性良好的高性能混凝土。随着我国经济的飞速发展，车载量与交通量急剧增加，高速公路、城市道路承受的交通压力越来越大，使得我国混凝土路面损坏情况日趋严重，并且早期建设的混凝土路面也临近使用寿命，面临更新换代。普通混凝土凝结时间通常较长，早期强度低，养护时间长，使得道路长时间不能使用，无法满足车辆快速通行的要求，而快硬早强混凝土的特点则符合人们对于道路混凝土性能的需求。

许多国家对修补材料领域越来越重视，美国、英国、日本等发达国家先后对此问题进行研究并取得一定成果。美国波波维奇教授研究了一款特种水泥快硬混凝土，1h抗压强度能够达到 15～ 20MPa，在紧急情况下可用于快速抢修；Mikhailov曾研制出铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和二水石膏组分比例为18∶67∶15的自应力水泥；重庆大学的蒲心诚教授研究了在混凝土中加入早强型外加剂，12h抗压强度大于35MPa。

目前，我国对于快硬早强混凝土的研究还不够深入，快硬早强混凝土在使用过程中还存在一些问题，本文旨在通过调整快硬早强混凝土的配比，使其4h抗压强度大于20MPa，1h坍落扩展度大于600mm。

2 原材料和试验方法

2.1 原材料

水泥：P·O42.5R普通硅酸盐水泥，四川星船城水泥股份有限公司生产，其物理性能见表1。

表1 普通硅酸盐水泥的物理力学性能

粉煤灰：一级粉煤灰，成都博磊资源循环开发有限公司生产，其物理性能见表2。

表2 粉煤灰的物理性能

硅灰：成都明凌科技有限公司生产，灰白色，比表面积为18 000 m2/kg，密度为2.2g/cm3。

粗集料：产自四川广汉，粒径为5～ 31.5mm连续级配，物理性能按照GB/T 14685-2011测试，见表3。

表3 碎石物理性能

细集料：试验所用砂子为中砂，产自四川广汉，细度模数为2.5，表4为砂子颗粒级配；根据GB/T 14684-2011对砂的其他性能进行测试，见表5。

表4 砂的颗粒级配

表5 砂的物理性能

外加剂：试验所用减水剂为聚羧酸高效减水剂，四川常青藤科技发展有限公司生产，主要成分为聚羧酸盐，剂型为液型，固含量10%，减水率27%。

促凝剂：广东龙湖科技有限公司生产，灰白色粉末，比表面积为5 500～ 7 500cm2/g，密度为2.90～ 3.10g/cm3。

2.2 实验方法

将胶凝材料、粗骨料、细骨料和促凝剂混合均匀后，加水与减水剂，用混凝土搅拌机自动搅拌，搅拌均匀后装模成型，装入尺寸100mm×100mm×100mm模具中，在温度为20±1℃、湿度为95%左右的标准养护室中进行养护，3h后脱模，到达龄期后进行抗压强度测试。试块的工作性能测试按照《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》（GB/T 50080-2016）的相关规定进行，抗压强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）进行测试。

3 快硬早强混凝土的配制

3.1 促凝剂掺量对混凝土力学性能的影响

为了探究不同促凝剂掺量对混凝土力学性能的影响，试验采用水灰比0.34、胶材用量525kg/m3、砂率38%、减水剂掺量3%的混凝土配比为基准，促凝剂掺量（胶材用量的百分比）分别为15%、20%、25%和30%进行研究，对试块进行4h和28d抗压强度测试，试验结果如图1所示。

图1 促凝剂掺量对混凝土抗压强度的影响

从图1可以看出，混凝土的4h抗压强度随着促凝剂掺量的增大而随之增大，分别为15MPa、19.4MPa、21.4MPa和27.5MPa，其中促凝剂掺量为25%和30%时混凝土4h抗压强度大于20MPa；随着促凝剂掺量的增加，混凝土28d抗压强度并没有明显的规律，均达到70MPa以上，当促凝剂掺量达到30%时，试块4h的抗压强度达到最大，为27.5MPa；在掺量为25%时，试块28d抗压强度最大，为87.5MPa。这是因为促凝剂能缩短水泥凝结时间，加速水泥水化，并在较短时间内使混凝土产生强度；当促凝剂掺量大于20%时，混凝土的4h强度大于20MPa。

3.2 正交实验结果分析

为进一步研究快硬早强混凝土配合比中关键参数对其性能的影响，进一步优化配合比，本次试验固定水灰比为0.34，促凝剂掺量为胶材用量的30%，减水剂掺量为6%，同时选取胶凝材料、硼酸掺量和砂率作为三因素，每一因素分别取3个水平进行正交实验，以快硬早强混凝土的4h抗压强度和28d抗压强度为考核指标，找出快硬早强混凝土的最佳配合比。正交实验因素设计水平见表6，选用正交表L9（33）。混凝土坍落度、扩展度、4h抗压强度和28d抗压强度的检测结果的极差分析过程及结果见表7。

表6 混凝土正交因素设计水平

三个因素分别在水平1、水平2、水平3下的1h坍落度用K1、K2、K3表示（见表7），以此来反映混凝土在不同因素下，每个水平对混凝土1h坍落度的影响，从而得到某因素下的最优水平。同一因素下水平的变化对坍落度的影响程度，用该因素下不同水平的坍落度的极差R来反映，极差越大，所对应的因素越重要，反之，该因素则为次要因素。

表7 混凝土坍落度、扩展度、抗压强度的影响因素极差分析

从表7可分析出影响快硬早强混凝土1h坍落度的因素主次顺序为：硼酸=胶材用量＞砂率，即硼酸与胶材用量是影响快硬早强混凝土1h坍落度的主要因素，砂率是次要因素。因此，得知快硬早强混凝土1h坍落度越大工作性能越好，故而最优水平应选取每个因素里K值最大的水平，即A1C3B1：胶材用量455kg/m3、砂率为38%、硼酸掺量为0.37%、水胶比为0.34、减水剂为4%。

表7中的K4、K5、K6分别表示各个因素在水平1、水平2、水平3下的1h扩展度，可以看出，影响快硬早强混凝土1h扩展度的因素主次顺序为：胶材用量＞砂率＞硼酸，即胶材用量是影响快硬早强混凝土1h扩展度的主要因素，砂率是次要因素，硼酸对混凝土的扩展度影响较小。对于快硬早强混凝土1h扩展度来说，坍落扩展度越大，工作性越好，应取每个因素中的最优水平（K值最大的水平），即B2A3C2：胶材用量525kg/m3、砂率为40%、硼酸掺量为0.35%、水胶比为0.34、减水剂为4%。

表7中的K7、K8、K9分别表示各个因素在水平1、水平2、水平3下的4h平均抗压强度，分析得到影响正交试验中快硬早强混凝土4h抗压强度的因素主次顺序为：硼酸＞胶凝材料掺量＞砂率，即硼酸掺量是影响快硬早强混凝土抗压强度的主要因素，胶凝材料是次要因素，砂率影响较小。为使混凝土达到早强效果，4h抗压强度越大越好，因此，从表中可以得到最优因素水平组合，即C1A3B3：硼酸掺量为0.33%、胶凝材料掺量为525kg/m3、砂率为42%。

表7中的K10、K11、K12分别表示各个因素在水平1、水平2、水平3下的28d平均抗压强度。经表7分析得到影响正交试验中快硬早强混凝土28d抗压强度的因素主次顺序为：硼酸＞砂率＞胶凝材料掺量，即硼酸掺量是影响快硬早强混凝土抗压强度的主要因素，砂率是次要因素，胶凝材料影响较小。混凝土的28d抗压强度越大则力学性能越优，故而应取每个因素中的最优水平（K值最大的水平），即C2B2A1：硼酸为0.35%、胶凝材料掺量为455kg/m3、砂率为40%。

为了直观描绘正交试验，通常对其作效应曲线图，图2和图3为表7中不同因素各水平结果的均值效应曲线图。

图2 坍落度与扩展度的直观分析效应曲线图

图3 抗压强度的直观分析效应曲线图

从图2-a可以得出，混凝土的初始坍落度随胶凝材料掺量的增加而呈现先增加后减小的趋势，1h后坍落度在230mm以上，坍落扩展度在610mm以上，还保持着优异的工作性能。这可能是因为随着胶凝材料增加，混凝土中浆体增多，使得新拌混凝土工作性能得到提高，但胶凝材料过多，会使浆体变得黏稠，工作性能有所下降。

从图2-b可以看出，随着砂率的增大，新拌混凝土的初始坍落度先减小后增大，而坍落扩展度先增大后减小，但1h后仍有良好的工作性能。这可能是因为砂子与水泥浆组成砂浆，而砂浆能够在粗骨料间起到润滑和滚珠作用，减少粗骨料间摩擦力，所以在一定范围内，随着砂率的增大，混凝土的流动性增大，同时，由于砂的比表面积比粗骨料大，随着砂率的增大，骨料的总比表面积增大，在浆体一定的条件下，骨料表面包裹的浆料减少，润滑作用减弱，因此流动性降低。

从图2-c分析得出，混凝土的初始坍落度随着硼酸掺量的增加而逐渐增大，坍落扩展度逐渐降低，1h后坍落度和扩展度分别先增大后降低、先降低后增大，这可能是因为随着缓凝剂增加，可以提高拌合物的均匀性，延长混凝土的凝结时间，从而改善混凝土流动性，减少损失，提高新拌混凝土工作性能。

从图3-a中可以看出，随着胶凝材料用量的增加，混凝土4h和28d抗压强度先减小后增大，且4h抗压强度均大于30MPa，28d抗压强度均大于70MPa。是因为混凝土中的水分子增加了水泥颗粒间的距离，硬化后留下大量毛细孔隙，导致混凝土强度降低；随着胶凝材料的增加，胶凝材料很好地填充于水泥凝结硬化过程所形成的孔隙中，改善水泥的微孔结构以及骨料与水泥石之间的界面结构，让混凝土更加密实。掺合料在Ca(OH)2的激发下具有一定活性，能够和水化产物发生二次水化反应，形成水化硅酸钙，从根本上改善混凝土微观结构和骨料界面性能，提高混凝土强度。

从图3-b可以看出，混凝土4h抗压强度随着砂率的增加逐渐增大，28d抗压强度则先增大后减小，且4h抗压强度均大于30MPa，28d抗压强度均大于70MPa。因为砂率的增加引起混凝土中砂石比例变大，导致粗集料与胶凝材料的比例逐渐减小；且过小的砂率导致碎石包裹性变差，黏聚性和保水性均下降，易产生泌水、离析和流浆。混凝土中砂石比例偏大，富裕浆体含量增加，砂浆的比表面积比粗骨料大，碎石的密实骨架结构遭到破坏，混凝土强度降低。

从图3-c分析得出，随着硼酸掺量的提高，混凝土4h抗压强度降低，28d抗压强度呈先增加后降低的趋势。这可能是因为硼酸具有缓凝作用，随着硼酸掺量的增加，减缓了水泥水化反应的进行，延长了凝结时间，早期生成的水化产物减少，使得混凝土4h抗压强度降低。

4 结语

（1）促凝剂能加速水泥水化反应，缩短混凝土凝结时间，减少混凝土养护时间。当促凝剂掺量从15%到30%逐渐增加时，快硬早强混凝土的强度逐渐增加，到促凝剂的掺量大于等于胶凝材料掺量的25%时，快硬早强混凝土的4h抗压强度大于20MPa；当促凝剂掺量达到30%时，混凝土的4h强度达到最大，为27.5MPa。

（2） 影响快硬早强混凝土1h坍落度的因素主次顺序为硼酸与胶材用量、砂率；影响快硬早强混凝土1h扩展度的因素主次顺序为胶材用量、砂率、硼酸；影响快硬早强混凝土4h抗压强度的因素主次顺序为硼酸、胶材用量、砂率；影响快硬早强混凝土28d抗压强度的因素主次顺序为硼酸、砂率、胶材用量。

（3） 在快硬早强混凝土28d抗压强度相差不大的条件下，以4h抗压强度为标准，确定影响快硬早强混凝土的因素水平组合为 C1A3B3，得到快硬早强混凝土最佳配合比：胶凝材料525kg/m3、砂率为42%、水胶比为0.34、减水剂为4%、硼酸掺量为0.33%。