预拌混凝土早强剂的研究及应用

2022-03-10桂根生吴鑫李林娜

新型建筑材料 2022年2期

桂根生，吴鑫，李林娜

（四川华西绿舍建材有限公司，四川成都 610051）

0 引言

环境温度会明显影响水泥的水化反应速率，其反应速率也遵循阿伦尼乌斯方程，温度降低，水化反应速率降低[1]。温度对水泥早期水化速率的影响较为显著，随着水化龄期的延长，影响渐趋减小。混凝土早强剂是一种加快水泥水化速率，加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂成本低廉，生产工艺简单，广泛应用于配制早强、早脱模装配式混凝土。

目前，传统早强剂难以满足实际生产应用要求。早强混凝土既要具有良好的施工性能，也需具有较高的早期强度，以达到脱模、起吊等基本技术要求。各种早强剂单独使用，都存在局限性。一般无机类早强剂原材料来源广泛且价格较低，早强作用明显，但存在使混凝土后期强度降低的缺点。而一些有机早强剂虽然能提高混凝土后期强度，但单掺时早强作用不明显。因此，有机早强剂与无机早强剂复合是新型早强剂的发展方向[2-3]。

装配式建筑是以工业化生产的预制构件及部品部件为原材料，以干法作业为主，以模数协调为原则，通过模块和模块组合在工地装配而成的建筑[4]。装配式混凝土结构具有施工速度快、工业化程度高、绿色环保等优点[5-7]。住建部发布了《绿色建筑创建行动方案的通知》，提出2022年在全国城镇规划中建造100个大型绿色环保节能装配式建筑。早强混凝土的推广应用是绿色装配式建筑转型升级的一个重要途径。随着装配式建筑产业的发展，早强混凝土不仅大量应用于叠合板构件，而且应用于其他装配式构件，如楼梯板、柱子、梁等结构[8]。

本研究通过优选早强组分的种类，调整早强组分的掺量，采用正交试验分析确定优化早强剂配方。在P·O42.5R水泥+粉煤灰二元胶凝材料体系下，采用高性能减水剂，确定早强混凝土的配合比设计参数。

1 试验

1.1 原材料

（1）早强组分

硫氰酸钠（NaSCN）：相对分子量81.07，纯度98%，成都市科隆化学品有限公司；甲酸钠（HCOONa）：相对分子量68.01，纯度99%，成都市科隆化学品有限公司；甲基丙烯酸（C4H6O2）：相对分子量86.09，纯度99%，成都市科隆化学品有限公司；三乙醇胺（C9H21NO3）：相对分子量149.18，纯度85%，成都金山化学试剂有限公司；三异丙醇胺[（CH2CH2OH）3N]：相对分子量191.27，纯度85%，山东优索化工科技有限公司。

（2）减水剂

采用上海路加有限公司生产的保坍型聚羧酸高性能减水剂，具有高保坍、高减水的特点，与粉煤灰、早强剂具有良好的适应性，其含固量为15%，减水率为25%。

（3）胶凝材料

水泥：峨胜P·O42.5R水泥，其物理力学性能见表1；粉煤灰：Ⅰ级，其主要技术性能见表2。

表1 水泥的物理力学性能

表2 粉煤灰的主要技术性能

（4）骨料及水

石：5~25 mm连续级配碎石，针片状含量小于3%，含泥量小于0.5%；机制砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.8，含泥量小于3%；水：自来水。

1.2 早强剂配方正交试验设计

成都地区春季、秋季的温度变化范围在10~20℃，对早强剂的配制要求较高。早强剂的配制和应用需要考虑以下技术关键点：

（1）早强剂配方设计阶段，要考虑原材料易得、价格便宜、易储存；要考虑各种化学成分之间的物理相容性、化学相容性、溶解度差异等。

（2）掺加早强剂的混凝土应具有良好的施工性能和早期抗压强度。在由罐车运送至生产车间时，混凝土施工性能需要保证2 h坍落度无明显损失；并且，16 h抗压强度≥15 MPa。

（3）混凝土28 d抗压强度不倒缩，混凝土早期收缩率与普通混凝土相当，对硬化混凝土长期性能不会造成危害，如Cl-引起的钢筋锈蚀等。

本试验选择5因素、4水平正交试验，见表3。早强组分掺量均按水泥质量的计。

表3 正交试验因素水平

1.3 早强剂性能测试方法

（1）基准混凝土的配合比

基准混凝土的配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（减水剂）=370∶20∶823∶1006∶175∶6。

（2）试样制备

采用强制式双卧轴混凝土搅拌机，将水泥、粉煤灰、早强剂等原材料搅拌均匀，拌制混凝土拌合物。测试新拌混凝土的工作性能。将混凝土拌合物装模，振动密实成型。混凝土试块在较低温（10~20℃）环境中自然养护至规定龄期，取出进行抗压强度测试。

（3）性能测试方法

混凝土坍落度、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；混凝土收缩率：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》进行测试。

2 试验结果及分析

2.1 正交试验结果与分析

正交试验结果见表4，极差分析见表5。

表4 正交试验结果

由表5可见：

表5 正交试验结果分析

（1）对16 h抗压强度的影响程度大小为：A>B>C>E>D，即硫氰酸钠掺量是16 h抗压强度的主要影响因素，其次是甲酸钠掺量，甲基丙烯酸、三异丙醇胺和三乙醇胺三者的影响接近。考虑到16 h抗压强度要求较高，故优化水平组合确定为A4B4C2D2E1或A4B4C2D2E2。

（2）对坍落度的影响程度大小为：A>C>E>B=D，即硫氰酸钠掺量是坍落度的主要影响因素，其次是甲基丙烯酸掺量，三异丙醇胺、甲酸钠和三乙醇胺三者的影响接近。考虑坍落度较大的优化水平组合为A3B3C1D2E1或A3B3C1D2E3。

（3）对扩展度的影响程度大小为：E>A=C>B=D，即三异丙醇胺掺量是扩展度的主要影响因素，其次是硫氰酸钠和甲基丙烯酸掺量，甲酸钠和三乙醇胺掺量的影响接近。因要求坍落度较大，优化水平组合确定为A3B2C4D1E1。

在满足抗压强度设计目标及考虑施工和易性情况下，综合平衡确定最优试验组合为：A3B4C2D2E1，即早强剂优化配方为：硫氰酸钠0.8%、甲酸钠1.0%、甲基丙烯酸0.02%、三乙醇胺0.02%、三异丙醇胺0.02%，该配方命名为AQ1。考虑到硫氰酸钠掺量增加，混凝土的工作性能出现损失，另外可能的优化配方为：硫氰酸钠0.6%、甲酸钠1.0%、甲基丙烯酸0.02%、三乙醇胺0.02%、三异丙醇胺0.02%，该配方命名为AQ2。

2.2 早强剂配方验证试验

以工作性能及抗压强度为评价指标，对上述2种配方进行进一步验证试验，混凝土配合比设计与上述配合比试验相同。对比2种早强剂配方对混凝土工作性能及强度的影响，结果见表6。

表6 早强剂对早强混凝土性能的影响

由表6可以看出，AQ2的工作性能经时损失较小，并且早期强度能满足脱模强度要求，因此确定选用AQ2优化配方。

2.3 预拌混凝土的早期收缩性能

从上述试验结果可知，各早强组分掺量对混凝土早期强度和施工性能产生影响。以下进一步考察早强剂对混凝土早期收缩性能的影响，试验结果如图1所示。

由图1可以看出，早强混凝土的收缩率大于基准混凝土，随着养护龄期的延长，收缩率增长幅度逐渐趋缓。主要原因是，水泥在水化硬化的过程中，无水的水泥矿物转化为水化矿物，固相体积增大，而水泥浆体的总体积却不断缩小[9]。早强剂显著加速水泥矿物的水化反应，短时间水泥水化反应集中，此时混凝土早期收缩率主要是受化学收缩的支配，这就导致在1 d龄期时早强混凝土的收缩率明显高于基准混凝土。但早强剂只是在短时间内促进了水泥矿物水化进程，不会改变水化矿物的组成形式，随混凝土龄期的延长，水泥矿物水化速率降低，水泥矿物水化程度增加，混凝土早期收缩率变化幅度逐渐趋于一致。

2.4 预拌混凝土早强剂在装配式构件中的应用

掺加早强剂的预拌混凝土，生产浇筑过程应具有良好的施工性能，并且硬化成型后应具有较高的早期强度。经过对生产车间的中试试验和应用过程的试验数据分析，该早强剂已成功应用于配制早强预拌混凝土。目前，早强预拌混凝土已用于装配式建筑构件生产中，如楼梯板、叠合板构件的生产。混凝土生产配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（减水剂）=370∶20∶823∶1006∶175∶6。在装配式构件生产车间应用过程中，通过对混凝土施工性能及脱模强度试验数据监测，完成了装配式混凝土的生产质量控制，部分试验数据如表7所示。