低温复配型早强剂对混凝土性能的影响

李杰，曹云玉，张宏，肖胜华，钟学，顾晓俊，张海棠

（1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 311112；2.浙江华堃环保建筑构件有限公司，浙江 衢州 324022；3.浙江金圣建设集团有限公司，浙江 丽水 323000；4.杭州西联物流有限公司，浙江 杭州 310000；5.湖州绿色新材股份有限公司，浙江 湖州 313023）

0 引言

混凝土以水泥、砂、石为基础原料，作为一种传统的建筑材料，性能稳定，构建的建筑体在使用期内安全可靠。不论是现浇工程和还是装配式建筑用量都非常大，随着建筑工业化的进一步推进，装配式建筑中的预制构件产品需求日益增长。混凝土构件的蒸汽养护作为生产中的一环，能促进水泥胶凝材料的进一步水化反应，有利于混凝土早期强度的提升，对构件成型后脱模起吊所需的强度保证起到了积极的作用。然而，现有的混凝土构件厂往往受场地的限制，车间内只能排布有限的模台数量，加之养护窑等机械设备在空间上的一定占比，造成绝大数生产厂家无法实现大规模批量产品生产的作业需求，使预制构件成品产量受到很大的限制。为了达到脱模、起吊强度的规范要求，传统的蒸汽养护工序一般需要24 h，而在冬季低温等环境条件下，养护周期甚至远超24 h。在达到起强效果前，单件养护的时间过长，模台的运转周期长，使得预制构件的养护效率低，造成构件产品最终成品产量低[1-2]。

本文通过对混凝土强度激发性能的研究，开发一种复配型多组分早强剂，能有效提升混凝土的早期强度，且对混凝土耐久性无不利影响，对装配式建筑中混凝土预制构件的高效化生产、降低生产成本以及提高品质具有十分重要的意义。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：江苏鹤林P·O42.5 水泥和河南登电集团CSA42.5硫铝酸盐水泥；砂：细砂和中砂均为天然砂，将细砂和粗砂按质量比4∶6 掺和使用，天然混合砂的细度模数为2.25；石：粒径16～31.5 mm 碎石（大石）和粒径5～16 mm 的瓜子片；聚羧酸类减水剂：1201 型，苏州孚克产；甲酸钙、三乙醇胺（粉）：工业级，山东佳化化学股份有限公司；铝酸钙工业品（CA、CA2、C12A7等，以下简称配合剂）：河南绵源环保科技有限公司的；增强剂（GS）：工业级，杭州南森化工科技有限公司；缓凝剂（BoA）：工业级，河南信谊化工有限公司；水：自来水。

1.2 低温复配型早强剂的制备

采用有机材料和无机材料复配方式，以硫铝酸钙水泥CSA42.5 为主要组分，通过添加其他快凝类粉体材料经均匀混合而成。低温（环境温度10 ℃，下同）复配型早强剂的配合比组成（以每立方混凝土中掺量计）如表1 所示。

表1 低温复配型早强剂的配合比组成 kg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土试件的制备

试验以C30 混凝土配合比为基础，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产厂内实际生产原料。将细砂和粗砂按质量比4∶6 掺和使用，混合砂的细度模数为2.25。

表2 C30 混凝土的配合比 kg/m3

按混凝土配合比称取混凝土拌合材料，在环境温度10℃下倒入单卧轴混凝土搅拌机，再将预混均匀的多组分复配型早强剂粉剂掺入搅拌机中的混凝土拌合料中，进行充分干混拌和均匀。依据设计水胶比添加足量的拌合水，在搅拌机中进行充分的湿料拌合。然后按相关标准成型混凝土试件。

1.3.2 混凝土性能测试方法

坍落度：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；抗压强度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；早期抗裂性能：按照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 试验结果与讨论

提高混凝土的低温早强性能是在传统的混凝土拌合料中添加一定量的激发物质，在混凝土拌合物初期，通过压缩电荷层、加大水化半径、析出CH 晶体降低溶解度以及大分子共价键的络合效应等方式，提高水泥熟料的水化反应从而提高混凝土拌合物的早期强度，达到快速起强效果。

然而，混凝土水化激发的早强作用在提升混凝土强度的同时，也削弱了拌合物的初期流动性，因为早强的特性，使得凝结速率加快，必然影响混凝土的拌和性，对有效操作时间产生影响。本研究着重于提升混凝土拌和物在低温工况下的早期强度，如10 h 的混凝土抗压强度，同时在早强混凝土的拌合物操作性上着力进行提升，即研究得到的混凝土拌合物特性应既具备早强特性，也同时满足生产需求方的拌合物操作性要求。

因此，研究中通过多组分复配的方式，在早强剂的强度激发作用下，调整混凝土的流动性，改善混凝土的拌合物的早期工作性能，试验中采用了多种外加剂，如稳定剂、增强剂GS、配合剂、缓凝剂BoA 等。

2.1 复配型早强剂对混凝土工作性能和强度的影响

按表2 混凝土配合比，在搅拌机中进行充分的湿料拌和。试验环境为低温条件（环境温度为10 ℃），并使水泥、砂、石及拌合用水的温度与环境保持一致，均为10 ℃。在混凝土中掺入不同配比的低温复配型早强剂，得到相应早强混凝土性能如表3 所示。

表3 低温复配型多组分早强剂对早强混凝土性能的影响

由表3 可见：（1）复配型早强剂对混凝土的早期强度发展影响较大。随着早强剂中复配功能组分掺量的增加（对照表1为各配方的组成），混凝土的10 h 抗压强度明显增强，虽然MCA3 和MCA4 的早强效果尚不明显，但其10 h 抗压强度仍在2.0 MPa 以上。（2）试验中的混凝土坍落度保持性在一定范围内随复配功能组分掺量的增加而表现得较为温和的变化，即掺量的增加在一定范围内并不显著影响混凝土拌和物的保坍性能。一方面，复配功能组分的早强作用显著，混凝土内胶凝材料的水化反应随着掺量的一定量增加，激发早强性的效应增强，水化反应加快，水化物的胶结性增强，致使拌合物流动性减小；另一方面，复配功能组分中BoA 的缓凝作用，在控制拌合物水化反应中起到了积极的阈值作用，也就是在可操作性的工作时间区（如45 min）以后BoA 从有效的水化抑制态转变为水化诱导态[3-5]。

因此，复配型早强剂的作用机理不仅是其中早强剂、配合剂等对水化反应的激发态效应，在保持初始坍落度和45 min经时坍落度良好的可操作性下，需要对早期（～1 h）阶段的水化进行有效控制，既不能完全屏蔽水化粒子间的有效链接作用也不能完全开放水化前期的激增效应。在单一源组分早强剂与配合剂、稳定剂、增强剂以及缓凝剂等的协同作用下，对水化早前期（约1 h）形成笼蔽效应，对早强混凝土性能影响效果明显。从试验结果中不难发现，掺MCA7 复配型早强剂的混凝土既具有10 h 强度高的早强性，也具有较高的操作适应性。

2.2 复配型早强剂对混凝土早期开裂性能的影响

对早强混凝土的早期抗裂性能进行测试，试验温度为（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%。将掺5.28%复配型早强剂MAC7 的混凝土与基准混凝土（未掺早强剂）进行对比。标准试件制备完成后30 min，立即调节风扇位置和风速，使试件表面中心正上方100 mm 处风速为（5±0.5）m/s，并应使风向平行于试件表面和试模中预埋的裂缝诱导器的长度方向。持续试验24 h 后，进行试件表面裂缝观察，对混凝土早期开裂性能进行评价。可以发现，2 种混凝土试件表面均平整性良好，混凝土拌合物骨料未有明显外露，通过振捣保证了试件内部的一定密实度。在风扇进行一定功率的表面风吹试验过程中，试件表面的完整性并未受到太大影响，随着水泥水化反应的加速，表层硬化提升，使得试件在持续性风扇加速开裂性试验上能够保持较高的稳定性。图1 为混凝土早期开裂性试验结束后试件表面状态的照片。

图1 混凝土早期开裂性能测试后试件表面状态

由图1 可见，掺5.28%MAC7 的混凝土试件表面保持良好的平整性，混凝土胶凝面连续光滑；同时，基准混凝土在同样的风速强化作用下，也具有良好稳定性，表面未出现开裂的情况。

上述试验结果表明，本研究开发的复配型早强剂对混凝土的早期开裂性能不会产生明显影响，在提高混凝土早期强度的同时，混凝土的整体稳定性也得到了较好的保持。一方面早强的特性在表面硬化的增速过程中留下膨胀的空间，另一面水硬性骨料的空间分布对整体收缩也起到了较大的抑制作用。

2.3 复配型早强剂对不同强度等级混凝土性能的影响

不同等级混凝土的配合比设计见表4，在各组混凝土中均掺入5.2%的低温复配型早强剂MCA7，试验环境温度为10℃，复配型早强剂对不同强度等级混凝土性能的影响如表5所示。

表4 不同等级混凝土配合比 kg/m3

表5 低温复配型早强剂对不同强度等级混凝土性能的影响

从表5 可知：

（1）复配型早强剂MCA7 对不同强度等级混凝土的10 h强度演算值有提升作用；在MCA7 掺量相同的条件下，随着混凝土强度等级的提高，混凝土拌合物初始坍落度呈逐渐减小趋势，45 min坍落度损失呈逐渐增大趋势。这是因为，低强度等级混凝土中水泥含量相对较少，因此，在高强度等级混凝土中早强剂的硬化速凝效果更明显。

（2）在低温条件下，不同强度等级混凝土的早期强度（10 h）在试验的低温条件下均表现良好，且28 d 抗压强度都达到了设计强度等级要求。10 h 抗压强度相对设计值的完成率随着混凝土设计强度等级的提高而逐步减小，但均达到50%以上，其中C30 混凝土的10 h 抗压强度完成率为73%，为4 组不同强度等级混凝土中最高。这是因为，一方面高等级的混凝土设计中水泥含量较高，早期的水化反应激发特征更突出，带来的强度增长更明显；另一方面，以等量的激发效应对高值状态获得相同完成比的难度更大，因此强度等级设计越高，10 h强度对设计所占的完成比重将更小[6-7]。

3 结论

（1）采用CSA42.5 水泥、稳定剂、增强剂GS、配合剂、缓凝剂BoA 等复配而成复配型早强剂（粉剂），该复配型早强剂在低温环境（10 ℃下）下具有良好的混凝土早强激发性能。在C30 混凝土中掺入5.28%的低温复配型多组分早强剂MCA7，混凝土10 h 抗压强度可达20 MPa 以上，混凝土拌合物的初始坍落度较大，且45 min 经时损失较小，在工程应用中有积极的意义。

（2）混凝土试验结果表明，复配型早强剂MCA7 对不同强度等级混凝土的早期强度（10 h）均有不同程度的影响，在针对不同强度设计混凝土应用时，可通过复配型早强剂MCA中各组分比例调整的方式来获得更优的早强剂配合比。