混凝土早强性能研究进展和展望

梁志强

摘 要：混凝土材料是工程建设中最常用的一种建筑材料，由于其具有较强的塑形能力、较高的结构强度以及超低的经济造价等优势，在各种工程建筑项目上得以广泛应用。混凝土早强剂是一种无氯盐碱水复合型材料，可以有效缩短混凝土凝结时间、提高混凝土早期强度。得益于早强剂显著的商业价值，国内外企业和学者对混凝土早强性能研究持续深入，也取得了不少成果。笔者总结分析了混凝土早强性能研究进展，并对未来早强性能研究方向进行展望，以供参考。

关键词：混凝土;早强性能;进展;展望

中图分类号：TU528     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）7-0104-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.024

Abstract： concrete material is the most commonly used building material in engineering construction. Because of its strong shaping ability， high structural strength and ultra-low economic cost， it is widely used in various engineering construction projects. Concrete early strength agent is a chloride free saline alkali water composite material， which can effectively shorten the setting time of concrete and improve the early strength of concrete. Thanks to the remarkable commercial value of early strength agent， domestic and foreign enterprises and scholars have continued to conduct in-depth research on the early strength performance of concrete and achieved great results. The author summarizes and analyzes the research progress of early strength performance of concrete， and looks forward to the research direction of early strength performance in the future for reference.

Keywords： concrete; early strength performance; progress; expectation

0 引言

混凝土材料是由水泥、砂石、水以及多種添加剂配比拌和而成的复合型材料，混凝土的使用性能主要取决于各种组成原材料的配合比。在混凝土配制之前，需要根据工程建设强度等技术要求，对混凝土配合比进行多次试验，以获得符合要求的配合比，并以此配制混凝土材料，来满足工程施工建设要求。然而，尽管混凝土材料具有如此优势的建筑特点，但受限于混凝土配比材料的劣化以及环境对混凝土材料的侵蚀等影响，混凝土使用寿命受到一定的限制，也使得混凝土建筑结构过早地遭到破坏，失去使用价值，面对数量如此庞大的混凝土建筑结构群体，若干年后无疑会成为一项代价巨大的工程难题。就混凝土材料自身配比特点而言，由于可以通过改变不同的添加剂或配合比来改变混凝土的强度等材料性能，因此研究高强度的混凝土材料也成了混凝土建材市场上普遍关注的话题。其中，通过添加早强剂来缩短混凝土凝结时间，提高混凝土早期强度的技术研究已经取得了很大的进展，不少企业、专家、学者等对混凝土早强性能进行研究，以期能获得更高强度的混凝土材料，从而进一步提高混凝土的使用寿命，进而提升混凝土的经济价值。

1 混凝土早强性能研究现状

1.1 各界对混凝土早强性能的早期研究

鉴于混凝土材料巨大的商业价值，国内外专家、学者对混凝土早强性能进行了大量的研究，以期能够获得高强度的混凝土材料，在混凝土早强性能研究初期取得了极具参考价值的理论和应用实践成果。其中，早在1990年，美国国家标准与技术研究院、美国混凝土协会等展开合作，对混凝土早强性能进行研究，并首次提出以“混凝土耐久性”为高性能指标的研究方向，也由此开启了高性能混凝土材料热点研究与技术应用之路[1]。1992年，吴中伟教授首次将高性能混凝土这一概念引入国内，国内专家、学者开始对混凝土早强性能等技术进行研究，不仅在混凝土耐久性、高强度等方面取得了一定进展，而且也开启了混凝土强度与混凝土耐久性之间的关联性影响的研究方向。而早期对混凝土早强性能的概念和定义研究也出现了不同的侧重点，美国、加拿大等学者将“高耐久性”作为混凝土早强性能的主要侧重点，日本学者则更注重混凝土在建筑工作中的使用性能，英国学者则普遍关注混凝土的强度指标[2]，中国学者不仅关注混凝土的耐久性，同时也注重绿色、环保等方面的研究，侧重绿色高性能的新型混凝土材料研究。随着混凝土技术的不断发展，人们对混凝土早强性能有了更为清晰的认知，具体包含混凝土的流动性、工作性、强度、耐久性、自密性等多种性能，但都是建立在早期无数学者研究的基础上发展而来。

1.2 不同矿物掺合料对混凝土早强性能的影响研究

为了获得高强度的混凝土材料，相关研究人员做了大量的试验，通过在混凝土配制过程中添加粉煤灰、硅灰、细磨矿渣料等不同的矿物掺合料，以此研究不同矿物掺合料对混凝土早强性能的影响。在此列举以硅灰、粉煤粉、矿粉三种材料作为混凝土的掺合料的试验，表1为混凝土配合比。

试验重点测试在水胶比为0.42、0.46、0.50时矿粉、粉煤灰、硅灰等量替代水泥0%、15%、30%时，对混凝土抗压强度和工作性能的影响。由于水胶比较小，为了获得相同的工作性能，需要向其中加入不同剂量的减水剂，其中以硅灰为掺合料的混凝土中加入2.5%，矿粉和粉煤灰均为1.5%，空白对照组为0.2%。通过试验发现掺入不同矿物掺合料都会降低混凝土的工作性能特别是流动性，只是影响程度各不相同。其中硅灰对混凝土流动性能降低最大，矿粉次之，粉煤灰对混凝土工作性能的负面影响最小。根据试验结果最终可以得出随水胶比增大，坍落度增大，流动性也相应增大。由于混凝土拌和中，使用的主要原材料是水泥，这也是混凝土材料经济造价的主要方面，因此，研究使用部分矿物掺合料代替一部分水泥材料，在提高混凝土材料性能的同时，也节约了水泥用量，提高了混凝土的经济性。如近几年的研究热点之一粉煤灰，可以显著提升混凝土的抗渗性能，主要得益于粉煤灰中含有大量颗粒状的玻璃微珠，这种形态效应可以有效起到抗渗作用，同时，粉煤灰中含有大量的二氧化硅、三氧化二铝等物质，这些物质极具活性，可以与水化物发生化学反应，填充混凝土中的孔隙，增加混凝土的密实度;硅灰也是一种常见的矿物掺合料，该材料结构颗粒很细，可以与水化物生成凝胶体，填充混凝土中的孔隙，降低孔隙率的产生，从而提升混凝土的强度;矿渣料与水泥中的物质发生化学反应，可以消耗水泥中的氢氧化钙，改变水泥浆中的pH值，提高了混凝土材料抗腐蚀性能，对混凝土材料的使用稳定性和耐久性具有显著的强化效果。

1.3 不同添加剂对混凝土早强性能的影响研究

通过研究混凝土材料中的不同添加剂形式及含量，同样也可以改变混凝土材料的使用性能，从而影响混凝土的早强性能。添加剂方面主要针对高效减水剂进行研究，通过加入不同剂量的减水剂，以分析混凝土的耐久性和使用强度等性能。大量试验研究表明，减水剂可以有效降低混凝土拌和用水量，加快混凝土的凝聚時间，提升混凝土强度和耐久性，同时，还能有效提升混凝土流动性，有助于提高施工效率。减水剂根据不同的化学成分可以分为萘系、密胺系、木质素系、聚羧酸系等，其中，萘系减水剂技术研究和应用实践效果最为显著，技术发展最为成熟，无论是在理论层面，还是在实践方面，都取得了很大的进步，因此，在混凝土工程领域得到了大量应用推广。而其他系的减水剂则还存在一些技术难题，广泛地推广应用也受到一定的限制，还需要进一步地深入研究，因此，暂时仅作小范围应用。

1.4 传统早强剂对混凝土产生的质量缺陷研究

随着国内外企业、学者等对混凝土早强性能的研究，出现了大量的早强剂产品，这些初期的早强剂产品虽然也能够起到提高混凝土使用性能的作用，但同时也会引起一些较为严重的质量缺陷，因此，在发现这些传统早强剂的质量缺陷以后，还需在此基础上做进一步的优化和改进。例如，氯盐系的早强剂，其中的氯化物与水泥中的化学物质产生反应，消耗水泥中的氢氧化钙，生成不易溶于水的氯酸钙，增加水泥相中固化物的体积，降低水泥的碱度，加快水泥浆的水化反应进程，从而提高混凝土的早强性能，以上这些优点使得氯盐系的早强剂在研究早期得到广泛应用，但由于在混凝土配合比中加入了大量的氯离子，而钢筋混凝土材料中，氯离子容易与钢筋之间形成较大的电极电位，从而加速了钢筋的腐蚀，在钢筋混凝土应用中就存在极大的质量隐患，由此其应用范围受到了很大的限制;再比如硫酸盐系的早强剂，在常温和低温环境下能加快水泥强度的增长，提高混凝土的使用性能，但随着国内对水泥材料制作工艺的改进，大量的纯熟料硅酸盐水泥材料得以应用，而硫酸盐系的早强剂对此类新型水泥材料的活性激发和早强效果并不显著，因此，也同样作为传统早强剂而被其他产品替代。

2 混凝土早期性能研究进展

在传统早强剂研发应用基础上，大量研究人员通过总结传统早强剂的应用弊端，同时对新型材料的不断开发和利用，对混凝土早强性能研究取得了很大的进展，先后推出了更为优质、高效的有机物早强剂、复合类早强剂，并在混凝土工程上得到广泛的应用。

2.1 有机物早强剂的研究进展

近年来，常用的有机物早强剂有三乙醇胺、甲酸钙、尿素等。首先，根据三乙醇胺对混凝土早强效果的研究表明，通过添加三乙醇胺早强剂，可以较好地缩短混凝土的终凝时间，提高混凝土的早期强度，主要原因在于三乙醇胺中含有的氮原子可以与混凝土中的钙离子和铁离子等生成易溶于水的络合离子，提高了水泥颗粒表明的水溶性，进而加快了水泥的水化反应。经研究表明，掺合三乙醇胺早强剂的混凝土使用性能可以提升6～9 MPa的抗压强度，终凝时间可以缩短30 min以上，起到了很好的早强效果。其次，甲酸钙早强剂的应用同样效果显著，添加甲酸钙可以有效改变混凝土系统中硅酸三钙的浓度，降低混凝土中的pH值，提升水泥水化中的结晶速度和固相比例，有助于更快地形成水泥石结构，从而提升混凝土的早期强度。再次，针对尿素的早强剂研究应用也取得了很大的进步，尿素是一种很好地表面活性物质，对混凝土拌合物能起到较快的塑化作用，同时，尿素的化学反应还可以对水泥中难溶物的结晶速度可以起到极佳的调节作用，并能有效降低水泥液相物的冰点，从而加速水泥的水化过程，提升混凝土的抗冻效果，进一步提高混凝土的早强性能[3]。

2.2 复合型早强剂的研究进展

复合型的早强剂在综合了有机物早强剂基础上，对早强剂性能进一步研究，融合不同单一类型早强剂的优点，将多种类型的早强剂相互复合，并做出了积极的改进和提升，从而更好地提升了混凝土的综合性能。常见的有三乙醇胺复合早强剂、甲酸钙复合早强剂和聚羧酸复合早强剂等。其中，三乙醇胺复合早强剂是利用三乙醇胺为肌理，掺合其他早强剂作为综合使用，从而克服单一早强剂存在的缺点，使得应用范围更加广泛，例如，综合了三乙醇胺和无水硫酸钠的复合型早强剂，可以解决低温环境下混凝土早期强度不高的问题，可显著提升混凝土12 h抗压强度4倍以上，又如综合了三乙醇胺、氢氧化钙、络合剂等原料形成的固态性复合型早强剂，其早强性能继续保持优势的同时，比液态早强剂更加便于包装、运输和储存;其次，以甲酸钙、硫酸铁、晶胚等组成的甲酸钙复合早强剂，是一种无碱性的高性能早强剂，可以有效降低水泥水化产物析出的能量损失，保持水泥水化物的充分结晶，从而提升混凝土的使用强度。

3 混凝土早强性能研究展望

近年来，经过混凝土企业、业内专家和学者等对混凝土早强剂的持续研究，取得了很大的进步，相继研发出了多种类型的早强剂产品，大幅度提升了混凝土的早强性能。然而，纵观不同种类的早强剂产品，最为常用、最为经济的大多离不开氯盐、硫酸盐类等物质，其研究和应用成果受到一定的限制。鉴于混凝土材料技术发展的不断进步，以复合型早强剂为代表的产品应运而生，更加高效、经济和应用广泛。因此，未来对混凝土早强性能研究方向和开发侧重点，主要有以下三点。

3.1 进一步研究具有综合有机物、无机物等特点的复合型早强剂产品

复合型早强剂通过综合多种早强剂的性能优势，可以综合单一早强剂的优点，避开单一早强剂的缺点，从而获得性能更为优质、高效的复合类产品，未来可以结合不同早强剂的应用特点以及建筑结构对混凝土材料的性能需求，有针对性、有目的性地开发相应的复合型早强剂，已获得更明确的早强剂产品，提升混凝土的使用性能。

3.2 研发具有早强功能的高价阳离子产品的早强剂产品

水泥的水化产物中含有更多的凝胶体C-S-H，这类凝胶体遇到高价阳离子后可以被迅速压缩，加速凝聚，从而降低凝胶体在水泥浆液相中的浓度，以提高水泥和混凝土的凝结进程，进而提高混凝土的强度性能，将这些高价的阳离子加入复合早强剂中，可以改进复合早强剂的使用性能，获得更加优质的早强效果[4]。

3.3 研究晶胚物质在早强剂中的应用

水泥的水化反应中，结晶过程也伴随着能量的降低，而晶体从液相中析出需要突破能量障碍，进而造成了有时候晶体析出较为困难的现象。而加入有晶胚物质的早强剂，可有效降低水化产物析出的能量阻碍，从而加速晶体析出的过程，使得水泥的水化速度加快，提升混凝土的早强性能。

4 结语

混凝土早强性能对于混凝土材料使用强度和耐久性等影响很大，在建筑工程中，混凝土早强性能研究早已成为混凝土工程中极为重要的课题，随着混凝土技术的不断发展，混凝土早强剂的研发和应用取得了显著的成果，不仅可以有效提升混凝土的结构强度和使用寿命，同时可以有效降低混凝土的造价成本，提高混凝土的使用经济性，对于建筑工程行业而言是一种巨大的利好。然而，以目前的研究进展而言，混凝土早强性能研究还有很大的进步空间，需要混凝土企业、业内专家和社会学者等继续努力，持续深入研究，以取得更好的成果，获得更大的进步。

参考文献：

[1] 张洪文.浅析混凝土早强剂使用性能研究发展现状及提升策略[J].混凝土工程，2018（2）：45-46.

[2] 李明华.浅谈高性能混凝土材料研发及应用问题和解决策略[J].城市建设理论研究，2019（14）：78-79.

[3] 孙慧中.高强度混凝土早强性能研究技术难点和应用前景分析[J].中国新技术新产品，2020（9）：123-124.

[4] 周東波.论混凝土早强性能的控制技术和应用问题研究[J].建筑用材研究，2018（6）：68-69.