高性能快硬混凝土技术研究与工程实践

董 欢，周时强

（上海城建物资有限公司，上海 201999）

0 引言

随着城市的不断建设和发展，城市基础设施承受的压力不断增加，其老化速度加快。1958 年8 月，“城市更新”概念被提出。“城市更新”是指包括所有有关城市改善的建设活动，是一种存量建设方式，其他相关概念包括“城市复苏”、“城市双修”等。城市基础设施包括高架、桥梁、机场、高速公路等，在面临大流量交通压力的情况下，如何做好城市基础设施的维护保养成为亟需解决的问题。

作为国际大都市，上海交通繁忙，存量基础设施空间巨大。上海存量城市桥梁总计2 836座；城市道路总长5 493 km，面积12 195 万m2；公路总里程13 044.7 km，公路桥梁总计11 438 座；机场2 座，面积1 000万m2。以上存量基础设施建成时间早，服役强度大，长期处于超负荷状态，开始出现各类病害，上海城市交通设施即将迎来大规模修复高峰期。

针对应用于城市基础设施的快速修复材料，国内外相关研究很多。何建杰[1]提出市场上的修复材料分为3 大类：有机类（环氧树脂、聚氨酯、烯、沥青及改性沥青类），无机类（快硬型、膨胀型、掺复合外加剂型、掺纤维型和掺超细粉型的混凝土），有机与无机复合材料类（以有机为主的聚合物的碎石材料，以及以无机为主的聚合物改性混凝土或砂浆）。张洪波[2]提出超早强混凝土主要通过2 种途径来配制，分别是：利用快硬早强型特种水泥，使用早强剂和各种外加剂。刘庆涛等[3]采用普通早强硅酸盐水泥和硫铝酸盐瞬凝水泥进行复配，加水拌和后4 h抗折强度达到2.5 MPa，28 d 抗折强度达到5.5 MPa，满足机场道面抢修技术要求。闫林伟[4]将自配新型快硬特种水泥（硫铝酸盐熟料、石膏、粉煤灰等）与硅酸盐水泥复配，得到1 h 抗压强度达到30.8 MPa 的快硬混凝土。

上海内环高架路浦西路段于1993 年开工建设，1994 年12 月建成通车。为了保障并提升设施的运营安全，建设卓越城市更新示范案例，实现城市数字化转型，践行“人民城市为人民”发展理念，需要对其进行相应的更新改造，包括老化结构翻新、智能化设备功能完善、供配电扩容和环境景观提升等。

本次内环高架设施提升及功能完善工程（四平路—政本路）涉及到的结构部位（如伸缩缝、弹性缝等）所使用的快速修复混凝土材料需满足以下要求：2 h抗压强度达到40 MPa，28 d设计抗压强度为C50。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥：金山南方P.II 52.5 和南通海螺P.II 52.5 水泥，其主要物理性能指标和微观分析分别见表1和表2。

表1 2种水泥的主要物理性能指标Tab.1 Main physical properties of two kinds of cement

表2 2种水泥的微观分析Tab.2 Microscopic analysis of two kinds of cement

硅灰：940 级微硅粉，Elkem 公司，其中SiO2质量分数为93.1%，45 μm方孔筛的筛余量为1.4%。

快硬剂：BEFORM，DENKA 公司，灰白色粉体，密度为2.92 kg/m3，比表面积为600 m2/kg。

缓凝剂：D300，DENKA公司，白色颗粒状。

砂：天然中砂，Ⅱ区合格，含泥量为1.3%，表观密度为2 610 kg/m3。

石：碎石，5～20 mm，连续级配，含泥量为0.4%，表观密度为2 620 kg/m3。

外加剂：PCA-IV，江苏博特公司，为聚羧酸系减水剂，淡黄色透明液体，密度为1 052 kg/m3，混凝土减水率为30%，含固量为21.8%。

水：自来水。

1.2 试验方法

试验参照以下标准进行：

JT/T 1211.1—2018《公路工程水泥混凝土用快速修补材料 第1部分：水泥基修补材料》。

JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》。

GB/T 14684—2022《建设用砂》。

GB/T 14685—2022《建设用卵石、碎石》。

GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》。

GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。

GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。

GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

GB/T 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》。

5.6.3 屈肘功能锻炼 术后4～6周嘱患者自然下垂患肩，健侧手掌托着患肢前段，将肘关节上举屈曲至110°，必须在深吸气的同时上抬患肢前臂至屈肘位，开始时每天早晚训练20次，每天锻炼2次，以后逐渐增多，直到每天能达数千次。主要作用是加强膈神经对肌皮神经的支配，锻炼肱二头肌随呼吸作屈肘动作，由练习摸嘴、摸颈到后来的摸腰部，逐步过渡到自主屈肘锻炼。对尚未开始训练的关节严格制动。

2 混凝土配制目标和水化反应机理分析

2.1 混凝土配制目标

（1） 工作性能要求：混凝土采取现场拌制，由快硬一体搅拌车生产，劳动车短驳，振动棒振捣，坍落度为（160±30）mm，其中伸缩缝结构采用盖面板预埋，上部采用开孔浇筑形式，对混凝土流动性要求较大。

（2） 凝结时间及强度要求：混凝土随拌随用，施工可操作时间超过30 min，即初凝时间超过30 min；2 h 抗压强度需大于40 MPa，以确保交通准时恢复；28 d设计强度达到C50。

2.2 水化反应机理

为了达到早期强度的要求，本次试验采用了DENKA 公司的快硬剂BEFORM 与硅酸盐水泥复配的方案。

快硬剂BEFORM 是一种非晶态C12A7基的快硬材料，其中掺有大量石膏，通过早期水化反应生产钙矾石，以达到早期强度要求。

通过快硬剂与硅酸盐水泥复配，硅酸盐水泥中C2S、C3S 等水化产生的Ca（OH）2被C12A7水化反应消耗，两者相互促进反应，在保障早期强度的同时，后期强度也有所提高[5]。

3 配合比试验

3.1 关键参数和基准配合比

2 h 快硬混凝土的配合比设计主要是通过试验确定影响混凝土的关键参数及其调控范围，同时获得不同组分对混凝土早强力学性能的影响规律，根据快硬混凝土配合比的设计思路，混凝土关键参数及控制范围见表3，基准配合比见表4。

表4 基准配合比Tab.4 Base mix proportion

3.2 硅灰掺量试验

设定水胶比为0.24，快硬剂掺量为25%，选用南通海螺水泥，调整硅灰掺量，试验方案及结果分别见表5和表6。

表5 硅灰掺量调整试验方案Tab.5 Silica fume content adjustment test scheme

表6 硅灰掺量调整试验结果（南通海螺）Tab.6 Test results of silica fume content adjustment（Nantong Conch）

3.3 硅酸盐水泥比选试验

在胶凝材料中，硅酸盐水泥所占比例很大，因此水泥品种对快硬混凝土性能的影响较大。按照硅灰掺量试验方案，将水泥品种更换为金山南方，试验结果见表7。

表7 硅灰掺量调整试验结果（金山南方）Tab.7 Test results of silica fume content adjustment（South Jinshan）

由表7 可见：当水泥品种为金山南方时，随着硅灰掺量的增加，坍落度增大，初凝时间增加，2 h 抗压强度差别不大，但均低于40 MPa，3 h 后抗压强度才能达到40 MPa；不同硅灰掺量下坍落度和凝结时间均满足要求。

将表6与表7的结果进行比较，发现南通海螺能够满足2 h 早期强度要求，后期强度较高，坍落度满足要求，初凝时间稍短，可以通过改变缓凝剂掺量来调整初凝时间。

3.4 缓凝剂掺量试验

根据基准配合比，使用南通海螺水泥，硅灰掺量为5%，设置缓凝剂掺量分别为0.5%、0.7%和0.9%（对应编号分别为1-2、2-1 和2-2）。缓凝剂掺量调整试验结果见表8。

表8 缓凝剂掺量调整试验结果（南通海螺）Tab.8 Adjustment test results of retarder content（Nantong Conch）

由表8 可见：随着缓凝剂掺量的增加，初始坍落度减小，流动性降低，初凝时间增加，早期强度减小，后期抗压强度变化不明显；当缓凝剂掺量为0.7%时，可以满足初凝时间超过30 min，2 h 后抗压强度达到40 MPa的要求。

3.5 最终配合比

根据硅灰掺量、水泥品种比选和缓凝剂掺量调整试验的结果，确定最终配合比，见表9。

表9 2 h高性能快硬混凝土配合比Tab.9 2 h high performance fast hardening concrete mix propotion

4 快硬材料干粉预混

结合一体化搅拌车的结构特点，在没有足够仓位以及保证质量稳定的前提下，将水泥、快硬剂、硅灰和缓凝剂进行预混。前期进行了预混试生产，共生产10 盘预混料，每盘1 t 左右。除水泥外，其他包括快硬剂、缓凝剂和硅灰均采用人工投料的方式，按照前期试验确定的配合比进行混合均化。

生产过程中，采取以下质量控制措施。

（1） 优化人工投料顺序。水泥采用自动计量的方式，先人工投入一半快硬剂，再投掺量较少的缓凝剂和硅灰，最后投入另一半快硬剂。

（2） 延长搅拌时间。全部材料投料完毕后充分搅拌5 min。

（3） 取样检测。分批次取样，进行混凝土小机试验，确保质量稳定可控。对该批次10 盘预混料的2 号、5 号和9 号盘进行取样，并进行混凝土小机试验，结果见表10。从表10 可以看出，坍落度、初凝时间和抗压强度均满足要求。

表10 2 h快硬预混料抽样混凝土配合比试验结果Tab.10 Test result of mix ratio of 2 h fast hardening premix sampled concrete

5 快硬一体车生产

5.1 车辆型式简介

一体化搅拌车配备有2 个骨料仓、2 个粉料仓、2 个水仓以及2 个外加剂仓。骨料通过仓底的链式传送带输送，粉料通过仓底绞笼输送，水和外加剂通过管路输送，最终汇集到车体尾部的搅拌绞笼中，经高速搅拌后出机。

在一体化搅拌车生产参数中设置理论配合比时，需进行参数转换。不同于常见搅拌楼的计量秤，一体化搅拌车通过主齿轮转速来控制出料量。主齿轮绑定骨料链式传送带和粉料绞笼，主齿轮转1 圈时，粉料的出料量固定，骨料的出料量通过调节仓底开门大小来调整，而外加剂和水的出料量通过各自管路上的阀门来调节。根据理论配合比和骨料含水率得到生产配合比，首先根据每方粉料质量以及出料速度来确定主齿轮转速，计算后得到骨料仓开门大小、水和外加剂流量等参数。

5.2 参数校准

一体化搅拌车的计量实际上是一种体积计量方式，根据不同材料的堆积密度/表观密度等进行换算，因此在使用前需对所用原材料进行参数校准。这包括确定主齿轮1 圈对应的粉料质量，不同开门大小对应的砂石骨料的质量，以及流量计的校准。校准过程应进行多次，并取平均值。多次测量骨料开门大小，得出其回归曲线。

5.3 试生产

一体化搅拌车的搅拌主要通过车后的绞笼进行，设定好比例的骨料、粉料、水和外加剂从绞笼前部进入，从尾部出来。整个搅拌过程时间很短，约7 s。在所设配合比下快硬混凝土属于低水胶比、高抗压强度，对搅拌效率要求很高。出料速度不能太快，否则容易造成搅拌不充分、不均匀。经试验，调整出料速度为0.2～0.3 m3/min，此时效果最佳。生产过程中要保持绞笼尾部翘起约20°～30°，保证出料是由后投入的料推动前投入的料前进，而不是因自重而发生滑落。

6 工程应用

本次内环高架设施提升及功能完善工程（四平路—政本路）位于杨浦区内，总长约688.5 m。工程范围内高架桥29 跨，桥梁宽度为18 m，内圈2 车道，外圈3 车道。本次工程内容主要包括桥梁主体结构修复、防撞墙拆除重建、桥梁附属构造改造和新建桥梁结构健康监测。在边梁更换的铰缝及铺装层、更换的伸缩缝和连续缝以及局部混凝土的修复处等均需采用快硬混凝土。

内环高架交通繁忙，施工期间时间紧迫。边梁更换时间选为周末，周五23：00 封闭交通，次日周六6：00开放，允许封闭1根最外侧车道，周一6：00全线开放。更换伸缩缝和连续缝时，23：00 封闭交通，次日6：00开放。具体施工工序见表11和表12。

表11 板梁更换施工工序Tab.11 Plate and beam replacement construction process

表12 伸缩缝、连续缝更换施工工序Tab.12 Expansion joint， continuous joint replacement construction process

本次工程从2022 年8 月底开始，到2023 年1 月初结束，共完成2 h 快硬混凝土的浇筑57 方，15 h 快硬混凝土的浇筑128方，完成了既定目标。

7 结语

本次试验研究完成了2 h 快硬混凝土的研发和应用，获得了一种快速修补材料，并对相关配套生产施工工艺进行了验证，进而将其应用于实际工程中。该修补材料早期强度高，后期强度稳定，施工性能优良，将会在“城市更新”的过程中发挥重要的作用，有着广阔的应用前景。

但由于工程时间紧迫，以及受到诸多因素的影响，该修补材料尚有不足之处，后续可进行以下改进。

（1） 配合比关键因素试验。未进行水胶比、快硬剂掺量的相关调整试验，后续可增加调整试验，探究其影响规律。

（2） 水泥品种的影响。可进一步探究水泥中组分变化对该硅酸盐-快硬剂复掺体系的影响。

（3） 在保证早期强度的前提下，气温变化时该体系混凝土凝结时间的灵活调整。气温变化时可以通过改变缓凝剂掺量来调整凝结时间，其对应关系值得探索。施工时间恰好为冬季夜晚气温最低时，通过电加热搅拌用水的方法可提高混凝土初始温度，也有利于缩短凝结时间，增强早期强度。