早強(qiáng)劑對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

王薇（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司 北京 朝陽(yáng) 100024）

李亞楠（山東省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院 山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

在混凝土結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，新拌混凝土要達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度，需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間地凝結(jié)硬化。摻加早強(qiáng)劑，可顯著提高混凝土的凝結(jié)硬化時(shí)間，在冬季施工、應(yīng)急搶險(xiǎn)工程、加速模具周轉(zhuǎn)等方面，發(fā)揮著重要的作用 [1-2]。作為混凝土常用外加劑之一，早強(qiáng)劑的摻加，在提高混凝土早期強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展影響較小，可以加快施工進(jìn)度，節(jié)約生產(chǎn)成本。

目前，國(guó)內(nèi)的早強(qiáng)劑種類主要分為無(wú)機(jī)鹽類、有機(jī)物類及復(fù)合型早強(qiáng)劑三大類[3]。其中，無(wú)機(jī)鹽類早強(qiáng)劑又可分為硫酸鹽類、碳酸鹽類、氯化物、硝酸鹽類及亞硝酸鹽類等；有機(jī)物類又可分為三乙醇胺、三異丙醇胺、甲酸鈣及乙二醇等；復(fù)合型早強(qiáng)劑主要是指無(wú)機(jī)鹽類與有機(jī)物結(jié)合使用的早強(qiáng)劑。在無(wú)機(jī)鹽類早強(qiáng)劑中，氯化物類早強(qiáng)劑因其加入混凝土中，所含的Cl-易引起鋼筋的銹蝕，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此類早強(qiáng)劑的使用有著嚴(yán)格限制，故多用于素混凝土[4]。

本試驗(yàn)研究在C50混凝土配合比的基礎(chǔ)上，以混凝土立方體早期抗壓強(qiáng)度作為主要控制指標(biāo)，對(duì)比分析甲酸鈣、三乙醇胺、硫酸鈉三種早強(qiáng)劑，在單摻或復(fù)合時(shí)，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響，以期為早強(qiáng)劑與混凝土類似實(shí)驗(yàn)研究提供借鑒與參考。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

原材料的測(cè)定及試驗(yàn)的進(jìn)行全部在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室內(nèi)完成。

1.1 原材料

水泥：P·O42.5級(jí)，密度3.05g/cm3；粉煤灰：I級(jí)，比表面積370cm2/g；砂子：洞庭湖砂，細(xì)度模數(shù)Mx=2.8，表觀密度為2610kg/m3，含泥量0.8%；

石子：重慶產(chǎn)碎石，連續(xù)級(jí)配5~20mm，級(jí)配良好，松散堆積密度為1460kg/m3，緊密堆積密度為1670kg/m3，表觀密度為2690kg/m3，含泥量0.60%；

聚羧酸系減水劑：烯丙基聚醚類，減水率26%，建議最佳摻量0.8%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取硫酸鈉[5]、甲酸鈣[3]、三乙醇胺[6]三種早強(qiáng)劑作為研究對(duì)象，在C50混凝土配合比的基礎(chǔ)上，測(cè)定在早強(qiáng)劑不同摻量下，混凝土立方體試件的1d、3d、28d抗壓強(qiáng)度，確定出每種早強(qiáng)劑在單摻時(shí)的最佳摻量。在此基礎(chǔ)上，測(cè)定不同早強(qiáng)劑以最佳摻量復(fù)合時(shí)，混凝土1d、3d、28d的抗壓強(qiáng)度，以混凝土的早期強(qiáng)度作為主要控制指標(biāo)，對(duì)比分析早強(qiáng)劑單摻及復(fù)合時(shí)對(duì)混凝土的影響。

試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，控制新拌混凝土的坍落度范圍處于70~100mm之間，混凝土試件成型采用機(jī)械攪拌、機(jī)械振搗成型的方法。混凝土立方體1d的抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)采用自然養(yǎng)護(hù)，脫模試驗(yàn)為試件成型后17~18h，溫度記錄時(shí)，取該時(shí)段內(nèi)最高溫與最低溫的平均值（約為26~28℃）；試件3d、28d抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，將試件脫模后放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至齡期。試件尺寸為100mm×100mm×100mm。其中，1d抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，由于其值較低，為盡量避免數(shù)據(jù)波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每組6個(gè)試塊，從中選取3個(gè)數(shù)據(jù)較為收斂的取其平均值。3 d和28d抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，則每組3個(gè)試塊。

試驗(yàn)前，先通過(guò)混凝土坍落度試驗(yàn)，確定出減水劑的合理?yè)搅俊；炷翑嚢钑r(shí)，首先將早強(qiáng)劑充分溶解在水溶液當(dāng)中，等水泥、砂、石子在攪拌機(jī)內(nèi)攪拌均勻以后，將水與早強(qiáng)劑分兩次倒入攪拌機(jī)內(nèi)，第一次加入約2/3的水，待水將水泥顆粒潤(rùn)濕以后，加入聚羧酸系減水劑，攪拌約30s，然后將剩余的水及早強(qiáng)劑一次性倒入，總攪拌時(shí)間持續(xù)180s。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

試驗(yàn)所選取的C50混凝土配合比主要參數(shù)為：水膠比0.32，用水量144kg/m3，砂率37%，粉煤灰摻量20%，其具體的混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1C50混凝土配合比/（kg/m3）

2.1 早強(qiáng)劑單摻時(shí)結(jié)果及分析

由于試驗(yàn)原材料的不同，如水泥中硅酸三鈣等成分組成的差異及混凝土配合比的改變等，對(duì)不同早強(qiáng)組分的最佳摻量及其早強(qiáng)效果均產(chǎn)生一定的影響。首先確定出在試驗(yàn)所用原材料下，三種早強(qiáng)劑單獨(dú)摻加時(shí)的最佳摻入比例。試驗(yàn)過(guò)程中參考其他學(xué)者的相關(guān)研究成果，將甲酸鈣的摻量范圍確定在1.5%~3.0%，三乙醇胺的摻量范圍確定在0.05%~0.11%，硫酸鈉的摻量范圍確定在0.5%~2.0%，其具體的用量及不同齡期混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)比表中數(shù)據(jù)，可以看出，當(dāng)早強(qiáng)劑單獨(dú)摻加，以甲酸鈣摻量為2.0%，三乙醇胺摻量為0.07%，硫酸鈉摻量為1.5%時(shí)，其1d和3d強(qiáng)度分別達(dá)到最高，在達(dá)到最佳摻量以后，隨著早強(qiáng)劑摻量的增加，早期強(qiáng)度反而有所降低，且隨著摻量比例的不斷加大，早期強(qiáng)度降低越為明顯。在最佳摻量情況下，對(duì)于1d和3d抗壓強(qiáng)度，摻加甲酸鈣、三乙醇胺、硫酸鈉的混凝土比同齡期素混凝土分別提高了36.23%和33.55%、33.78%和30.71%、29.44%和31.27%。而對(duì)于28d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，整體趨勢(shì)表現(xiàn)為，隨著早強(qiáng)劑摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同程度的倒縮趨勢(shì)，其中以三乙醇胺對(duì)于混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展影響最小。

表2 早強(qiáng)劑單摻時(shí)混凝土立方體不同齡期抗壓強(qiáng)度

三種早強(qiáng)劑單摻時(shí)，以甲酸鈣的促凝效果最好，這可能與三種早強(qiáng)劑的作用機(jī)理與水泥的成分組成有關(guān)。在普通硅酸鹽水泥漿體系中甲酸鈣中的甲酸根梨子（HCOO-）能夠形成同AFt和AFm相近的類似物，

且甲酸根離子的擴(kuò)散速度要大于Ca2+，并可以滲透到C2S與C3S的水化層，從而加快硅酸鈣的水化與氫氧化鈣的沉淀，其早強(qiáng)效果隨硅酸鹽水泥中C3S含量的降低而提高。硫酸鈉作為強(qiáng)電解質(zhì)，能夠增強(qiáng)水泥漿體中的離子濃度，其溶于水后，可與氫氧化鈣反應(yīng)生成CaSO4與NaOH，NaOH可以增強(qiáng)體系的堿性，加速C3A與石膏的溶出速率，從而提高硫鋁酸鈣含量，達(dá)到早強(qiáng)的效果。三乙醇胺在水泥水化的過(guò)程當(dāng)中，可以與Fe3＋、Al3＋等形成易溶于水的絡(luò)合離子，從而促進(jìn)C3A與C4AF的溶解，加速硫鋁酸鈣的生成，同時(shí)降低體系中鋁離子與鈣離子濃度，促進(jìn)C3S水化，進(jìn)一步加速了混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展。

2.2 早強(qiáng)劑復(fù)合時(shí)的結(jié)果及分析

在上述試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別選取三種早強(qiáng)劑的最佳摻量，作為復(fù)合時(shí)早強(qiáng)劑的摻量，進(jìn)一步對(duì)比分析在早強(qiáng)劑復(fù)合的情況下，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度及28d強(qiáng)度的影響，其具體的復(fù)合比例及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 早強(qiáng)劑復(fù)合時(shí)混凝土立方體不同齡期抗壓強(qiáng)度

對(duì)比表3中數(shù)據(jù)，當(dāng)甲酸鈣摻量2.0%，三乙醇胺摻量0.07%時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度的促進(jìn)效果最好，其1d和3d立方體抗壓強(qiáng)度相較于素混凝土，分別提高了48.84%和34.63%。同時(shí)，在復(fù)合情況下，其它各組對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的促進(jìn)效果均好于早強(qiáng)劑單摻時(shí)的作用效果。可見(jiàn)，合理地進(jìn)行早強(qiáng)劑的復(fù)合，可以充分發(fā)揮不同早強(qiáng)劑間的協(xié)同作用，進(jìn)一步促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，但并非早強(qiáng)劑復(fù)合的種類越多對(duì)于混凝土的促凝效果越好，當(dāng)三種早強(qiáng)劑均采用最佳摻量加入混凝土中時(shí)，其早強(qiáng)效果反而低于甲酸鈣與三乙醇胺及甲酸鈣與硫酸鈉這兩種組合。目前，在對(duì)早強(qiáng)劑進(jìn)行復(fù)合時(shí)，多采用無(wú)機(jī)鹽類與有機(jī)物類進(jìn)行復(fù)合，以期獲得更高的混凝土早期強(qiáng)度，通過(guò)本試驗(yàn)研究結(jié)果，建議在進(jìn)行早強(qiáng)劑的復(fù)合時(shí)，可以同時(shí)在有機(jī)物類之間進(jìn)行相互的組合。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，本試驗(yàn)研究主要得出如下結(jié)論：

（1）在早強(qiáng)劑單摻時(shí)，對(duì)于本試驗(yàn)所選取的混凝土配合比，以甲酸鈣的早強(qiáng)效果最為明顯，其次分別為三乙醇胺和硫酸鈉；

（2）在三種早強(qiáng)劑進(jìn)行復(fù)合時(shí)，以甲酸鈣和三乙醇胺復(fù)合效果最好，混凝土1d和3d的立方體抗壓強(qiáng)度分別提高了48.84%和34.63%；

（3） 對(duì)早強(qiáng)劑進(jìn)行復(fù)合時(shí)，并非所選取的種類越多，對(duì)于混凝土的早強(qiáng)效果越好，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)當(dāng)合理選取早強(qiáng)劑的種類及其摻量。同時(shí)，對(duì)于目前早強(qiáng)劑復(fù)合時(shí)多采用無(wú)機(jī)物類與有機(jī)物類進(jìn)行復(fù)合的情況，建議可以考慮更為多元化的組合，如有機(jī)物類與有機(jī)物類的組合等。