復合早強劑在鐵路隧道襯砌混凝土中的應用

孫 燕

（中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

早強劑是混凝土生產中頗具代表性的外加劑，以無水硫酸鈉與三乙醇胺單摻及復摻為試驗條件，若硫酸鈉取水泥的2%（按重量計），此試驗條件下1 d 抗壓強度增幅約44%，而相比于空白組而言，28 d 抗壓強度則出現偏低的情況。復摻三乙醇胺和硫酸鈉，可發現早強效果均較好，后期雖然降低但幅度微乎其微，因此復摻早強劑的方式具有較好的應用效果。

1 混凝土早強劑的概述

早強劑常見有以下幾類：包含氯鹽、亞硝酸鹽在內的無機鹽類；包含甲酸鈣在內的有機物類；集早強減水劑、早強防凍劑等多種材料于一體的復合型早強類[1-2]。混凝土凝結硬化的持續時間相對較長，為減少該階段的時間，可按需使用早強劑，以達到提高早期強度、縮短養護時間的效果。我國幅員遼闊，北方地區的冬季持續時間較長且溫度偏低，混凝土生產及應用過程中易發生凍害，而通過早強劑的應用，則有助于緩解該問題[3]。早強劑的類型豐富，單一材料所取得的應用效果相對有限，由此衍生出集多類早強劑于一體的復合型應用方式，其在提高混凝土工程性能方面具有顯著的應用優勢，可兼顧強度等方面的要求，而多種早強劑的應用可以實現互補，由此避免鋼筋銹蝕、水泥石質量不達標等不良現象。

2 試驗內容

2.1 原材料

水泥：42.5R 級普通硅酸鹽水泥；砂：標準砂；硫酸鈉：化學純試劑（純度＞99%）；三乙醇胺：工業級三乙醇胺（純度＞98%）；水：普通自來水。

2.2 儀器選擇

包含JJ-5 型水泥膠砂攪拌機、2HDG-80 混凝土試驗用振動臺、YH-40B 型標準恒溫恒濕養護箱、TYE-2000B 型液壓式壓力試驗機等相關裝置。儀器使用期間需注意以下內容：

（1）使用前檢查：①用前檢查設備的電源是否正常；②使用前認真檢查電源插頭座的PE 黃綠線是否安全接地，而不是接電源零線，確保外殼安全接地；③使用前應拿掉定位套，檢查各運動部件是否運動自如，電控部分是否正常滑油后開機空轉，檢查正常方可使用，每次使用前必須拿掉定位套；④使用前檢査振動臺的振動時間及制動時間一次，試車前放上空試模及漏斗。

（2）使用后檢查：①使用后檢查設備在檢測中有無損壞；②使用后應清理干凈檢測設備，并做好日常保養工作，正確填寫使用維修記錄；③使用后應切斷電源，并將定位套放于原位。

2.3 試驗方法

在硫酸鈉、三乙醇胺單摻及復摻條件下組織試驗，水泥∶標準砂∶水=1∶3∶0.5。取適量硫酸鈉粉劑，將該部分與水泥充分混合；取適量拌合水，向其中摻入三乙醇胺液體，并給予攪拌。試驗期間的各項操作均以GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》為依據，根據規范制得膠砂試件，轉至水泥標準養護箱內，在相同條件下給予24 h 的養護，隨后拆模，水養至28 d凝期，最后組織檢測，分析各試樣在各階段的抗壓強度情況。

3 試驗結果及分析

3.1 單摻硫酸鈉時的水泥膠砂強度

以1 d、28 d 抗壓強度為分析對象，各硫酸鈉摻量下的具體表現，如圖1 所示。

圖1 單摻硫酸鈉對水泥膠砂強度的影響

根據圖1 內容可知，硫酸鈉在特定摻量0.5%～2%區間內，水泥膠砂的1 d 抗壓強度呈逐步提高的變化趨勢。隨硫酸鈉摻量的提高，在2%時抗壓強度達到最大值，后續呈逐步降低的趨勢，與空白組的差距逐步縮小。從硫酸鈉的特性來看，其易溶于水，隨水泥硬化進程的持續推進，能夠與氫氧化鈣（源自于水泥水化反應）接觸，經作用后生成石膏和堿，形成較豐富的細微石膏顆粒，其活性較強，可促進水泥水化反應，因此水泥1 d 早期抗壓強度較未摻入早強劑而言有所提高。當然，若硫酸銅摻量高于合理值，將生成過量的硫酸鈣，即便水泥已經轉變為結晶結構形態，但依然存在大量的膨脹性硫鋁酸鈣，導致水泥石強度下降，因此混凝土后期強度具有下降的變化特點。

3.2 單摻三乙醇胺時的水泥膠砂強度

以1 d、28 d 抗壓強度為分析對象，各三乙醇胺摻量的具體表現，如圖2 所示。

圖2 單摻三乙醇胺對水泥膠砂強度的影響

根據圖2 內容可知，硫酸鈉在特定摻量0.02%～0.06%內，水泥膠砂的1 d、28 d 抗壓強度均呈逐步提高的變化趨勢，但幅度相對較小。現階段，業內對三乙醇胺促進水泥強度提高的作用機制并未形成統一的認識，但在多數觀點里，認為三乙醇胺N 原子的未共用電子對將與金屬離子發生作用，形成共價鍵，產生的絡合物具有易溶于水的特性，受此影響，水泥顆粒的表面將產生可溶區點，可見C3A 和C4AF 的溶解速率均有所提高，能夠與石膏發生更為劇烈的反應，生成豐富的硫酸鋁鈣，可提高水泥石的早期強度。在絡合物的作用下，促使液相中Ca（OH）2介穩過飽和度提高，所帶來的效果則是C3A 水化期間的疏松結晶物生成進程受阻，水泥石在致密性和強度方面均有所提高。

3.3 復摻硫酸鈉與三乙醇胺時的水泥膠砂強度

以1 d、28 d 抗壓強度為分析對象，不同硫酸鈉與三乙醇胺復摻的具體表現，如圖3 所示。

圖3 復摻硫酸鈉與三乙醇胺對水泥膠砂強度的影響

根據圖3 內容可知，在采取硫酸鈉與三乙醇胺復摻的方式后，隨摻量的增加，水泥膠砂1 d 抗壓強度呈提高的變化趨勢，且相比于單摻而言具有更良好的應用效果。28 d 抗壓強度與空白樣相比，未見提升，或存在小幅度下降的變化趨勢。經復摻后，可以解決前述單摻硫酸鈉后28 d 強度偏低的問題，而在相同的早強效果下，復摻硫酸鈉用量明顯少于單摻，可緩解對水泥石質量所帶來的負面影響。

3.4 最優復合早強劑在某隧道襯砌混凝土中的應用效果驗證

在前述復摻試驗的基礎上做進一步的分析。以某公路隧道C30 二襯混凝土配合比為依據，組織試驗并檢測1 d、28 d 條件下的抗壓強度。在硫酸鈉為1%和三乙醇胺為0.03%的條件下，該混凝土1 d 的抗壓強度為9.3 MPa，相比于未摻入該類物質的空白組而言增幅約33%，可滿足二襯混凝土拆模要求；此外，28 d 抗壓強度表現依然良好，未見強度減小的情況。總體來看，在應用復合早強劑后，有助于提高混凝土的強度，其產生的促進作用與水泥膠砂試驗結果吻合，該類材料具有可行性。

4 結束語

經過上述分析可知：

（1）硫酸鈉對于提高水泥膠砂的早期抗壓強度而言具有顯著的應用效果，其中以2%的摻量最為適宜，相比于空白組而言，1 d的抗壓強度增幅約44%，但其后期強度呈下降的趨勢。

（2）三乙醇胺對水泥膠砂的強度提升效果相對較差，但其優勢在于后期強度無降低的變化趨勢。但根據鐵路隧道襯砌混凝土施工要求，不宜單獨使用三乙醇胺。

（3）通過硫酸鈉與三乙醇胺兩類材料復摻的方式，可有效提高早強效果，并且在三乙醇胺的作用下，可解決單摻硫酸銨時后期強度偏低的問題。在應用復摻的方式后，硫酸鈉的用量相比于單摻方式而言明顯減少，可有效保證水泥石的質量。

（4）經過膠砂試驗后，可確定最佳的復合早強劑摻量值，而將其應用于隧道工程中加以驗證后發現，兩者結果基本一致。由此說明，通過復合早強劑的應用，可兼顧早期強度和后期強度的雙重要求，同時襯砌混凝土脫模時間可提前，施工效率得以提高，創造良好的社會效益和經濟效益。