混凝土早強性能研究進展和展望

梁志強

摘 要：混凝土材料是工程建設中最常用的一種建筑材料，由于其具有較強的塑形能力、較高的結構強度以及超低的經濟造價等優勢，在各種工程建筑項目上得以廣泛應用。混凝土早強劑是一種無氯鹽堿水復合型材料，可以有效縮短混凝土凝結時間、提高混凝土早期強度。得益于早強劑顯著的商業價值，國內外企業和學者對混凝土早強性能研究持續深入，也取得了不少成果。筆者總結分析了混凝土早強性能研究進展，并對未來早強性能研究方向進行展望，以供參考。

關鍵詞：混凝土;早強性能;進展;展望

中圖分類號：TU528 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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、水以及多種添加劑配比拌和而成的復合型材料，混凝土的使用性能主要取決于各種組成原材料的配合比。在混凝土配制之前，需要根據工程建設強度等技術要求，對混凝土配合比進行多次試驗，以獲得符合要求的配合比，并以此配制混凝土材料，來滿足工程施工建設要求。然而，盡管混凝土材料具有如此優勢的建筑特點，但受限于混凝土配比材料的劣化以及環境對混凝土材料的侵蝕等影響，混凝土使用壽命受到一定的限制，也使得混凝土建筑結構過早地遭到破壞，失去使用價值，面對數量如此龐大的混凝土建筑結構群體，若干年后無疑會成為一項代價巨大的工程難題。就混凝土材料自身配比特點而言，由于可以通過改變不同的添加劑或配合比來改變混凝土的強度等材料性能，因此研究高強度的混凝土材料也成了混凝土建材市場上普遍關注的話題。其中，通過添加早強劑來縮短混凝土凝結時間，提高混凝土早期強度的技術研究已經取得了很大的進展，不少企業、專家、學者等對混凝土早強性能進行研究，以期能獲得更高強度的混凝土材料，從而進一步提高混凝土的使用壽命，進而提升混凝土的經濟價值。

1 混凝土早強性能研究現狀

1.1 各界對混凝土早強性能的早期研究

鑒于混凝土材料巨大的商業價值，國內外專家、學者對混凝土早強性能進行了大量的研究，以期能夠獲得高強度的混凝土材料，在混凝土早強性能研究初期取得了極具參考價值的理論和應用實踐成果。其中，早在1990年，美國國家標準與技術研究院、美國混凝土協會等展開合作，對混凝土早強性能進行研究，并首次提出以“混凝土耐久性”為高性能指標的研究方向，也由此開啟了高性能混凝土材料熱點研究與技術應用之路[1]。1992年，吳中偉教授首次將高性能混凝土這一概念引入國內，國內專家、學者開始對混凝土早強性能等技術進行研究，不僅在混凝土耐久性、高強度等方面取得了一定進展，而且也開啟了混凝土強度與混凝土耐久性之間的關聯性影響的研究方向。而早期對混凝土早強性能的概念和定義研究也出現了不同的側重點，美國、加拿大等學者將“高耐久性”作為混凝土早強性能的主要側重點，日本學者則更注重混凝土在建筑工作中的使用性能，英國學者則普遍關注混凝土的強度指標[2]，中國學者不僅關注混凝土的耐久性，同時也注重綠色、環保等方面的研究，側重綠色高性能的新型混凝土材料研究。隨著混凝土技術的不斷發展，人們對混凝土早強性能有了更為清晰的認知，具體包含混凝土的流動性、工作性、強度、耐久性、自密性等多種性能，但都是建立在早期無數學者研究的基礎上發展而來。

1.2 不同礦物摻合料對混凝土早強性能的影響研究

為了獲得高強度的混凝土材料，相關研究人員做了大量的試驗，通過在混凝土配制過程中添加粉煤灰、硅灰、細磨礦渣料等不同的礦物摻合料，以此研究不同礦物摻合料對混凝土早強性能的影響。在此列舉以硅灰、粉煤粉、礦粉三種材料作為混凝土的摻合料的試驗，表1為混凝土配合比。

試驗重點測試在水膠比為0.42、0.46、0.50時礦粉、粉煤灰、硅灰等量替代水泥0%、15%、30%時，對混凝土抗壓強度和工作性能的影響。由于水膠比較小，為了獲得相同的工作性能，需要向其中加入不同劑量的減水劑，其中以硅灰為摻合料的混凝土中加入2.5%，礦粉和粉煤灰均為1.5%，空白對照組為0.2%。通過試驗發現摻入不同礦物摻合料都會降低混凝土的工作性能特別是流動性，只是影響程度各不相同。其中硅灰對混凝土流動性能降低最大，礦粉次之，粉煤灰對混凝土工作性能的負面影響最小。根據試驗結果最終可以得出隨水膠比增大，坍落度增大，流動性也相應增大。由于混凝土拌和中，使用的主要原材料是水泥，這也是混凝土材料經濟造價的主要方面，因此，研究使用部分礦物摻合料代替一部分水泥材料，在提高混凝土材料性能的同時，也節約了水泥用量，提高了混凝土的經濟性。如近幾年的研究熱點之一粉煤灰，可以顯著提升混凝土的抗滲性能，主要得益于粉煤灰中含有大量顆粒狀的玻璃微珠，這種形態效應可以有效起到抗滲作用，同時，粉煤灰中含有大量的二氧化硅、三氧化二鋁等物質，這些物質極具活性，可以與水化物發生化學反應，填充混凝土中的孔隙，增加混凝土的密實度;硅灰也是一種常見的礦物摻合料，該材料結構顆粒很細，可以與水化物生成凝膠體，填充混凝土中的孔隙，降低孔隙率的產生，從而提升混凝土的強度;礦渣料與水泥中的物質發生化學反應，可以消耗水泥中的氫氧化鈣，改變水泥漿中的pH值，提高了混凝土材料抗腐蝕性能，對混凝土材料的使用穩定性和耐久性具有顯著的強化效果。

1.3 不同添加劑對混凝土早強性能的影響研究

通過研究混凝土材料中的不同添加劑形式及含量，同樣也可以改變混凝土材料的使用性能，從而影響混凝土的早強性能。添加劑方面主要針對高效減水劑進行研究，通過加入不同劑量的減水劑，以分析混凝土的耐久性和使用強度等性能。大量試驗研究表明，減水劑可以有效降低混凝土拌和用水量，加快混凝土的凝聚時間，提升混凝土強度和耐久性，同時，還能有效提升混凝土流動性，有助于提高施工效率。減水劑根據不同的化學成分可以分為萘系、密胺系、木質素系、聚羧酸系等，其中，萘系減水劑技術研究和應用實踐效果最為顯著，技術發展最為成熟，無論是在理論層面，還是在實踐方面，都取得了很大的進步，因此，在混凝土工程領域得到了大量應用推廣。而其他系的減水劑則還存在一些技術難題，廣泛地推廣應用也受到一定的限制，還需要進一步地深入研究，因此，暫時僅作小范圍應用。

1.4 傳統早強劑對混凝土產生的質量缺陷研究

隨著國內外企業、學者等對混凝土早強性能的研究，出現了大量的早強劑產品，這些初期的早強劑產品雖然也能夠起到提高混凝土使用性能的作用，但同時也會引起一些較為嚴重的質量缺陷，因此，在發現這些傳統早強劑的質量缺陷以后，還需在此基礎上做進一步的優化和改進。例如，氯鹽系的早強劑，其中的氯化物與水泥中的化學物質產生反應，消耗水泥中的氫氧化鈣，生成不易溶于水的氯酸鈣，增加水泥相中固化物的體積，降低水泥的堿度，加快水泥漿的水化反應進程，從而提高混凝土的早強性能，以上這些優點使得氯鹽系的早強劑在研究早期得到廣泛應用，但由于在混凝土配合比中加入了大量的氯離子，而鋼筋混凝土材料中，氯離子容易與鋼筋之間形成較大的電極電位，從而加速了鋼筋的腐蝕，在鋼筋混凝土應用中就存在極大的質量隱患，由此其應用范圍受到了很大的限制;再比如硫酸鹽系的早強劑，在常溫和低溫環境下能加快水泥強度的增長，提高混凝土的使用性能，但隨著國內對水泥材料制作工藝的改進，大量的純熟料硅酸鹽水泥材料得以應用，而硫酸鹽系的早強劑對此類新型水泥材料的活性激發和早強效果并不顯著，因此，也同樣作為傳統早強劑而被其他產品替代。

2 混凝土早期性能研究進展

在傳統早強劑研發應用基礎上，大量研究人員通過總結傳統早強劑的應用弊端，同時對新型材料的不斷開發和利用，對混凝土早強性能研究取得了很大的進展，先后推出了更為優質、高效的有機物早強劑、復合類早強劑，并在混凝土工程上得到廣泛的應用。

2.1 有機物早強劑的研究進展

近年來，常用的有機物早強劑有三乙醇胺、甲酸鈣、尿素等。首先，根據三乙醇胺對混凝土早強效果的研究表明，通過添加三乙醇胺早強劑，可以較好地縮短混凝土的終凝時間，提高混凝土的早期強度，主要原因在于三乙醇胺中含有的氮原子可以與混凝土中的鈣離子和鐵離子等生成易溶于水的絡合離子，提高了水泥顆粒表明的水溶性，進而加快了水泥的水化反應。經研究表明，摻合三乙醇胺早強劑的混凝土使用性能可以提升6～9 MPa的抗壓強度，終凝時間可以縮短30 min以上，起到了很好的早強效果。其次，甲酸鈣早強劑的應用同樣效果顯著，添加甲酸鈣可以有效改變混凝土系統中硅酸三鈣的濃度，降低混凝土中的pH值，提升水泥水化中的結晶速度和固相比例，有助于更快地形成水泥石結構，從而提升混凝土的早期強度。再次，針對尿素的早強劑研究應用也取得了很大的進步，尿素是一種很好地表面活性物質，對混凝土拌合物能起到較快的塑化作用，同時，尿素的化學反應還可以對水泥中難溶物的結晶速度可以起到極佳的調節作用，并能有效降低水泥液相物的冰點，從而加速水泥的水化過程，提升混凝土的抗凍效果，進一步提高混凝土的早強性能[3]。

2.2 復合型早強劑的研究進展

復合型的早強劑在綜合了有機物早強劑基礎上，對早強劑性能進一步研究，融合不同單一類型早強劑的優點，將多種類型的早強劑相互復合，并做出了積極的改進和提升，從而更好地提升了混凝土的綜合性能。常見的有三乙醇胺復合早強劑、甲酸鈣復合早強劑和聚羧酸復合早強劑等。其中，三乙醇胺復合早強劑是利用三乙醇胺為肌理，摻合其他早強劑作為綜合使用，從而克服單一早強劑存在的缺點，使得應用范圍更加廣泛，例如，綜合了三乙醇胺和無水硫酸鈉的復合型早強劑，可以解決低溫環境下混凝土早期強度不高的問題，可顯著提升混凝土12 h抗壓強度4倍以上，又如綜合了三乙醇胺、氫氧化鈣、絡合劑等原料形成的固態性復合型早強劑，其早強性能繼續保持優勢的同時，比液態早強劑更加便于包裝、運輸和儲存;其次，以甲酸鈣、硫酸鐵、晶胚等組成的甲酸鈣復合早強劑，是一種無堿性的高性能早強劑，可以有效降低水泥水化產物析出的能量損失，保持水泥水化物的充分結晶，從而提升混凝土的使用強度。

3 混凝土早強性能研究展望

近年來，經過混凝土企業、業內專家和學者等對混凝土早強劑的持續研究，取得了很大的進步，相繼研發出了多種類型的早強劑產品，大幅度提升了混凝土的早強性能。然而，縱觀不同種類的早強劑產品，最為常用、最為經濟的大多離不開氯鹽、硫酸鹽類等物質，其研究和應用成果受到一定的限制。鑒于混凝土材料技術發展的不斷進步，以復合型早強劑為代表的產品應運而生，更加高效、經濟和應用廣泛。因此，未來對混凝土早強性能研究方向和開發側重點，主要有以下三點。

3.1 進一步研究具有綜合有機物、無機物等特點的復合型早強劑產品

復合型早強劑通過綜合多種早強劑的性能優勢，可以綜合單一早強劑的優點，避開單一早強劑的缺點，從而獲得性能更為優質、高效的復合類產品，未來可以結合不同早強劑的應用特點以及建筑結構對混凝土材料的性能需求，有針對性、有目的性地開發相應的復合型早強劑，已獲得更明確的早強劑產品，提升混凝土的使用性能。

3.2 研發具有早強功能的高價陽離子產品的早強劑產品

水泥的水化產物中含有更多的凝膠體C-S-H，這類凝膠體遇到高價陽離子后可以被迅速壓縮，加速凝聚，從而降低凝膠體在水泥漿液相中的濃度，以提高水泥和混凝土的凝結進程，進而提高混凝土的強度性能，將這些高價的陽離子加入復合早強劑中，可以改進復合早強劑的使用性能，獲得更加優質的早強效果[4]。

3.3 研究晶胚物質在早強劑中的應用

水泥的水化反應中，結晶過程也伴隨著能量的降低，而晶體從液相中析出需要突破能量障礙，進而造成了有時候晶體析出較為困難的現象。而加入有晶胚物質的早強劑，可有效降低水化產物析出的能量阻礙，從而加速晶體析出的過程，使得水泥的水化速度加快，提升混凝土的早強性能。

4 結語

混凝土早強性能對于混凝土材料使用強度和耐久性等影響很大，在建筑工程中，混凝土早強性能研究早已成為混凝土工程中極為重要的課題，隨著混凝土技術的不斷發展，混凝土早強劑的研發和應用取得了顯著的成果，不僅可以有效提升混凝土的結構強度和使用壽命，同時可以有效降低混凝土的造價成本，提高混凝土的使用經濟性，對于建筑工程行業而言是一種巨大的利好。然而，以目前的研究進展而言，混凝土早強性能研究還有很大的進步空間，需要混凝土企業、業內專家和社會學者等繼續努力，持續深入研究，以取得更好的成果，獲得更大的進步。

參考文獻：

[1] 張洪文.淺析混凝土早強劑使用性能研究發展現狀及提升策略[J].混凝土工程，2018（2）：45-46.

[2] 李明華.淺談高性能混凝土材料研發及應用問題和解決策略[J].城市建設理論研究，2019（14）：78-79.

[3] 孫慧中.高強度混凝土早強性能研究技術難點和應用前景分析[J].中國新技術新產品，2020（9）：123-124.

[4] 周東波.論混凝土早強性能的控制技術和應用問題研究[J].建筑用材研究，2018（6）：68-69.