高性能快硬混凝土技術研究與工程實踐

董 歡，周時強

（上海城建物資有限公司，上海 201999）

0 引言

隨著城市的不斷建設和發展，城市基礎設施承受的壓力不斷增加，其老化速度加快。1958 年8 月，“城市更新”概念被提出。“城市更新”是指包括所有有關城市改善的建設活動，是一種存量建設方式，其他相關概念包括“城市復蘇”、“城市雙修”等。城市基礎設施包括高架、橋梁、機場、高速公路等，在面臨大流量交通壓力的情況下，如何做好城市基礎設施的維護保養成為亟需解決的問題。

作為國際大都市，上海交通繁忙，存量基礎設施空間巨大。上海存量城市橋梁總計2 836座；城市道路總長5 493 km，面積12 195 萬m2；公路總里程13 044.7 km，公路橋梁總計11 438 座；機場2 座，面積1 000萬m2。以上存量基礎設施建成時間早，服役強度大，長期處于超負荷狀態，開始出現各類病害，上海城市交通設施即將迎來大規模修復高峰期。

針對應用于城市基礎設施的快速修復材料，國內外相關研究很多。何建杰[1]提出市場上的修復材料分為3 大類：有機類（環氧樹脂、聚氨酯、烯、瀝青及改性瀝青類），無機類（快硬型、膨脹型、摻復合外加劑型、摻纖維型和摻超細粉型的混凝土），有機與無機復合材料類（以有機為主的聚合物的碎石材料，以及以無機為主的聚合物改性混凝土或砂漿）。張洪波[2]提出超早強混凝土主要通過2 種途徑來配制，分別是：利用快硬早強型特種水泥，使用早強劑和各種外加劑。劉慶濤等[3]采用普通早強硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽瞬凝水泥進行復配，加水拌和后4 h抗折強度達到2.5 MPa，28 d 抗折強度達到5.5 MPa，滿足機場道面搶修技術要求。閆林偉[4]將自配新型快硬特種水泥（硫鋁酸鹽熟料、石膏、粉煤灰等）與硅酸鹽水泥復配，得到1 h 抗壓強度達到30.8 MPa 的快硬混凝土。

上海內環高架路浦西路段于1993 年開工建設，1994 年12 月建成通車。為了保障并提升設施的運營安全，建設卓越城市更新示范案例，實現城市數字化轉型，踐行“人民城市為人民”發展理念，需要對其進行相應的更新改造，包括老化結構翻新、智能化設備功能完善、供配電擴容和環境景觀提升等。

本次內環高架設施提升及功能完善工程（四平路—政本路）涉及到的結構部位（如伸縮縫、彈性縫等）所使用的快速修復混凝土材料需滿足以下要求：2 h抗壓強度達到40 MPa，28 d設計抗壓強度為C50。

1 原材料和試驗方法

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，其主要物理性能指標和微觀分析分別見表1和表2。

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

表2 2種水泥的微觀分析Tab.2 Microscopic analysis of two kinds of cement

硅灰：940 級微硅粉，Elkem 公司，其中SiO2質量分數為93.1%，45 μm方孔篩的篩余量為1.4%。

快硬劑：BEFORM，DENKA 公司，灰白色粉體，密度為2.92 kg/m3，比表面積為600 m2/kg。

緩凝劑：D300，DENKA公司，白色顆粒狀。

砂：天然中砂，Ⅱ區合格，含泥量為1.3%，表觀密度為2 610 kg/m3。

石：碎石，5～20 mm，連續級配，含泥量為0.4%，表觀密度為2 620 kg/m3。

外加劑：PCA-IV，江蘇博特公司，為聚羧酸系減水劑，淡黃色透明液體，密度為1 052 kg/m3，混凝土減水率為30%，含固量為21.8%。

水：自來水。

1.2 試驗方法

試驗參照以下標準進行：

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

JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》。

GB/T 14684—2022《建設用砂》。

GB/T 14685—2022《建設用卵石、碎石》。

GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》。

GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。

GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》。

GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

GB/T 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》。

5.6.3 屈肘功能鍛煉 術后4～6周囑患者自然下垂患肩，健側手掌托著患肢前段，將肘關節上舉屈曲至110°，必須在深吸氣的同時上抬患肢前臂至屈肘位，開始時每天早晚訓練20次，每天鍛煉2次，以后逐漸增多，直到每天能達數千次。主要作用是加強膈神經對肌皮神經的支配，鍛煉肱二頭肌隨呼吸作屈肘動作，由練習摸嘴、摸頸到后來的摸腰部，逐步過渡到自主屈肘鍛煉。對尚未開始訓練的關節嚴格制動。

2 混凝土配制目標和水化反應機理分析

2.1 混凝土配制目標

（1） 工作性能要求：混凝土采取現場拌制，由快硬一體攪拌車生產，勞動車短駁，振動棒振搗，坍落度為（160±30）mm，其中伸縮縫結構采用蓋面板預埋，上部采用開孔澆筑形式，對混凝土流動性要求較大。

（2） 凝結時間及強度要求：混凝土隨拌隨用，施工可操作時間超過30 min，即初凝時間超過30 min；2 h 抗壓強度需大于40 MPa，以確保交通準時恢復；28 d設計強度達到C50。

2.2 水化反應機理

為了達到早期強度的要求，本次試驗采用了DENKA 公司的快硬劑BEFORM 與硅酸鹽水泥復配的方案。

快硬劑BEFORM 是一種非晶態C12A7基的快硬材料，其中摻有大量石膏，通過早期水化反應生產鈣礬石，以達到早期強度要求。

通過快硬劑與硅酸鹽水泥復配，硅酸鹽水泥中C2S、C3S 等水化產生的Ca（OH）2被C12A7水化反應消耗，兩者相互促進反應，在保障早期強度的同時，后期強度也有所提高[5]。

3 配合比試驗

3.1 關鍵參數和基準配合比

2 h 快硬混凝土的配合比設計主要是通過試驗確定影響混凝土的關鍵參數及其調控范圍，同時獲得不同組分對混凝土早強力學性能的影響規律，根據快硬混凝土配合比的設計思路，混凝土關鍵參數及控制范圍見表3，基準配合比見表4。

表4 基準配合比Tab.4 Base mix proportion

3.2 硅灰摻量試驗

設定水膠比為0.24，快硬劑摻量為25%，選用南通海螺水泥，調整硅灰摻量，試驗方案及結果分別見表5和表6。

表5 硅灰摻量調整試驗方案Tab.5 Silica fume content adjustment test scheme

表6 硅灰摻量調整試驗結果（南通海螺）Tab.6 Test results of silica fume content adjustment（Nantong Conch）

3.3 硅酸鹽水泥比選試驗

在膠凝材料中，硅酸鹽水泥所占比例很大，因此水泥品種對快硬混凝土性能的影響較大。按照硅灰摻量試驗方案，將水泥品種更換為金山南方，試驗結果見表7。

表7 硅灰摻量調整試驗結果（金山南方）Tab.7 Test results of silica fume content adjustment（South Jinshan）

由表7 可見：當水泥品種為金山南方時，隨著硅灰摻量的增加，坍落度增大，初凝時間增加，2 h 抗壓強度差別不大，但均低于40 MPa，3 h 后抗壓強度才能達到40 MPa；不同硅灰摻量下坍落度和凝結時間均滿足要求。

將表6與表7的結果進行比較，發現南通海螺能夠滿足2 h 早期強度要求，后期強度較高，坍落度滿足要求，初凝時間稍短，可以通過改變緩凝劑摻量來調整初凝時間。

3.4 緩凝劑摻量試驗

根據基準配合比，使用南通海螺水泥，硅灰摻量為5%，設置緩凝劑摻量分別為0.5%、0.7%和0.9%（對應編號分別為1-2、2-1 和2-2）。緩凝劑摻量調整試驗結果見表8。

表8 緩凝劑摻量調整試驗結果（南通海螺）Tab.8 Adjustment test results of retarder content（Nantong Conch）

由表8 可見：隨著緩凝劑摻量的增加，初始坍落度減小，流動性降低，初凝時間增加，早期強度減小，后期抗壓強度變化不明顯；當緩凝劑摻量為0.7%時，可以滿足初凝時間超過30 min，2 h 后抗壓強度達到40 MPa的要求。

3.5 最終配合比

根據硅灰摻量、水泥品種比選和緩凝劑摻量調整試驗的結果，確定最終配合比，見表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 快硬材料干粉預混

結合一體化攪拌車的結構特點，在沒有足夠倉位以及保證質量穩定的前提下，將水泥、快硬劑、硅灰和緩凝劑進行預混。前期進行了預混試生產，共生產10 盤預混料，每盤1 t 左右。除水泥外，其他包括快硬劑、緩凝劑和硅灰均采用人工投料的方式，按照前期試驗確定的配合比進行混合均化。

生產過程中，采取以下質量控制措施。

（1） 優化人工投料順序。水泥采用自動計量的方式，先人工投入一半快硬劑，再投摻量較少的緩凝劑和硅灰，最后投入另一半快硬劑。

（2） 延長攪拌時間。全部材料投料完畢后充分攪拌5 min。

（3） 取樣檢測。分批次取樣，進行混凝土小機試驗，確保質量穩定可控。對該批次10 盤預混料的2 號、5 號和9 號盤進行取樣，并進行混凝土小機試驗，結果見表10。從表10 可以看出，坍落度、初凝時間和抗壓強度均滿足要求。

表10 2 h快硬預混料抽樣混凝土配合比試驗結果Tab.10 Test result of mix ratio of 2 h fast hardening premix sampled concrete

5 快硬一體車生產

5.1 車輛型式簡介

一體化攪拌車配備有2 個骨料倉、2 個粉料倉、2 個水倉以及2 個外加劑倉。骨料通過倉底的鏈式傳送帶輸送，粉料通過倉底絞籠輸送，水和外加劑通過管路輸送，最終匯集到車體尾部的攪拌絞籠中，經高速攪拌后出機。

在一體化攪拌車生產參數中設置理論配合比時，需進行參數轉換。不同于常見攪拌樓的計量秤，一體化攪拌車通過主齒輪轉速來控制出料量。主齒輪綁定骨料鏈式傳送帶和粉料絞籠，主齒輪轉1 圈時，粉料的出料量固定，骨料的出料量通過調節倉底開門大小來調整，而外加劑和水的出料量通過各自管路上的閥門來調節。根據理論配合比和骨料含水率得到生產配合比，首先根據每方粉料質量以及出料速度來確定主齒輪轉速，計算后得到骨料倉開門大小、水和外加劑流量等參數。

5.2 參數校準

一體化攪拌車的計量實際上是一種體積計量方式，根據不同材料的堆積密度/表觀密度等進行換算，因此在使用前需對所用原材料進行參數校準。這包括確定主齒輪1 圈對應的粉料質量，不同開門大小對應的砂石骨料的質量，以及流量計的校準。校準過程應進行多次，并取平均值。多次測量骨料開門大小，得出其回歸曲線。

5.3 試生產

一體化攪拌車的攪拌主要通過車后的絞籠進行，設定好比例的骨料、粉料、水和外加劑從絞籠前部進入，從尾部出來。整個攪拌過程時間很短，約7 s。在所設配合比下快硬混凝土屬于低水膠比、高抗壓強度，對攪拌效率要求很高。出料速度不能太快，否則容易造成攪拌不充分、不均勻。經試驗，調整出料速度為0.2～0.3 m3/min，此時效果最佳。生產過程中要保持絞籠尾部翹起約20°～30°，保證出料是由后投入的料推動前投入的料前進，而不是因自重而發生滑落。

6 工程應用

本次內環高架設施提升及功能完善工程（四平路—政本路）位于楊浦區內，總長約688.5 m。工程范圍內高架橋29 跨，橋梁寬度為18 m，內圈2 車道，外圈3 車道。本次工程內容主要包括橋梁主體結構修復、防撞墻拆除重建、橋梁附屬構造改造和新建橋梁結構健康監測。在邊梁更換的鉸縫及鋪裝層、更換的伸縮縫和連續縫以及局部混凝土的修復處等均需采用快硬混凝土。

內環高架交通繁忙，施工期間時間緊迫。邊梁更換時間選為周末，周五23：00 封閉交通，次日周六6：00開放，允許封閉1根最外側車道，周一6：00全線開放。更換伸縮縫和連續縫時，23：00 封閉交通，次日6：00開放。具體施工工序見表11和表12。

表11 板梁更換施工工序Tab.11 Plate and beam replacement construction process

表12 伸縮縫、連續縫更換施工工序Tab.12 Expansion joint， continuous joint replacement construction process

本次工程從2022 年8 月底開始，到2023 年1 月初結束，共完成2 h 快硬混凝土的澆筑57 方，15 h 快硬混凝土的澆筑128方，完成了既定目標。

7 結語

本次試驗研究完成了2 h 快硬混凝土的研發和應用，獲得了一種快速修補材料，并對相關配套生產施工工藝進行了驗證，進而將其應用于實際工程中。該修補材料早期強度高，后期強度穩定，施工性能優良，將會在“城市更新”的過程中發揮重要的作用，有著廣闊的應用前景。

但由于工程時間緊迫，以及受到諸多因素的影響，該修補材料尚有不足之處，后續可進行以下改進。

（1） 配合比關鍵因素試驗。未進行水膠比、快硬劑摻量的相關調整試驗，后續可增加調整試驗，探究其影響規律。

（2） 水泥品種的影響?？蛇M一步探究水泥中組分變化對該硅酸鹽-快硬劑復摻體系的影響。

（3） 在保證早期強度的前提下，氣溫變化時該體系混凝土凝結時間的靈活調整。氣溫變化時可以通過改變緩凝劑摻量來調整凝結時間，其對應關系值得探索。施工時間恰好為冬季夜晚氣溫最低時，通過電加熱攪拌用水的方法可提高混凝土初始溫度，也有利于縮短凝結時間，增強早期強度。