納米超早強劑在地鐵管片免蒸養制備中的應用*

張建綱，嚴涵，楊勇

（1. 高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211108，2. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211108）

0 引言

預制混凝土襯砌管片為軌道交通工程常用的結構形式，具有抗壓強度高、抗滲性好、尺寸精度要求高等特點。管片對于混凝土強度、抗滲性、體積穩定性等方面要求嚴格，是技術含量非常高的混凝土預制構件[1-4]。因此，管片生產過程中對于材料、工藝具有特殊的要求[3]。管片生產一般為流水線連續生產，生產線1 天之內完成三次周轉，混凝土從攪拌到管片拆模、起吊在 8 小時內完成。這樣嚴格的工藝首先需要混凝土具有良好的工作性能，要求混凝土觸變性良好、易于振搗、外觀優良；其次要求混凝土能夠在較短的時間內實現凝結，從而完成表面收光、抹面；最后，混凝土需要在 7～8 小時左右達 15MPa 以上的起吊脫模強度。蒸汽養護是實現這一技術要求常用的手段，一般的養護溫度為 60℃，包括靜停、升溫、恒溫、降溫四個階段[5]。但是蒸汽養護工藝不僅能耗大、成本高，而且經過高溫養護的混凝土晶膠比高、脆性大、耐久性不足等問題也非常突出[6,7]。此外，也有不少工程技術人員嘗試采用功能型礦物摻合料結合調整混凝土配合比的方法實現常溫養護的方法同等的效果，但是超細礦物摻合料的加入往往會增加混凝土的自收縮，同時降低水膠比也帶來了混凝土粘度增加、振搗密實難度增加等問題，容易造成外觀缺陷[1]。本文研究利用納米早強技術縮短水泥水化誘導期，加速水泥早期水化進程，提高混凝土早期強度，進而實現管片的免蒸汽養護生產，為管片免蒸汽養護生產提供新的技術途徑。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥為海螺 P·O52.5 型普通硅酸鹽水泥，性能指標見表 1。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，細度為 6.1%，需水量比 98%，燒失量為 2.4%。礦粉，S95 級礦粉。砂為天然河砂，細度模數 2.8。碎石為 5～20 mm 連續級配的石灰巖碎石。減水劑選江蘇某公司生產的 PCA-I 型聚羧酸減水劑，含固量為 20%，摻量為 1% 時，減水率28%。納米超早強劑為江蘇某公司生產的 SBT-510，其主要成分為聚合物改性的納米級無機晶體懸浮液，平均粒徑為 100nm，含固量 10.0%，摻量范圍為 4%～6%。

表1 水泥物理性能

1.2 試驗方法

按照管片生產常用的混凝土配合比，膠凝材料取410kg/m3，水膠比 0.32，通過聚羧酸減水劑的摻量調整控制混凝土坍落度 60～80mm，對比了納米早強劑摻量為膠凝材料質量的 3% 和 5% 時對混凝土新拌性能以及力學性能發展的影響，并測試其收縮、氯離子滲透性能、抗滲性能的影響。同時制備了 300mm×500mm×150mm 的混凝土試塊模擬實際管片生產，放置在 20～25℃ 的室外測試塊內部的溫度變化情況，試驗配合比見表 2。混凝土原材料在 20℃ 條件下保溫 24h以上后開始試驗。

水泥的水化熱測試采用微量熱儀（TAM Air 08，TA公司，美國）進行，水灰比為 0.35，測試恒溫 20℃。

新拌混凝土性能國家標準 GB/T 50080—2002 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中規定的方法進行測試；混凝土力學性能、收縮性能及氯離子滲透性能分別按照國家標準 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中規定的方法進行測試。

試件的養護分為 2 種方式：（1）蒸汽養護：養護制度按靜養 2.5h + 升溫 1.5h（升溫速率 15℃/h）+ 恒溫55℃ 3h + 自然降溫 1h，然后測試脫模強度，其余試件脫模后放入標準養護室［溫度為 (20±2)℃、濕度不小于 95%］養護。（2）常溫養護：試件成型后連同模具分別置于10℃ 和 20℃ 的養護箱中養護至相應的時間，然后測試脫模強度，長齡期試件脫模后置于標準養護室于室內，在 (20±2)℃，濕度為不小于 95% 的環境下養護至相應的齡期。

表2 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 新拌混凝土性能

混凝土管片采用流水線生產，混凝土坍落度一般控制在 60～80mm，混凝土攪拌成型一般在 15min 左右完成。在蒸養工藝中混凝土需要在 2.5h 左右實現初凝，進而完成收面、抽芯，同時快速凝結也可以減少混凝土在蒸養過程中收到的損傷，保證混凝土強度持續增長以及優良的耐久性能。試驗結果（表 3）可以看出，SBT-510 并不影響混凝土的初始工作性能，其在縮短混凝土初凝時間方面有明顯的功效，能夠縮短混凝土初凝時間30～ 50min，有利于管片的收面和抽芯操作。

表3 新拌混凝土性能

2.2 力學性能

分別測試了 10℃ 和 20℃ 時 SBT-510 對混凝土力學性能發展的影響，并與未摻 SBT-510 時的混凝土在蒸汽養護條件下的力學性能發展進行了對比，結果見表 4、表 5 和圖 1、圖 2。

試驗結果可以看出，SBT-510 能夠顯著地提高混凝土的早期強度。10℃ 的養護條件下，8h 混凝土抗壓強度可達 12MPa 以上，12h 混凝土抗壓強度可達 20MPa以上，并且隨著摻量的提高，混凝土早期強度進一步提高。20℃養護條件下，混凝土 8h 抗壓強度可達到18MPa 以上，當摻量達到 5% 時，可以達到 20MPa 以上，可以實現起吊拆模，與經過蒸汽養護的早期強度基本接近。隨著齡期的發展，混凝土的強度持續發展，28d、90d 抗壓強度均高于經過蒸汽養護的混凝土。

表4 10℃ 各齡期抗壓強度

圖1 10℃ 時混凝土的力學性能

表5 20℃、蒸養各齡期抗壓強度

圖2 20℃ 時混凝土的力學性能

2.3 水化熱

圖3 為超早強外加劑摻量分別為水泥質量的 3% 和5% 時對水泥水化放熱速率的影響。水化放熱速率曲線上看，未摻 SBT-510 的水泥水化加速期出現在 3.5h 左右，而摻加 SBT-510 后的水化加速期于 2h 左右開始出現， 加速期開始時間顯著提前，而且水化放熱峰明顯提前，同時隨著摻量的增加，水化速率明顯加快。由此可見，SBT-510 的摻入能顯著縮短水泥水化誘導期，加速水泥早期水化。

圖3 SBT-510 對水泥水化的影響

2.4 溫度測試

成型 300mm×500mm×150mm 的混凝土試塊，并分別在距邊角 3cm 和試件中心放置了溫度傳感器，將試塊帶鋼模放置在 20～25℃ 的室外，測試混凝土試件在硬化過程中的溫度變化過程，詳見圖 4。從測試結果可以看出，混凝土成型后內部溫度迅速上升，在 7h 左右達 40℃ 以上，溫度接近于常規的蒸汽養護溫度，同時由于其溫度的升高是源于水泥的水化，相對于蒸汽養護由外而內的方式效率更高，有利于混凝土強度的發展，同時也能避免高溫養護產生的微結構缺陷。由于混凝土表面與環境的熱交換作用，表面與試塊內部存在 5℃ 左右的溫差。摻入 SBT-510 后，成型后 1h 升溫速度明顯快于未摻的試塊，兩個試塊內部溫度相差達到5～7℃。可見 SBT-510 明顯地加速了水泥的早期水化，促進了混凝土早期強度的快速發展。同時混凝土內部溫度的升高也有利于混凝土強度的發展。因此，在實際生產中注意管片養護過程中的保溫，減少與外界的熱交換更有利于管片強度的穩定發展。

2.5 耐久性能

由于蒸汽養護的混凝土是連同試模一起進入養護箱，因此其初長無法測試，而且混凝土蒸養過程中也存在一定的收縮，因此蒸養混凝土與標準養護的混凝土無法進行干燥手收縮性能的直接對比，因此僅對比了摻5% 的 SBT-510 與未摻時的干燥收縮性能（圖 5）。試驗結果表明，摻加 5.0% 超早強外加劑的混凝土干燥收縮過程與未摻超早強外加劑的基準混凝土基本一致，可見其基本不影響混凝土的體積穩定性。氯離子滲透性能（見表 6 和圖 6）方面，SBT-510 在各齡期均基本不影響混凝土的抗氯離子滲透性能，同時也發現，未經蒸養的混凝土抗氯離子滲透性能明顯地優于經過蒸養的混凝土。混凝土抗凍性能（見表 7 和圖 7）方面，SBT-510對混凝土的抗凍性能沒有產生不良的影響，而經過蒸汽養護的混凝土抗凍性能明顯不足。

圖4 混凝土試塊內部溫度的變化

圖5 混凝土干燥收縮

表6 混凝土氯離子滲透系數（10-12m2/s）

圖6 混凝土氯離子滲透系數

2.6 作用機理

經典的水泥水化理論認為，水泥水化反應的歷程分為：初始水化期、誘導期、水化加速作用期、水化減速期、水化穩定期。而硅酸鹽水泥的水化誘導期較長，因此早期強度發展緩慢。在這一階段，水化速率受到水化產物結晶成核速度以及離子擴散速度的控制。本文所采用的納米超早強劑為尺度為 100nm 左右的有機無機雜化納米粒子，其化學結構與水泥水化產物 C-S-H 凝膠非常接近，因此，能夠在水泥水化的誘導期提供水化產物晶核，進而加快水化產物的生長，從而縮短誘導期，因此表現為水化加速期提前，水泥早期強度顯著提高。同時，使用這種納米超早強劑并不會改變水泥水化產物本身的物理化學性質，對于水泥的后期水化過程并不會產生顯著的影響，因此不會對混凝土的后期強度以及耐久性能產生不利的影響。

表7 混凝土抗凍性能

圖7 混凝土抗凍性能

3 主要結論

研究了納米超早強劑在管片混凝土制備中的應用，通過力學性能、耐久性能、水化熱等技術手段表征了其在管片免蒸養生產中的應用的技術特點，可以得到以下結論：

（1）在 20℃條件下，納米超早強劑能夠促進水泥的早期水化、縮短混凝土凝結時間，有利于管片早期收面、抽芯。按照管片常規生產流程，可以實現 8h 達到15MPa 以上的拆模強度，實現免蒸汽養護。

（2）納米超早強劑通過縮短水泥水化的誘導期，加速水泥早期水化，從而促進混凝土早期強度的發展。同時由于其加速水化作用，混凝土內部放熱加快，也能促進混凝土早期強度的發展。

（3）納米超早強劑并不影響混凝土的收縮、滲透以及抗凍性等耐久性能。相比蒸養混凝土而言，及耐久性指標有一定地提升。

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