混凝土早強劑的研究與應用進展

牛茂威

（重慶建研科之杰新材料有限公司，重慶 402760）

0 前言

混凝土作為工程建設最重要的建筑結構材料，強度高、可模性好、耐久性強，用于工民建、交通市政、水利海防等諸多領域。應用于不同環境時，對混凝土的性能要求也不同，當遇到低溫環境，水泥水化速度慢，需要加入早強劑提高早期強度；或者對工期要求高的工程項目，如抵抗新型冠狀病毒感染的肺炎修建的各地防疫醫療機構等，需要混凝土盡早達到目標強度，這時候混凝土的早強性能顯得尤為必要。

實現混凝土早強，從原材料方面，選擇 C3A、C3S含量高的水泥、優質骨料；在設計配合比時盡可能降低水膠比等；另外重要的一條途徑就是使用混凝土早強劑，通過激發膠材的活性組分，促進水泥水化，從而達到早強的目的。目前常用的早強劑主要為以硫酸鹽、氯鹽、碳酸鹽為代表的無機早強劑和以三乙醇胺、復合醇胺等為代表的有機早強劑，另外還有有機—無機復合早強劑，這些早強劑具有自身的優點，也有特色的應用范圍。本文對常用的早強劑進行分析，并對混凝土性能的影響進行綜述，以期為早強劑在混凝土的應用提供理論和技術參考。

1 早強劑的種類

1.1 無機鹽類早強劑

無機鹽類早強劑目前常用的有硫酸鹽、碳酸鹽以及氯鹽等種類，硫酸鹽能夠介入水泥水化進程，促進水泥水化，生成更多的凝膠和鈣礬石等。王薇、李亞楠[1]研究了硫酸鈉、甲酸鈣和三乙醇胺對混凝土早期性能的影響，認為單摻情況下，甲酸鈣對混凝土早期強度提高效果最明顯，且存在適宜的摻量范圍，過摻后混凝土早期強度反而降低，研究同時發現無機和有機復合效果最佳。李萍、周轉運等[2]采用硫酸鈉和聚羧酸復合，經過研究發現硫酸鈉增大了混凝土坍落度損失，凝結時間也有所縮短，且摻量增加，混凝土 28d 強度也會下降。

吳亞飛、劉德仁[3]研究了不同摻量的氯化鈣、硫酸鈉及碳酸鈉 3 種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期強度形成的影響。研究結果表明以硫酸早強劑的早強效果最好，氯化鈣早強劑的早強效果稍差，碳酸鈉早強劑的早強效果最差；3 種早強劑對混凝土 28d 強度無提高作用，甚至硫酸鈉還對混凝土抗壓強度有負面影響。周華新、何廷樹等[4]研究了亞硝酸鈉、硫代硫酸鈉、乙酸鈉及碳酸鈉添加混凝土液體防凍泵送劑后的效果，試驗結果認為四種早強組分在負溫下的混凝土具有良好的防凍效果，且混凝土強度有所增強，乙酸鈉和亞硝酸鈉效果較好。

此外硫氰酸鈉也被用于混凝土增強。王子明[5]發現硫氰酸鈉可以降低水的冰點，用于負溫環境下可以顯著改善砂漿抗凍性能，且硫氰酸鈉在適宜摻量下可以顯著提高砂漿 7d 強度，但過高會增加成本且混凝土干燥后出現鹽析現象。

1.2 有機類早強劑

有機類早強劑以三乙醇胺、三異丙醇胺等為主，起初主要用于助磨劑當中，用以提高水泥的出廠強度，后來逐步作為早強組分用來提高混凝土強度。尹壽生、劉雯[6]利用三乙醇胺復合聚羧酸減水劑，發現水泥標稠用水量提高，凝結時間縮短，水泥凈漿流動度下降，水泥早期強度增加明顯，28d 強度隨三乙醇胺摻量增加而降低。關于三乙醇胺的作用機理，王薇、李亞楠[1]認為三乙醇胺可以與 Fe3+、Al3+等形成易溶于水的絡合離子，促進 C3A 與 C4AF 的溶解，加速硫鋁酸鈣的生成，同時降低體系中鋁離子與鈣離子濃度，促進 C3S 水化，從而加速混凝土早期強度發展。

甲酸鈣作為一種有機早強劑，被認為可以增加水化環境里的鈣離子濃度從而促進水泥水化，縮短凝結時間，因此在冬季施工中用來促凝增強。王娟等[7]發現，摻入 0.5%～1.2% 的甲酸鈣，常溫可以使得砂漿 7d 抗壓強度提高 9MPa，28d 強度提高近 15MPa，這是因為甲酸鈣促進水泥水化生成更多鈣礬石類產物，且生成水化硅酸凝膠的量也更大。

尿素作為防凍劑在北方寒冷地區多有應用，可與鈣鹽生成可溶性復鹽以調節難溶物的結晶速度，從而加速水泥水化[8]。

1.3 新型早強劑

隨著納米科技的發展，納米材料的低尺度、高活性等優勢明顯，國內外學者針對納米二氧化硅、納米碳酸鈣等在混凝土中的應用進行了大量研究。納米二氧化硅可以與 Ca(OH)2在水化早期生成大量的小粒徑的 C-S-H凝膠，這些凝膠附著在納米顆粒附近并不斷生成，從而大幅提高水泥水化程度，使得混凝土抗壓強度迅速提高。戎志丹等[9]研究發現摻入 3% 的納米 SiO2使得混凝土 1d、3d、7d 和 28d 強度分別提高 20%～30%，且反應活性高于硅粉，但納米 SiO2在混凝土中的摻量不宜過高，一方面納米材料的分散性較差，另外納米 SiO2的比表面積較大，能吸附較多的外加劑和水分，使得混凝土流動性和坍落度降幅增大。

納米 CaCO3主要在水泥基材料中起到誘導結晶作用，促進 C3S、C2S 的水化，使得水泥早期水化放熱速率加快，混凝土內部更為密實。浙江大學孟濤等人[10]的研究發現，摻 2% 納米 CaCO3可使水泥試塊 1d、3d強度分別提高 34% 和 15%，微觀尺度下的水化產物更多且呈放射狀。黃政宇[11]研究發現納米 CaCO3對混凝土和易性無顯著影響，但摻加過多對混凝土中后期強度無明顯作用，甚至能夠增加混凝土收縮和碳化。

2 混凝土早強劑研究面臨的問題

（1）環保壓力下，當今砂石原材料質量波動較大，且水泥細度增加、粉煤灰和礦粉等活性摻和料質量參差不齊，混凝土的富余強度系數越來越低，面臨著混凝土后期增長的難題。由于早強劑主要與水泥或礦物摻和料中的火山灰質組份反應，熟料比例的降低和礦摻品質的下降都會使得早強劑作用效果下降或早期強度增加，后期強度不增長甚至倒縮。

（2）當前的早強劑，例如硫酸鹽類和醇胺類應用于混凝土中，會不可避免的對混凝土工作性能造成影響，尤其是硫酸鹽類早強劑和聚羧酸減水劑會發生競爭吸附，從而影響聚羧酸減水劑的減水和保坍效果。

（3）目前幾種早強劑都有一定的適用范圍，對于特殊環境下，如低溫甚至負溫環境及海工環境等應用的早強劑研究還比較少。

3 結語

當前我國建筑工業化建設進行得如火如荼，建筑PC 構件在各地政策推動下得到極大發展，降低構件預制過程能耗、降低蒸養工藝比例甚至常溫養護成為研究重點，在這方面早強劑可以發揮作用。另外，關于早強劑的機理和對混凝土耐久性的影響也需要進一步研究。