快硬早強混凝土的制備研究

何 鑫 熊春楊 羅 健 范曉玲 李 鋒

（成都建工預筑科技有限公司，四川 成都 610000）

1 引言

快硬早強混凝土是一種具有凝結時間快、早期強度高、后期強度不倒縮、耐久性良好的高性能混凝土。隨著我國經濟的飛速發展，車載量與交通量急劇增加，高速公路、城市道路承受的交通壓力越來越大，使得我國混凝土路面損壞情況日趨嚴重，并且早期建設的混凝土路面也臨近使用壽命，面臨更新換代。普通混凝土凝結時間通常較長，早期強度低，養護時間長，使得道路長時間不能使用，無法滿足車輛快速通行的要求，而快硬早強混凝土的特點則符合人們對于道路混凝土性能的需求。

許多國家對修補材料領域越來越重視，美國、英國、日本等發達國家先后對此問題進行研究并取得一定成果。美國波波維奇教授研究了一款特種水泥快硬混凝土，1h抗壓強度能夠達到 15～ 20MPa，在緊急情況下可用于快速搶修；Mikhailov曾研制出鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和二水石膏組分比例為18∶67∶15的自應力水泥；重慶大學的蒲心誠教授研究了在混凝土中加入早強型外加劑，12h抗壓強度大于35MPa。

目前，我國對于快硬早強混凝土的研究還不夠深入，快硬早強混凝土在使用過程中還存在一些問題，本文旨在通過調整快硬早強混凝土的配比，使其4h抗壓強度大于20MPa，1h坍落擴展度大于600mm。

2 原材料和試驗方法

2.1 原材料

水泥：P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，四川星船城水泥股份有限公司生產，其物理性能見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學性能

粉煤灰：一級粉煤灰，成都博磊資源循環開發有限公司生產，其物理性能見表2。

表2 粉煤灰的物理性能

硅灰：成都明凌科技有限公司生產，灰白色，比表面積為18 000 m2/kg，密度為2.2g/cm3。

粗集料：產自四川廣漢，粒徑為5～ 31.5mm連續級配，物理性能按照GB/T 14685-2011測試，見表3。

表3 碎石物理性能

細集料：試驗所用砂子為中砂，產自四川廣漢，細度模數為2.5，表4為砂子顆粒級配；根據GB/T 14684-2011對砂的其他性能進行測試，見表5。

表4 砂的顆粒級配

表5 砂的物理性能

外加劑：試驗所用減水劑為聚羧酸高效減水劑，四川常青藤科技發展有限公司生產，主要成分為聚羧酸鹽，劑型為液型，固含量10%，減水率27%。

促凝劑：廣東龍湖科技有限公司生產，灰白色粉末，比表面積為5 500～ 7 500cm2/g，密度為2.90～ 3.10g/cm3。

2.2 實驗方法

將膠凝材料、粗骨料、細骨料和促凝劑混合均勻后，加水與減水劑，用混凝土攪拌機自動攪拌，攪拌均勻后裝模成型，裝入尺寸100mm×100mm×100mm模具中，在溫度為20±1℃、濕度為95%左右的標準養護室中進行養護，3h后脫模，到達齡期后進行抗壓強度測試。試塊的工作性能測試按照《普通混凝土拌合物性能測試方法標準》（GB/T 50080-2016）的相關規定進行，抗壓強度按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）進行測試。

3 快硬早強混凝土的配制

3.1 促凝劑摻量對混凝土力學性能的影響

為了探究不同促凝劑摻量對混凝土力學性能的影響，試驗采用水灰比0.34、膠材用量525kg/m3、砂率38%、減水劑摻量3%的混凝土配比為基準，促凝劑摻量（膠材用量的百分比）分別為15%、20%、25%和30%進行研究，對試塊進行4h和28d抗壓強度測試，試驗結果如圖1所示。

圖1 促凝劑摻量對混凝土抗壓強度的影響

從圖1可以看出，混凝土的4h抗壓強度隨著促凝劑摻量的增大而隨之增大，分別為15MPa、19.4MPa、21.4MPa和27.5MPa，其中促凝劑摻量為25%和30%時混凝土4h抗壓強度大于20MPa；隨著促凝劑摻量的增加，混凝土28d抗壓強度并沒有明顯的規律，均達到70MPa以上，當促凝劑摻量達到30%時，試塊4h的抗壓強度達到最大，為27.5MPa；在摻量為25%時，試塊28d抗壓強度最大，為87.5MPa。這是因為促凝劑能縮短水泥凝結時間，加速水泥水化，并在較短時間內使混凝土產生強度；當促凝劑摻量大于20%時，混凝土的4h強度大于20MPa。

3.2 正交實驗結果分析

為進一步研究快硬早強混凝土配合比中關鍵參數對其性能的影響，進一步優化配合比，本次試驗固定水灰比為0.34，促凝劑摻量為膠材用量的30%，減水劑摻量為6%，同時選取膠凝材料、硼酸摻量和砂率作為三因素，每一因素分別取3個水平進行正交實驗，以快硬早強混凝土的4h抗壓強度和28d抗壓強度為考核指標，找出快硬早強混凝土的最佳配合比。正交實驗因素設計水平見表6，選用正交表L9（33）。混凝土坍落度、擴展度、4h抗壓強度和28d抗壓強度的檢測結果的極差分析過程及結果見表7。

表6 混凝土正交因素設計水平

三個因素分別在水平1、水平2、水平3下的1h坍落度用K1、K2、K3表示（見表7），以此來反映混凝土在不同因素下，每個水平對混凝土1h坍落度的影響，從而得到某因素下的最優水平。同一因素下水平的變化對坍落度的影響程度，用該因素下不同水平的坍落度的極差R來反映，極差越大，所對應的因素越重要，反之，該因素則為次要因素。

表7 混凝土坍落度、擴展度、抗壓強度的影響因素極差分析

從表7可分析出影響快硬早強混凝土1h坍落度的因素主次順序為：硼酸=膠材用量＞砂率，即硼酸與膠材用量是影響快硬早強混凝土1h坍落度的主要因素，砂率是次要因素。因此，得知快硬早強混凝土1h坍落度越大工作性能越好，故而最優水平應選取每個因素里K值最大的水平，即A1C3B1：膠材用量455kg/m3、砂率為38%、硼酸摻量為0.37%、水膠比為0.34、減水劑為4%。

表7中的K4、K5、K6分別表示各個因素在水平1、水平2、水平3下的1h擴展度，可以看出，影響快硬早強混凝土1h擴展度的因素主次順序為：膠材用量＞砂率＞硼酸，即膠材用量是影響快硬早強混凝土1h擴展度的主要因素，砂率是次要因素，硼酸對混凝土的擴展度影響較小。對于快硬早強混凝土1h擴展度來說，坍落擴展度越大，工作性越好，應取每個因素中的最優水平（K值最大的水平），即B2A3C2：膠材用量525kg/m3、砂率為40%、硼酸摻量為0.35%、水膠比為0.34、減水劑為4%。

表7中的K7、K8、K9分別表示各個因素在水平1、水平2、水平3下的4h平均抗壓強度，分析得到影響正交試驗中快硬早強混凝土4h抗壓強度的因素主次順序為：硼酸＞膠凝材料摻量＞砂率，即硼酸摻量是影響快硬早強混凝土抗壓強度的主要因素，膠凝材料是次要因素，砂率影響較小。為使混凝土達到早強效果，4h抗壓強度越大越好，因此，從表中可以得到最優因素水平組合，即C1A3B3：硼酸摻量為0.33%、膠凝材料摻量為525kg/m3、砂率為42%。

表7中的K10、K11、K12分別表示各個因素在水平1、水平2、水平3下的28d平均抗壓強度。經表7分析得到影響正交試驗中快硬早強混凝土28d抗壓強度的因素主次順序為：硼酸＞砂率＞膠凝材料摻量，即硼酸摻量是影響快硬早強混凝土抗壓強度的主要因素，砂率是次要因素，膠凝材料影響較小。混凝土的28d抗壓強度越大則力學性能越優，故而應取每個因素中的最優水平（K值最大的水平），即C2B2A1：硼酸為0.35%、膠凝材料摻量為455kg/m3、砂率為40%。

為了直觀描繪正交試驗，通常對其作效應曲線圖，圖2和圖3為表7中不同因素各水平結果的均值效應曲線圖。

圖2 坍落度與擴展度的直觀分析效應曲線圖

圖3 抗壓強度的直觀分析效應曲線圖

從圖2-a可以得出，混凝土的初始坍落度隨膠凝材料摻量的增加而呈現先增加后減小的趨勢，1h后坍落度在230mm以上，坍落擴展度在610mm以上，還保持著優異的工作性能。這可能是因為隨著膠凝材料增加，混凝土中漿體增多，使得新拌混凝土工作性能得到提高，但膠凝材料過多，會使漿體變得黏稠，工作性能有所下降。

從圖2-b可以看出，隨著砂率的增大，新拌混凝土的初始坍落度先減小后增大，而坍落擴展度先增大后減小，但1h后仍有良好的工作性能。這可能是因為砂子與水泥漿組成砂漿，而砂漿能夠在粗骨料間起到潤滑和滾珠作用，減少粗骨料間摩擦力，所以在一定范圍內，隨著砂率的增大，混凝土的流動性增大，同時，由于砂的比表面積比粗骨料大，隨著砂率的增大，骨料的總比表面積增大，在漿體一定的條件下，骨料表面包裹的漿料減少，潤滑作用減弱，因此流動性降低。

從圖2-c分析得出，混凝土的初始坍落度隨著硼酸摻量的增加而逐漸增大，坍落擴展度逐漸降低，1h后坍落度和擴展度分別先增大后降低、先降低后增大，這可能是因為隨著緩凝劑增加，可以提高拌合物的均勻性，延長混凝土的凝結時間，從而改善混凝土流動性，減少損失，提高新拌混凝土工作性能。

從圖3-a中可以看出，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土4h和28d抗壓強度先減小后增大，且4h抗壓強度均大于30MPa，28d抗壓強度均大于70MPa。是因為混凝土中的水分子增加了水泥顆粒間的距離，硬化后留下大量毛細孔隙，導致混凝土強度降低；隨著膠凝材料的增加，膠凝材料很好地填充于水泥凝結硬化過程所形成的孔隙中，改善水泥的微孔結構以及骨料與水泥石之間的界面結構，讓混凝土更加密實。摻合料在Ca(OH)2的激發下具有一定活性，能夠和水化產物發生二次水化反應，形成水化硅酸鈣，從根本上改善混凝土微觀結構和骨料界面性能，提高混凝土強度。

從圖3-b可以看出，混凝土4h抗壓強度隨著砂率的增加逐漸增大，28d抗壓強度則先增大后減小，且4h抗壓強度均大于30MPa，28d抗壓強度均大于70MPa。因為砂率的增加引起混凝土中砂石比例變大，導致粗集料與膠凝材料的比例逐漸減小；且過小的砂率導致碎石包裹性變差，黏聚性和保水性均下降，易產生泌水、離析和流漿。混凝土中砂石比例偏大，富裕漿體含量增加，砂漿的比表面積比粗骨料大，碎石的密實骨架結構遭到破壞，混凝土強度降低。

從圖3-c分析得出，隨著硼酸摻量的提高，混凝土4h抗壓強度降低，28d抗壓強度呈先增加后降低的趨勢。這可能是因為硼酸具有緩凝作用，隨著硼酸摻量的增加，減緩了水泥水化反應的進行，延長了凝結時間，早期生成的水化產物減少，使得混凝土4h抗壓強度降低。

4 結語

（1）促凝劑能加速水泥水化反應，縮短混凝土凝結時間，減少混凝土養護時間。當促凝劑摻量從15%到30%逐漸增加時，快硬早強混凝土的強度逐漸增加，到促凝劑的摻量大于等于膠凝材料摻量的25%時，快硬早強混凝土的4h抗壓強度大于20MPa；當促凝劑摻量達到30%時，混凝土的4h強度達到最大，為27.5MPa。

（2） 影響快硬早強混凝土1h坍落度的因素主次順序為硼酸與膠材用量、砂率；影響快硬早強混凝土1h擴展度的因素主次順序為膠材用量、砂率、硼酸；影響快硬早強混凝土4h抗壓強度的因素主次順序為硼酸、膠材用量、砂率；影響快硬早強混凝土28d抗壓強度的因素主次順序為硼酸、砂率、膠材用量。

（3） 在快硬早強混凝土28d抗壓強度相差不大的條件下，以4h抗壓強度為標準，確定影響快硬早強混凝土的因素水平組合為 C1A3B3，得到快硬早強混凝土最佳配合比：膠凝材料525kg/m3、砂率為42%、水膠比為0.34、減水劑為4%、硼酸摻量為0.33%。