快硬早強水泥混凝土配合比優(yōu)化及應(yīng)用
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徐波 王鴻非 代小曼 代超 孟祥靜 吳雙
（1．武漢市市政科研有限公司 武漢 430023； 2．武漢理工大學(xué)材料學(xué)院 武漢430070）
摘要 為了解決硫鋁酸鹽水泥混凝土凝結(jié)硬化快、施工時間受限的缺點，文中采用硅酸鹽水泥取代部分硫鋁酸鹽水泥配制快硬混凝土，對水膠比、砂率等配合比參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并成功進(jìn)行了工程應(yīng)用。結(jié)果表明，混凝土施工澆筑時間延長至2h，3h強度高于30MPa，滿足延長澆筑時間和縮短工期的雙重要求。
關(guān)鍵詞 硫鋁酸鹽水泥 早強劑 緩凝劑 流動性能 早期強度
硫鋁酸鹽水泥(SAC)熟料礦物的主要成分為C4 A3S和C2S，具有顯著的早強和快硬特性，1d抗壓強度可以達(dá)到30～60 MPa，常用于路面的快速修補和搶通工程中。C4A。S水化活性很高，早期能形成大量的鈣礬石和氫氧化鋁凝膠，使水泥混凝土獲得較高的早期強度，但其凝結(jié)硬化一般僅需幾分鐘，在混凝土實際澆筑施工中難于開展。快硬早強混凝土屬于特種混凝土，具有早期強度高、耐久性能好和抗裂性能優(yōu)異等特點，廣泛應(yīng)用于搶修搶建工程、預(yù)制構(gòu)件、GRC制品、低溫施工、抗海水腐蝕和道路快速修補工程中。
1 快硬早強混凝土的制備
1.1技術(shù)指標(biāo)
本文的目的是解決硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)硬化快而帶來的混凝土澆筑時間受限的缺點，需滿足：初始坍落度≥160 mm，初始擴(kuò)展度≥400 mm;1 h后坍落度≥120 mm，th擴(kuò)展度≥300 mm;3 h抗壓強度≥20 MPa，28 d抗壓強度≥30 MPa;8 h后開放交通。
1.2初始配合比的性能
通過尋求混凝土中粗細(xì)集料最致密堆積狀態(tài)來確定最小空隙率，依據(jù)單位用水量、水膠比和砂率得到初始配合比，見表1。
表2中早強強度等級滿足設(shè)計要求，但坍落度損失大。鑒于實際施工中要求1 h坍落度≥120 mm，需要對設(shè)計配合進(jìn)行優(yōu)化以滿足施工要求。
2 配合比參數(shù)優(yōu)化
2.1 膠凝材料組成對混凝土性能的影響
在保證強度滿足設(shè)計指標(biāo)的前提下，采用普通硅酸鹽水泥等取代SAC來改善混凝土的初始流動性能，延長澆筑施工可操作時間�？刂颇z凝材料總量和其他參數(shù)不變，設(shè)置POC取代率分別為0%，20%，40%，60%，80%，試驗結(jié)果見圖1、圖2。
由圖1a）可見，較未摻組(POC 0%)0，l h坍落度分別提高了18%，37%。圖lb）中較未摻組(POC 0%)0，1 h擴(kuò)展度分別提高了10%，8%。所以SAC與POC混摻后，隨著POC取代率的上升，混凝土的流動性和保坍能力得了不同程度的改善。
由圖2可見，隨著POC水泥取代率的增加，混凝土的早期(3，6 h)抗壓／抗折強度逐漸降低，因SAC水泥比例的減少削弱了早期水化能力。而混凝土的后期強度(28 d)達(dá)到峰值后又出現(xiàn)降低，其原因為前期水化水泥包裹住了未水化水泥顆粒，限制了未水化顆粒與外界水接觸，出現(xiàn)強度峰值。但繼續(xù)增加POC取代率對混凝土早期和后期強度都有不利影響，混合膠材中SAC快硬特性逐漸消失。
2.2水膠比對混凝土性能的影響
試驗采用40% POC+60% SAC制備混凝土，設(shè)置水膠比0. 27，0.28，0.29，0.30，0.31，0. 32，0.33，0.34，快硬混凝土性能見圖3。
由圖3a）可見，水膠比的提高使混凝土初始坍落度穩(wěn)定增加，但當(dāng)水膠比降低到0. 300以下，混凝土漿體含量顯著減少，20 min后混凝土已經(jīng)硬化“假凝”，0.5 h無法測出坍落度值。由圖3b）中可見，隨著水膠比的增加，混凝土的早期和后期抗壓強度均出現(xiàn)不同程度地減少。當(dāng)水膠比增加到0. 320以后，混凝土的抗壓強度損失率陡然增加，不利于混凝土強度的穩(wěn)定發(fā)展。混凝土中水泥等膠凝材料完全水化只占用水量的30%～37%，多余水充當(dāng)潤滑劑作用，增加了混凝土集料和漿體之間的流動性。但富余水分在混凝土凝結(jié)后留存于水泥界面過渡區(qū)，在硬化水泥石和集料間形成多孔的界面過渡區(qū)，在后期容易受侵蝕離子滲透，影響混凝土的強度和耐久性能。
2.3砂率對混凝土性能的影響
設(shè)置砂率分別為0. 38，0.39，0.40，0.41，0. 42共5組配比，快硬混凝土性能見圖4。由圖4a）可見，砂率的增加引起混凝土中砂石比例變大，導(dǎo)致粗集料與膠凝材料的比例在逐漸減小，混凝土坍落度逐漸增加；且過小的砂率導(dǎo)致碎石包裹性變差，粘聚性和保水性均下降，易產(chǎn)生泌水、離析和流漿。由圖4b）可見，砂率在0.39～0. 42區(qū)間內(nèi)增長，抗壓強度穩(wěn)定增長，28 d抗壓強度出現(xiàn)峰值。
在水泥用量和水灰比一定的條件下，砂子與水泥漿組成的砂漿在碎石間起到潤滑和輥珠效果，粗骨料間的內(nèi)摩擦阻力減小，流動性增大。砂率大于0.41以后，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(jié)構(gòu)遭到破壞，潤滑作用下降，使混凝土流動性降低。該配合比最佳砂率宜控制在0. 40，強度和坍落度都滿足設(shè)計要求。
2.4養(yǎng)護(hù)條件對混凝土性能的影響
考慮到快硬混凝土的實際養(yǎng)護(hù)環(huán)境不同于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，故選擇不同養(yǎng)護(hù)條件，見表3，考察其對混凝土力學(xué)性能的影響。
由表3可見，不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的強度發(fā)展有較大區(qū)別。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的早期和后期強度均得到持續(xù)增長；而低溫養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的強度發(fā)展出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，高溫養(yǎng)護(hù)混凝土的早期強度發(fā)展較其他組快，但后期強度卻低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。說明溫度升高有利于加快混凝土中膠凝材料水化，但殘余水化熱在混凝土內(nèi)部易形成溫度應(yīng)力，破壞了混凝土內(nèi)部致密性而導(dǎo)致強度損失。在工程應(yīng)用中一般采用常溫養(yǎng)護(hù)措施，混凝土表面水分散失快，帶來了表面干燥收縮的困擾，不利于表面質(zhì)量的控制。建議在施工中注意對養(yǎng)護(hù)措施的選擇，利用浸水毛氈、濕布或塑料薄膜對混凝土表面進(jìn)行覆蓋，減緩混凝土表面水分的散失，提高混凝土表面質(zhì)量，縮短開放交通時間。
3工程應(yīng)用
硫鋁酸鹽快硬早強混凝土主要應(yīng)用于武漢市沌口片區(qū)道路維修工程中。道路維修全長2. 46km．采取在病害處理后的舊混凝土路面上澆筑水泥混凝土面層，要求8h通車、表面無裂紋。該項目使用硫鋁酸鹽快硬早強水泥混凝土作為道路修補材料，設(shè)計制備的快硬早強混凝土初始坍落度≥180 mm，1 h坍落度損失≤50 mm，3h強度等級達(dá)到30 MPa以上，混凝土抗裂抗?jié)B性能優(yōu)異，表面質(zhì)量良好，澆筑8h后即可開放交通。
4結(jié)論
(1)通過優(yōu)化混凝土膠凝材料的組成、水膠比、砂率及添加復(fù)合早強劑、減水劑和緩凝劑，設(shè)計制備出滿足初始坍落度≥180 mm，1 h坍落度損失≤50 mm，3h強度≥30 MPa，28 d強度≥40MPa的快硬混凝土。
(2) POC取代40%的SAC能顯著改善混凝土的流動性能和保坍能力，在保證早期設(shè)計強度的要求下，不僅降低了混凝土的綜合成本，而且延緩了其凝結(jié)時間，增強了混凝土澆筑可施工性。
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