王曉芳，劉建國，金衛(wèi)華，周雄，盛思仲

（南京友西科技股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0　引言

混凝土主要由水泥、粗細(xì)骨料和水配制而成，通俗的說法是水泥經(jīng)水化反應(yīng)之后將粗細(xì)骨料膠結(jié)在一起形成一個整體結(jié)構(gòu)并具有優(yōu)良性能的一種大宗建筑材料。隨著技術(shù)進(jìn)步，在混凝土配料中增加了外加劑、摻合料等組分，有效地改善了混凝土的性能，使混凝土的應(yīng)用更為廣泛。

混凝土施工常受季節(jié)的影響，在平均氣溫低于5℃時(shí)，一般定義為混凝土的冬季施工期，為了搶工期有時(shí)在冬季施工期間采取了一些不當(dāng)措施，容易造成工程質(zhì)量事故。冬季是混凝土工程質(zhì)量事故的多發(fā)季節(jié)，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，冬季發(fā)生的混凝土工程質(zhì)量事故占全年事故的2/3以上，這是需要高度重視的。

混凝土強(qiáng)度發(fā)展主要取決于水泥的水化過程，而水泥的水化是一個極其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。雖然改變外界條件可以使水泥的水化進(jìn)程發(fā)生一些變化，但也有一定的限度。下面就此問題進(jìn)行一些分析探討。

1　水泥水化反應(yīng)特征

硅酸鹽水泥的主要礦物組分為硅酸三鈣（3CaO·SiO2， 即 C3S）、 硅酸二鈣 （2CaO·SiO2，即C2S）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，即 C3A）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3，即 C4AF）。 這些礦物組分遇水后發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

3CaO·SiO2+nH2O＝xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

2CaO·SiO2+nH2O＝xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O＝3CaO·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O＝3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

上述幾種水化產(chǎn)物中，xCaO·SiO2·yH2O 中CaO/SiO2是變化旳，統(tǒng)稱為C-S-H凝膠，系纖維狀體系，是水泥水化最主要的生成物，占總體的75%以上，也是水泥石強(qiáng)度的主要來源，其他生成物主要為氫氧化鈣和鈣礬石等晶體，其中氫氧化鈣是維持水泥石堿度的重要組成，是其他水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的重要前提。

水泥中摻入了一定數(shù)量的石膏調(diào)凝劑，C3A水化的最終產(chǎn)物與石膏摻入量有關(guān)，最初形成三硫型水化硫鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O），即鈣礬石（AFt），若石膏在C3A完全水化前耗盡，則鈣礬石與C3A作用轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O 即 AFm）。 C3A 水化對早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大。

C4AF系鐵相固溶體，其水化產(chǎn)物與C3A相似。

2　水泥的早強(qiáng)活性問題

2.1　水泥細(xì)度

水泥細(xì)度直接關(guān)系到水泥的水化速度，水泥顆粒越細(xì)，與水接觸面積越大，水化越快。GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中細(xì)度作為選擇性指標(biāo)，硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥以比表面積表示，不小于300 m2/kg。隨著助磨劑旳廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在生產(chǎn)的水泥早期水化速度較快，早期強(qiáng)度也較高。

2.2　水泥粉磨時(shí)摻加了提高水泥早期強(qiáng)度的組分

水泥中C3A是水泥早期水化的最活躍的組分，C3A不僅水化快，水化熱也高，在水泥粉磨時(shí)添加了石膏作為調(diào)凝劑，C3A與石膏生成的鈣礬石是形成水泥早期強(qiáng)度的重要組分。

水泥粉磨時(shí)，除了添加石膏調(diào)凝劑外，還廣泛采用石灰石摻和料，P·Ⅱ硅酸鹽水泥石灰石摻量最高為5%（一般為3%～5%），石灰石加入后對早強(qiáng)的貢獻(xiàn)也很重要，石灰石與C3A反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O）。石灰石參與了化學(xué)反應(yīng)，生成早強(qiáng)礦物水化碳鋁酸鈣，水化碳鋁酸鈣具有更好的不溶性，易于穩(wěn)定存在，從而促進(jìn)了水泥早期強(qiáng)度的發(fā)展。

商品混凝土配料中，通常加入礦粉、粉煤灰等摻和料，在礦渣粉磨成礦粉時(shí)也常摻入石灰石作為助磨劑，石灰石摻量也較高，因此水泥中C3A水化后很難存在3CaO·Al2O3·6H2O水化物，基本上轉(zhuǎn)化為早強(qiáng)型的水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）和水化碳鋁酸鈣。

3　提高水泥早期強(qiáng)度的方法

3.1　摻加早強(qiáng)等外加劑的效果

增加水泥細(xì)度，對水泥水化有較好的促進(jìn)作用，可充分利用C3A的特性，調(diào)凝劑石膏和摻加的石灰石都參與了生成早強(qiáng)水化產(chǎn)物的反應(yīng)。

目前仍廣泛采用的混凝土早強(qiáng)劑主要為硫酸鈉型。硫酸鈉可與水泥水化物的Ca(OH)2反應(yīng)生成硫酸鈣，這種新生成的次生石膏(CaSO4)比水泥粉磨時(shí)加入的石膏活性大，有利于水化硫鋁酸鈣的生成，對早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是有利的。

雖然硫酸鈉早強(qiáng)劑的加入對提高早期強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用，但效果并非如人們所期待的那樣高。GB8076-2008《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)中，早強(qiáng)劑的初凝時(shí)間之差為 （-90～+90）min，抗壓強(qiáng)度比：1 d為135%，3 d為130%，7 d為110%，即其強(qiáng)度指標(biāo)與早強(qiáng)型普通減水劑WR-A旳指標(biāo)要求相同，但低于標(biāo)準(zhǔn)型高效減水劑HWR-S和早強(qiáng)型高性能減水劑HPWR-A旳強(qiáng)度指標(biāo)要求。

由此分析可知，雖然加快C3S的水化速度可以提高水泥的水化速度，但是C3S水化時(shí)生成的CS-H凝膠還會包裹在水泥顆粒周圍，對C3S進(jìn)一步水化有一定的阻礙作用，能采用的有效措施也不多，難于取得顯著效果。

3.2　提高冬季混凝土強(qiáng)度的其他幾種方法

（1）提高養(yǎng)護(hù)溫度

混凝土中水泥水化是一種化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度對反應(yīng)速度影響極大，隨著溫度的升高、化學(xué)反應(yīng)的速度加快，溫度升高至80℃時(shí)的水化速度，比20℃時(shí)增加了5倍，溫度升至100℃時(shí)增加了9倍，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)溫度低于5℃時(shí)，與常溫相比，混凝土強(qiáng)度增長緩慢，在5℃條件下養(yǎng)護(hù)28 d，其強(qiáng)度增長僅能達(dá)到標(biāo)養(yǎng)28 d的60%左右，可見養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土強(qiáng)度增長的影響非常大。

提高養(yǎng)護(hù)溫度是最有效的方法。冬季施工，尤其在5℃以下，應(yīng)采取保溫措施，水泥的水化是一種放熱反應(yīng)，采用塑料薄膜及保溫材料覆蓋，避免混凝土中產(chǎn)生的熱量散失，即把水泥本身的反應(yīng)熱留住，延緩混凝土的降溫，有利于水泥的正常水化反應(yīng)，澆筑混凝土的體積越大，產(chǎn)生的熱量也越多，效果也更明顯，這是最簡單易得的蓄熱法。

應(yīng)該指出，冬季混凝土施工建議采用保溫模板，能較好地防止混凝土水化熱的散失。

對于薄壁結(jié)構(gòu)或混凝土澆筑數(shù)量較少的部位，采用外部加熱的方法也是很有效的。

（2）采用高效減水劑

在混凝土中摻加減水劑，降低水膠比，對提高混凝土的早期強(qiáng)度是有效的，應(yīng)該在冬季施工更應(yīng)該重視外加劑的選用，宜選用早強(qiáng)型高效減水劑。

（3）改用其他種類水泥

在某些特殊部位，可以改用快硬旳硫鋁酸鹽等水泥，可以達(dá)到快凝早強(qiáng)的目的。這樣水化產(chǎn)物中，水化硫鋁酸鈣的含量大幅增加，但是早期強(qiáng)度增加的同時(shí)也降低了混凝土的抗碳化能力。

通過化學(xué)熱力學(xué)的計(jì)算，水泥水化產(chǎn)物中水化硫鋁酸鈣是最易發(fā)生碳化反應(yīng)的水化物之一，而且碳化后發(fā)生旳體積收縮最大。

這個碳化反應(yīng)的結(jié)果，水化硫鋁酸鈣固相體積收縮高達(dá)44.6%，普通混凝土水泥用量為300～350 kg/m3，水化產(chǎn)物占混凝土的16%～19%，硅酸鹽水泥水化后，鈣礬石含量為水化產(chǎn)物的12%～15%，也就是說鈣礬石占混凝土的2%～3%，如果鈣礬石全部發(fā)生了碳化反應(yīng)，則混凝土的固相體積收縮達(dá)1%，即孔隙率要增加1%。

硫鋁酸鹽水泥或其他通過形成鈣礬石的途徑提高混凝土密實(shí)度和早期強(qiáng)度的方法，會增加混凝土發(fā)生碳化反應(yīng)旳風(fēng)險(xiǎn)。水化產(chǎn)物中鈣礬石含量每增加5%，發(fā)生碳化反應(yīng)后，混凝土孔隙率增加0.3%～0.4%，應(yīng)該考慮相應(yīng)的防碳化措施，如加大保護(hù)層厚度等，因此只宜在特殊條件下使用。

4　結(jié)語

（1）冬季混凝土強(qiáng)度增長緩慢，對于早強(qiáng)劑的效果不能寄予過高的期望，建議采用多種綜合措施來提高混凝土的早期強(qiáng)度。除早強(qiáng)劑外，還應(yīng)采用保溫措施，減少水泥水化熱的散失，采用這種蓄熱養(yǎng)護(hù)法是比較好的選擇。對薄壁結(jié)構(gòu)建議采用外部加熱養(yǎng)護(hù)，保持足夠的養(yǎng)護(hù)溫度是最有效的。

（2）根據(jù)水泥水化物組分，只有當(dāng)C3A水化物3CaO·Al2O3·6H2O未被完全耗盡，摻加早強(qiáng)劑才能起到早強(qiáng)作用，因此與水泥組分有關(guān)，但是過量的早強(qiáng)劑也是有害的。

（3）冬季混凝土，除優(yōu)先選擇早強(qiáng)型硅酸鹽水泥外，應(yīng)降低礦粉、粉煤灰等礦物摻合料的摻量，還應(yīng)選用高效減水劑，盡量降低水灰比。

（4）冬季施工，拆模時(shí)間要延長，經(jīng)檢測后混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后才可拆模，以避免混凝土裂縫的產(chǎn)生以及倒塌等嚴(yán)重事故的發(fā)生。

[1]王華生,趙慧如.現(xiàn)代混凝土技術(shù)禁忌手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]葉銘勛.混凝土碳化反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算[J].硅酸鹽通報(bào),1989,15(2):15-19.

[4]薛君玕，許溫葭，葉銘勛.硬化水泥漿體孔隙中液相的分離和研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),1983,11（3）：22-35.