纳米超早强剂在地铁管片免蒸养制备中的应用*

张建纲，严涵，杨勇

（1. 高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211108，2. 江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211108）

0 引言

预制混凝土衬砌管片为轨道交通工程常用的结构形式，具有抗压强度高、抗渗性好、尺寸精度要求高等特点。管片对于混凝土强度、抗渗性、体积稳定性等方面要求严格，是技术含量非常高的混凝土预制构件[1-4]。因此，管片生产过程中对于材料、工艺具有特殊的要求[3]。管片生产一般为流水线连续生产，生产线1 天之内完成三次周转，混凝土从搅拌到管片拆模、起吊在 8 小时内完成。这样严格的工艺首先需要混凝土具有良好的工作性能，要求混凝土触变性良好、易于振捣、外观优良；其次要求混凝土能够在较短的时间内实现凝结，从而完成表面收光、抹面；最后，混凝土需要在 7～8 小时左右达 15MPa 以上的起吊脱模强度。蒸汽养护是实现这一技术要求常用的手段，一般的养护温度为 60℃，包括静停、升温、恒温、降温四个阶段[5]。但是蒸汽养护工艺不仅能耗大、成本高，而且经过高温养护的混凝土晶胶比高、脆性大、耐久性不足等问题也非常突出[6,7]。此外，也有不少工程技术人员尝试采用功能型矿物掺合料结合调整混凝土配合比的方法实现常温养护的方法同等的效果，但是超细矿物掺合料的加入往往会增加混凝土的自收缩，同时降低水胶比也带来了混凝土粘度增加、振捣密实难度增加等问题，容易造成外观缺陷[1]。本文研究利用纳米早强技术缩短水泥水化诱导期，加速水泥早期水化进程，提高混凝土早期强度，进而实现管片的免蒸汽养护生产，为管片免蒸汽养护生产提供新的技术途径。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥为海螺 P·O52.5 型普通硅酸盐水泥，性能指标见表 1。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，细度为 6.1%，需水量比 98%，烧失量为 2.4%。矿粉，S95 级矿粉。砂为天然河砂，细度模数 2.8。碎石为 5～20 mm 连续级配的石灰岩碎石。减水剂选江苏某公司生产的 PCA-I 型聚羧酸减水剂，含固量为 20%，掺量为 1% 时，减水率28%。纳米超早强剂为江苏某公司生产的 SBT-510，其主要成分为聚合物改性的纳米级无机晶体悬浮液，平均粒径为 100nm，含固量 10.0%，掺量范围为 4%～6%。

表1 水泥物理性能

1.2 试验方法

按照管片生产常用的混凝土配合比，胶凝材料取410kg/m3，水胶比 0.32，通过聚羧酸减水剂的掺量调整控制混凝土坍落度 60～80mm，对比了纳米早强剂掺量为胶凝材料质量的 3% 和 5% 时对混凝土新拌性能以及力学性能发展的影响，并测试其收缩、氯离子渗透性能、抗渗性能的影响。同时制备了 300mm×500mm×150mm 的混凝土试块模拟实际管片生产，放置在 20～25℃ 的室外测试块内部的温度变化情况，试验配合比见表 2。混凝土原材料在 20℃ 条件下保温 24h以上后开始试验。

水泥的水化热测试采用微量热仪（TAM Air 08，TA公司，美国）进行，水灰比为 0.35，测试恒温 20℃。

新拌混凝土性能国家标准 GB/T 50080—2002 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中规定的方法进行测试；混凝土力学性能、收缩性能及氯离子渗透性能分别按照国家标准 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的方法进行测试。

试件的养护分为 2 种方式：（1）蒸汽养护：养护制度按静养 2.5h + 升温 1.5h（升温速率 15℃/h）+ 恒温55℃ 3h + 自然降温 1h，然后测试脱模强度，其余试件脱模后放入标准养护室［温度为 (20±2)℃、湿度不小于 95%］养护。（2）常温养护：试件成型后连同模具分别置于10℃ 和 20℃ 的养护箱中养护至相应的时间，然后测试脱模强度，长龄期试件脱模后置于标准养护室于室内，在 (20±2)℃，湿度为不小于 95% 的环境下养护至相应的龄期。

表2 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 新拌混凝土性能

混凝土管片采用流水线生产，混凝土坍落度一般控制在 60～80mm，混凝土搅拌成型一般在 15min 左右完成。在蒸养工艺中混凝土需要在 2.5h 左右实现初凝，进而完成收面、抽芯，同时快速凝结也可以减少混凝土在蒸养过程中收到的损伤，保证混凝土强度持续增长以及优良的耐久性能。试验结果（表 3）可以看出，SBT-510 并不影响混凝土的初始工作性能，其在缩短混凝土初凝时间方面有明显的功效，能够缩短混凝土初凝时间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 力学性能

分别测试了 10℃ 和 20℃ 时 SBT-510 对混凝土力学性能发展的影响，并与未掺 SBT-510 时的混凝土在蒸汽养护条件下的力学性能发展进行了对比，结果见表 4、表 5 和图 1、图 2。

试验结果可以看出，SBT-510 能够显著地提高混凝土的早期强度。10℃ 的养护条件下，8h 混凝土抗压强度可达 12MPa 以上，12h 混凝土抗压强度可达 20MPa以上，并且随着掺量的提高，混凝土早期强度进一步提高。20℃养护条件下，混凝土 8h 抗压强度可达到18MPa 以上，当掺量达到 5% 时，可以达到 20MPa 以上，可以实现起吊拆模，与经过蒸汽养护的早期强度基本接近。随着龄期的发展，混凝土的强度持续发展，28d、90d 抗压强度均高于经过蒸汽养护的混凝土。

表4 10℃ 各龄期抗压强度

图1 10℃ 时混凝土的力学性能

表5 20℃、蒸养各龄期抗压强度

图2 20℃ 时混凝土的力学性能

2.3 水化热

图3 为超早强外加剂掺量分别为水泥质量的 3% 和5% 时对水泥水化放热速率的影响。水化放热速率曲线上看，未掺 SBT-510 的水泥水化加速期出现在 3.5h 左右，而掺加 SBT-510 后的水化加速期于 2h 左右开始出现， 加速期开始时间显著提前，而且水化放热峰明显提前，同时随着掺量的增加，水化速率明显加快。由此可见，SBT-510 的掺入能显著缩短水泥水化诱导期，加速水泥早期水化。

图3 SBT-510 对水泥水化的影响

2.4 温度测试

成型 300mm×500mm×150mm 的混凝土试块，并分别在距边角 3cm 和试件中心放置了温度传感器，将试块带钢模放置在 20～25℃ 的室外，测试混凝土试件在硬化过程中的温度变化过程，详见图 4。从测试结果可以看出，混凝土成型后内部温度迅速上升，在 7h 左右达 40℃ 以上，温度接近于常规的蒸汽养护温度，同时由于其温度的升高是源于水泥的水化，相对于蒸汽养护由外而内的方式效率更高，有利于混凝土强度的发展，同时也能避免高温养护产生的微结构缺陷。由于混凝土表面与环境的热交换作用，表面与试块内部存在 5℃ 左右的温差。掺入 SBT-510 后，成型后 1h 升温速度明显快于未掺的试块，两个试块内部温度相差达到5～7℃。可见 SBT-510 明显地加速了水泥的早期水化，促进了混凝土早期强度的快速发展。同时混凝土内部温度的升高也有利于混凝土强度的发展。因此，在实际生产中注意管片养护过程中的保温，减少与外界的热交换更有利于管片强度的稳定发展。

2.5 耐久性能

由于蒸汽养护的混凝土是连同试模一起进入养护箱，因此其初长无法测试，而且混凝土蒸养过程中也存在一定的收缩，因此蒸养混凝土与标准养护的混凝土无法进行干燥手收缩性能的直接对比，因此仅对比了掺5% 的 SBT-510 与未掺时的干燥收缩性能（图 5）。试验结果表明，掺加 5.0% 超早强外加剂的混凝土干燥收缩过程与未掺超早强外加剂的基准混凝土基本一致，可见其基本不影响混凝土的体积稳定性。氯离子渗透性能（见表 6 和图 6）方面，SBT-510 在各龄期均基本不影响混凝土的抗氯离子渗透性能，同时也发现，未经蒸养的混凝土抗氯离子渗透性能明显地优于经过蒸养的混凝土。混凝土抗冻性能（见表 7 和图 7）方面，SBT-510对混凝土的抗冻性能没有产生不良的影响，而经过蒸汽养护的混凝土抗冻性能明显不足。

图4 混凝土试块内部温度的变化

图5 混凝土干燥收缩

表6 混凝土氯离子渗透系数（10-12m2/s）

图6 混凝土氯离子渗透系数

2.6 作用机理

经典的水泥水化理论认为，水泥水化反应的历程分为：初始水化期、诱导期、水化加速作用期、水化减速期、水化稳定期。而硅酸盐水泥的水化诱导期较长，因此早期强度发展缓慢。在这一阶段，水化速率受到水化产物结晶成核速度以及离子扩散速度的控制。本文所采用的纳米超早强剂为尺度为 100nm 左右的有机无机杂化纳米粒子，其化学结构与水泥水化产物 C-S-H 凝胶非常接近，因此，能够在水泥水化的诱导期提供水化产物晶核，进而加快水化产物的生长，从而缩短诱导期，因此表现为水化加速期提前，水泥早期强度显著提高。同时，使用这种纳米超早强剂并不会改变水泥水化产物本身的物理化学性质，对于水泥的后期水化过程并不会产生显著的影响，因此不会对混凝土的后期强度以及耐久性能产生不利的影响。

表7 混凝土抗冻性能

图7 混凝土抗冻性能

3 主要结论

研究了纳米超早强剂在管片混凝土制备中的应用，通过力学性能、耐久性能、水化热等技术手段表征了其在管片免蒸养生产中的应用的技术特点，可以得到以下结论：

（1）在 20℃条件下，纳米超早强剂能够促进水泥的早期水化、缩短混凝土凝结时间，有利于管片早期收面、抽芯。按照管片常规生产流程，可以实现 8h 达到15MPa 以上的拆模强度，实现免蒸汽养护。

（2）纳米超早强剂通过缩短水泥水化的诱导期，加速水泥早期水化，从而促进混凝土早期强度的发展。同时由于其加速水化作用，混凝土内部放热加快，也能促进混凝土早期强度的发展。

（3）纳米超早强剂并不影响混凝土的收缩、渗透以及抗冻性等耐久性能。相比蒸养混凝土而言，及耐久性指标有一定地提升。

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