浅谈冬季混凝土的早期强度问题

1、浅谈冬季混凝土的早期强度问题混凝土主要由水泥、粗细骨料和水配制而成，通俗的说法是水 泥经水化反应之后将粗细骨料胶结在一起形成一个整体结构并具有 优良性能的一种大宗建筑材料。随着技术进步，在混凝土配料中增加 了外加剂、掺合料等组分，有效地改善了混凝土的性能，使混凝土的 应用更为广泛。混凝土施工常受季节的影响，在平均气温低于 5c时，一般定义 为混凝土的冬季施工期，为了抢工期有时在冬季施工期间采取了一些 不当措施，容易造成工程质量事故。冬季是混凝土工程质量事故的多 发季节，据初步统计，冬季发生的混凝土工程质量事故占全年事故的 2/3以上，这是需要高度重视的。混凝土强度发展主要取决于水泥的水化过程，

2、 而水泥的水化是一 个极其复杂的化学反应。虽然改变外界条件可以使水泥的水化进程发 生一些变化，但也有一定的限度。下面就此问题进行一些分析探讨。1水泥水化反应特征硅酸盐水泥的主要矿物组分为硅酸三钙(3CaOSiO2,即C3S)、 硅酸二钙(2CaOSiO2,即C2S)、铝酸三钙(3CaOAl2O3,即C3A) 和铁铝酸四钙(4CaO-A12O3 Fe2O3,即C4AF)。这些矿物组分遇水 后发生如下化学反应：3CaOSO2+nH2O = xCaO SiO2 yH2O+(3-x)Ca(OH)22CaOSiO2+nH2O = xCaO SiO2 yH2O+(2-x)Ca(OH)23CaOAl2O3+

3、6H2O = 3CaO-A12O3 6H2O4CaOAl2O3 Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O3 6H2O+CaO Fe2O3 H2O上述几种水化产物中，xCaO SiO2 yH2O中CaO/SiO2是变化日勺， 统称为C-S-H凝胶，系纤维状体系，是水泥水化最主要的生成物，占 总体的75%以上，也是水泥石强度的主要来源，其他生成物主要为氢 氧化钙和钙矶石等晶体，其中氢氧化钙是维持水泥石碱度的重要组 成，是其他水化产物稳定存在的重要前提。水泥中掺入了一定数量的石膏调凝剂，C3A水化的最终产物与石 膏掺入量有关，最初形成三硫型水化硫铝酸钙 (3CaOAl2O3 3CaSO431H20),

4、即钙矶石(AFt),若石膏在 C3A 完全水化前耗尽，则钙矶石与 C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(3CaOAl2O3 CaS0412H20即AFm)。C3A水化对早期强度的贡献 最大。C4AF系铁相固溶体，其水化产物与 C3A相似。2水泥的早强活性问题水泥细度水泥细度直接关系到水泥的水化速度，水泥颗粒越细，与水接触面积越大，水化越快。GB175-2007通用硅酸盐水泥中细度作为 选择性指标，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于300m2/kg。随着助磨剂日勺广泛应用，现在生产的水泥早期水化速度较 快，早期强度也较高。水泥粉磨时掺加了提高水泥早期强度的组分水泥中C3A是水泥早期水

5、化的最活跃的组分，C3A不仅水化快, 水化热也高，在水泥粉磨时添加了石膏作为调凝剂，C3A与石膏生成 的钙矶石是形成水泥早期强度的重要组分。水泥粉磨时，除了添加石膏调凝剂外，还广泛采用石灰石掺和料， PII硅酸盐水泥石灰石掺量最高为 5% (一月殳为3%5%),石灰石加 入后对早强的贡献也很重要，石灰石与 C3A反应，生成水化碳铝酸 钙(3CaOAl2O3 CaCO3 12H20)。石灰石参与了化学反应，生成早 强矿物水化碳铝酸钙，水化碳铝酸钙具有更好的不溶性，易于稳定存 在，从而促进了水泥早期强度的发展。商品混凝土配料中，通常加入矿粉、粉煤灰等掺和料，在矿渣粉 磨成矿粉时也常掺入石灰石作为助

6、磨剂，石灰石掺量也较高，因此水泥中C3A水化后很难存在3CaO-A12O3 6H2O水化物，基本上转化为 早强型的水化硫铝酸钙(钙矶石)和水化碳铝酸钙。3提高水泥早期强度的方法掺加早强等外加剂的效果增加水泥细度，对水泥水化有较好的促进作用，可充分利用C3A 的特性，调凝剂石膏和掺加的石灰石都参与了生成早强水化产物的反 应。目前仍广泛采用的混凝土早强剂主要为硫酸钠型。 硫酸钠可与水 泥水化物的 Ca(OH)2反应生成硫酸钙，这种新生成的次生石膏 (CaSO4)比水泥粉磨时加入的石膏活性大，有利于水化硫铝酸钙的生 成，对早期强度的贡献是有利的。虽然硫酸钠早强剂的加入对提高早期强度有一定的促进作用，

7、但 效果并非如人们所期待的那样高。GB8076-2008混凝土外加剂标 准中，早强剂的初凝时间之差为(-90+90) min,抗压强度比：1d 为135%, 3d为130%, 7d为110%,即其强度指标与早强型普通减 水剂WR-A日勺指标要求相同，但低于标准型高效减水剂 HWR-S和早 强型高性能减水剂HPWR-A日勺强度指标要求。由此分析可知，虽然加快 C3S的水化速度可以提高水泥的水化 速度，但是C3s水化时生成的C-S-H凝胶还会包裹在水泥颗粒周围， 对C3S进一步水化有一定的阻碍作用，能采用的有效措施也不多， 难于取得显著效果。提高冬季混凝土强度的其他几种方法(1)提高养护温度混凝土

8、中水泥水化是一种化学反应，反应温度对反应速度影响极 大，随着温度的升高、化学反应的速度加快，温度升高至80c时的水化速度，比20c时增加了 5倍，温度升至100c时增加了 9倍，当 混凝土养护温度低于5c时，与常温相比，混凝土强度增长缓慢，在 5c条件下养护28d,其强度增长仅能达到标养 28d的60%左右，可 见养护温度对混凝土强度增长的影响非常大。提高养护温度是最有效的方法。冬季施工，尤其在 5c以下，应 采取保温措施，水泥的水化是一种放热反应，采用塑料薄膜及保温材 料覆盖，避免混凝土中产生的热量散失，即把水泥本身的反应热留住， 延缓混凝土的降温，有利于水泥的正常水化反应，浇筑混凝土的体积

9、越大，产生的热量也越多，效果也更明显，这是最简单易得的蓄热法 应该指出，冬季混凝土施工建议采用保温模板，能较好地防止混凝土 水化热的散失。对于薄壁结构或混凝土浇筑数量较少的部位， 采用外部加热的方 法也是很有效的。（2）采用高效减水剂在混凝土中掺加减水剂，降低水胶比，对提高混凝土的早期强度 是有效的，应该在冬季施工更应该重视外加剂的选用， 宜选用早强型 高效减水剂。（3）改用其他种类水泥在某些特殊部位，可以改用快硬日勺硫铝酸盐等水泥，可以达到快凝早强的目的。这样水化产物中，水化硫铝酸钙的含量大幅增加，但 是早期强度增加的同时也降低了混凝土的抗碳化能力。通过化学热力学的计算，水泥水化产物中水化硫

10、铝酸钙是最易发 生碳化反应的水化物之一，而且碳化后发生日勺体积收缩最大。1/3（CaO A12O3 3CaSO420）（固）+CO2（气）=CaC03（固）+CaSO42H2O（固）+2/3Al（OH）3（固）+22/3H2O（液）这个碳化反应的结果，水化硫铝酸钙固相体积收缩高达44.6%,普通混凝土水泥用量为300350kg/m3,水化产物占混凝土的16% 19%,硅酸盐水泥水化后，钙矶石含量为水化产物的12%15%,也就是说钙矶石占混凝土的2%3%,如果钙矶石全部发生了碳化反应，则混凝土的固相体积收缩达1%,即孔隙率要增加1%。硫铝酸盐水泥或其他通过形成钙矶石的途径提高混凝土密实度 和早期强度的方法，会增加混凝土发生碳化反应日勺风险。水化产物中 钙矶石含量每增加5%,发生碳化反应后，混凝土孔隙率增加0.3% 0.4%,应该考虑相应的防碳化措施，如加大保护层厚度等，因此只宜 在特殊条件下使用。4结语(1)冬季混凝土强度增长缓慢，对于早强剂的效果不能寄予过 高的期望，建议采用多种综合措施来提高混凝土的早期强度。除早强 剂外，还应采用保温措施，减少水泥水化热的散失，采用这种蓄热养 护法是比较好的选择。对薄壁结构建议采用外部加热养护， 保持足够 的养护温度是最有效的。(2)根据水泥水化物组分，只有当C3A水化物 3CaOAl2O3 6H