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DL/T 5144—2015《水工混凝土施工规范》规定：当日平均气温连续5 d在5 ℃以下或最低气温连续5 d在−3 ℃以下时，应按低温季节要求施工，需采取如蒸汽养护、蓄热养护等特殊措施，但对于一些高墩、连续刚构桥等混凝土结构，养护措施实施难度大。日平均气温在5 ℃以上时，属正常施工，此时气温又远低于正常养护温度，存在混凝土强度发展缓慢、施工进度滞后等问题。掺早强剂是促进混凝土强度发展的一种重要技术手段[1]。在不额外增加施工工艺或辅助养护措施情况下，掺用低温早强剂对加快低温环境下混凝土工程施工进度、提高混凝土质量、降低工程成本等均具有积极的应用价值。
起初低温早强剂多以硫酸钠或三乙醇胺(TEA)为主要组分，存在后期强度倒缩、与水泥适应性差等问题[2]。研究发现，5~8 ℃低温下，单掺Na2SO4或TEA均不能明显缩短混凝土的终凝时间，也不能有效提高混凝土的早期强度[2]。随着工程建设技术水平的提高，早强剂材料种类也不断增多。单掺过量Na2S2O3会导致混凝土后期强度下降，而1% Na2S2O3与0.04% TEA复掺时，可使5 ℃养护下混凝土3，7和28 d强度分别提高36.9%，24.1%和9.6%[3]。温盛魁[4]以0.6%三异丙醇胺、1%草酸钠和1% NaOH配制低温早强剂，10 ℃条件下，G级水泥浆体水养24 h强度较对比样提高1倍；而8 ℃养护24 h强度提高30%。硫氰酸钠(NaSCN)具有促凝增强作用[5]，还可降低混凝土中水的冰点，使水泥在低温下得以正常水化[6-7]，掺1.0%～2.5% NaSCN时，低温(−15±1) ℃下砂浆7 d强度显著提高，但掺量过大会出现盐析现象[6]。纳米材料一定程度上也可促进水泥强度的发展[8-9]，侯献海等[10]以0.8%纳米SiO2+2%硫酸钠+0.05%三乙醇胺+0.2%铝酸钠复配早强剂，4 ℃下可使净浆24 h抗压强度提高8倍。早强组分也常与聚羧酸减水剂(PC)复配构成早强型减水剂[11-12]，低温5 ℃下，Na2SO4与PC复配可有效提高混凝土早期(3 d和7 d)强度，TEA与PC复配使混凝土各龄期强度均有提高[13-14]。
目前，传统早强剂存在：①后期强度损失大；②收缩增大；③不利于耐久性等问题[3]。作者总结发现，无机钙盐、硫氰酸钠、纳米SiO2、固体醇胺等早强组分早强效果显著，对混凝土后期强度及耐久性能影响较小，且复合型早强剂能较好地协调发挥单一组分的早强性能，应是今后低温早强剂发展的方向[3]。此外，低温（尤其是0～5 ℃）下早强剂的研究及应用相对较少，且低温早强效果有限；低温下早强剂的作用机理及其对混凝土工作性、耐久性影响的研究也比较缺乏。针对以上问题，本文兼顾混凝土早期强度、后期强度和耐久性，设计无机盐CB，LB，三异丙醇胺和纳米SiO2四种组分制备无碱、无氯、不含SO42-的低温早强剂，以允许正常施工的最低温度5 ℃为条件，研究其早强性能、适应性。
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采用马鞍山海螺牌P·O 42.5水泥(HL)，其化学组成分析如表1所示，主要化学成分为CaO和SiO2，及少量MgO，Al2O3，Fe2O3和SO3。XRD（X射线衍射）分析表明，HL水泥主要矿物组成为C3S，C2S，C3A和少量的C4AF；激光粒度分析表明，HL水泥颗粒的中值粒径(d50)为24.70 μm。
表 1 水泥化学组成分析
Table 1. Chemical compositions of Portland cements
质量分数/% SiO2 CaO MgO Fe2O3 Al2O3 K2O Na2O SO3 烧失量 总量 22.83 59.03 1.54 3.29 6.54 0.68 0.18 2.01 3.63 99.73 试验用无机盐CB和LB组分为阿拉丁试剂有限公司生产的分析纯化学试剂，白色晶体，在水中易溶解；三异丙醇胺(C9H21NO3)由郑州兴发化工产品有限公司生产，白色粉末；纳米SiO2由杭州万景新材料有限公司生产，白色粉末，平均粒径约为20 nm。
集料采用石灰石(5～20 mm连续级配)和河沙，其中河沙为级配II区的中砂，细度模数为2.6。减水剂为苏州兴邦化学建材有限公司生产的固体聚羧酸减水剂，推荐掺量为0.16%～0.30%，减水率≥28%。
砂浆抗压强度测定：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO法）》，外掺不同早强组分（按胶材质量百分比计，后同），成型40 mm×40 mm×160 mm砂浆试件，固定水胶比为0.45，胶砂比为1∶3，带模置于(5±0.5) ℃低温养护箱或(20±1) ℃标准养护室中养护，24 h拆模后继续养护至指定龄期后取出，测定试件的抗压强度。每组测6个试件，然后确定强度代表值。试件养护时，需定期给试件表面喷水，以保证湿度。
混凝土抗压强度测定：采用石灰石、河沙为粗、细集料，外掺不同早强组分，参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》，成型100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件。带模置于(5±0.5) ℃低温养护箱或(20±1) ℃标准养护室中养护，24 h拆模后继续养护至指定龄期测定其抗压强度。每组测3个试件，然后确定强度代表值。
干缩测定：参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行，成型尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的混凝土试件。带模放入标准养护室中养护48 h后拆模，放入干缩室并置于干缩试验架上，测试混凝土试件长度随养护龄期的变化。干缩室温度为（20 ±2）℃，相对湿度为（60±5）%。
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采用有机-无机复合技术，协调发挥各单一组分的早强性能，并兼顾长期力学性能与耐久性能。参考低温下无机化合物的溶解度数据，设计了无机盐CB和LB两组分来提高早期水泥的水化速率和水化程度，进而加快早期强度发展；设计三异丙醇胺(TIPA)和纳米SiO2(nano-SiO2)两组分来促进水泥后期的水化，改善后期产物微观结构，提高水泥后期强度。TIPA可促进C4AF的水化，促进水泥中后期强度增长，还能使胶体粒子膨胀，提高结构密实度[15-16]；纳米SiO2的晶核、微集料填充作用可一定程度提高早期强度，其火山灰效应还可促进二次水化反应[17-18]。
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为了直观比较早强组分对砂浆强度的影响规律，以5 ℃养护下对比样(对比样−5 ℃)各龄期强度为基准，计算得对应龄期下掺早强组分砂浆的抗压强度比。5 ℃养护下，单掺不等量CB和LB组分的砂浆1，3，7和28 d抗压强度比如图1所示。
图 1 掺LB或CB早强组分砂浆试件抗压强度比
Figure 1. Compressive strength ratio of mortars containing LB or CB early strength components
结果表明，5 ℃养护下，掺CB和LB使砂浆各龄期强度均有明显提高，其中1 d强度提高尤为显著，抗压强度比均超过344%，3 d抗压强度比均超过150%，低温早强效果优异，同时砂浆28 d强度也有2%～13%的提高。CB和LB组分对不同龄期强度提高，其掺量均存在一最优值，且不尽相同。由此可知，5 ℃养护下，CB和LB两组分低温早强效果显著，且28 d强度仍有较大幅度提高，其适宜掺量范围分别为0.20%～1.50%和0.10%～1.50%。
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5 ℃养护下，掺不等量TIPA砂浆1，3，7和28 d抗压强度比如图2所示。不同掺量下，TIPA组分使砂浆各龄期强度均有所提高，其中3 d后强度提高较为明显，1 d强度发展则均较为缓慢。整体来说，掺量为0.03%～1.00%时，砂浆3，7和28 d强度提高幅度随TIPA掺量的增加均先减小后增大。若以砂浆3，7和28 d抗压强度比分别达150%，130%和100%为指标，仅有掺量为0.50%和1.00%时满足要求。掺1.00% TIPA时，砂浆各龄期强度均较高，1，3，7和28 d抗压强度比分别达197%，179%，160%和108%，28 d强度仍有较大幅度提高。适宜掺量下，TIPA对5 ℃养护下砂浆3 d后强度的提高幅度超过CB或LB组分，这验证了设计思路的可行性。
图 2 掺TIPA砂浆抗压强度比
Figure 2. Strength of the mortars containing TIPA
由此可知，5 ℃养护下，TIPA对砂浆试件3 d后强度提高作用显著，但1 d强度提高不显著、强度发展较为缓慢。考虑到掺量为0.03%时，砂浆3 d抗压强度比为146%接近150%指标，7和28 d抗压强度比也分别超过了130%和100%，认为TIPA适宜掺量为低掺量0.03%和较高掺量范围0.50%～1.00%。
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纳米材料颗粒细小、比表面积大，往往会导致拌合物需水量增加，试验过程中发现纳米材料掺量过大时，易团聚、很难分散均匀，拌合物流动性变差，因此试验中nano-SiO2所选掺量不宜过大。
5 ℃养护下，掺不等量nano-SiO2砂浆1，3，7和28 d强度及抗压强度比如图3所示。nano-SiO2使砂浆各龄期强度均有提高，其中7 d后强度提高比3 d前强度提高更为显著，28 d抗压强度比甚至可接近120%，但1 d强度提高幅度有限。nano-SiO2组分对各龄期强度提高，其掺量存在最优值，且不尽相同，当掺0.50% nano-SiO2时，砂浆1，3，7和28 d抗压强度比分别可达149%，144%，133%和119%，其中28 d强度(61.8 MPa)已超过对比砂浆20 ℃养护下的强度(56.8 MPa)，说明nano-SiO2后期的火山灰效应[19]明显，可显著促进低温下水泥后期强度的发展，这验证了设计思路的可行性。若以砂浆7和28 d抗压强度比分别达到130%和100%为指标，可确定nano-SiO2适宜的掺量范围为0.20%～0.50%。
图 3 掺nano-SiO2砂浆抗压强度比
Figure 3. Strength of the mortars containing nano-SiO2
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本文兼顾混凝土早期强度、后期强度和耐久性，设计4种组分制备无碱、无氯、不含SO42-的低温早强剂，4种早强组分及其掺量范围为：CB（0.20%～1.50%），LB（0.10%～1.50%），TIPA（0.03%，0.50%～1.00%）和nano-SiO2（0.20%～0.50%）。因组分种类较多，加之各组分适宜的掺量范围跨度较大，拟采用正交试验来进行不同组分的复配，以确定低温早强剂的最优配比及影响不同龄期强度的主要因素。
4种组分分别选定3个掺量水平，因素水平表见表2，采用正交表（L934）进行复配试验。早强组分配比方案及对应砂浆试件在5 ℃养护下各龄期的抗压强度如表3所示。20 ℃和5 ℃养护下，不掺早强组分的对比样，分别记为“对比样−20 ℃”和“对比样−5 ℃”。
表 2 因素水平
Table 2. Factor level table
水平 因素 CB TIPA nano-SiO2 LB 1 0.50% 0.03% 0 0.10% 2 1.00% 0.50% 0.20% 0.30% 3 1.50% 1.00% 0.50% 0.50% 表 3 5 ℃养护下砂浆抗压强度
Table 3. Compressive strength of mortars cured at 5 ℃
样品编号 掺量/% 抗压强度/MPa CB TIPA nano-SiO2 LB 1 d 3 d 7 d 28 d 对比样−20 ℃ − − − − 10.7 28.8 41.8 56.8 对比样−5 ℃ − − − − 1.8 17.4 27.4 52.0 Z1 0.50 0.03 0 0.10 10.0 26.1 41.7 55.5 Z2 0.50 0.50 0.20 0.30 10.8 28.0 42.5 57.7 Z3 0.50 1.00 0.50 0.50 10.1 29.0 44.4 56.2 Z4 1.00 0.03 0.20 0.50 8.9 25.4 38.2 52.7 Z5 1.00 0.50 0.50 0.10 7.5 24.1 33.8 52.5 Z6 1.00 1.00 0 0.30 8.0 29.3 41.0 58.6 Z7 1.50 0.03 0.50 0.30 8.4 29.0 42.0 60.6 Z8 1.50 0.50 0 0.50 7.6 26.9 40.5 59.6 Z9 1.50 1.00 0.20 0.10 5.3 24.0 35.5 53.5 -
5 ℃养护下，1 d强度较高的为Z1～Z3组，抗压强度均超过了10 MPa，早强效果显著，其中Z2组强度最高达到了10.8 MPa，较对比样提高近5倍，已达对比样20 ℃下强度(10.7 MPa)。3 d强度较高的为Z3，Z6，Z7组，抗压强度均超29 MPa，均已超对比样20 ℃下强度28.8 MPa。除Z4，Z5，Z9组外，5 ℃养护砂浆7 d强度均超40 MPa，其中Z3组的最高为44.4 MPa，抗压强度比高达162%。各正交试验组砂浆28 d强度较对比样均未出现倒缩，可判断本试验条件下4种早强组分任意配比均可使28 d抗压强度比超100%；Z7~Z8组砂浆28 d强度较高，抗压强度比超过了115%，也均超对比样20 ℃下强度。总结各龄期下早强组分配比的直观分析结果如表4所示。
表 4 早强组分配比的直观分析结果
Table 4. Result of intuitive analysis
龄期/d 最佳掺合量/% CB TIPA nano-SiO2 LB 1 0.50 0.50 0.20 0.30 3 1.00 1.00 0 0.30 7 0.50 1.00 0.50 0.50 28 1.50 0.03 0.50 0.30 -
对表3进行水平分析，分别计算1，3，7和28 d时，各组分同一掺量水平对应3组试验所得砂浆抗压强度的和，即1水平总和、2水平总和、3水平总和及其平均值。并用3个水平总和的平均值中的较大值减去较小值，得到各早强组分因素的极差值，以比较各早强组分因素对砂浆抗压强度影响的程度大小，明确影响不同龄期砂浆抗压强度的主要因素。分析结果表明，对5 ℃养护砂浆各龄期抗压强度起最大提高作用的早强组分最佳配比方案如下：
对1 d强度而言，0.50% CB+0.03% TIPA+0.50% nano-SiO2+0.30% LB为最佳配比，其中CB掺量变化对1 d强度影响最大，nano-SiO2掺量变化对其影响最小；对3 d强度而言，最佳配比为0.50% CB+1.00% TIPA+0.30% LB，其中CB组分掺量的变化对3 d强度影响显著，其余组分对其影响均较小且相差不大；对7 d强度而言，最佳配比为0.50% CB+0.03% TIPA+0.30% LB，其中CB和LB为影响7 d强度的主要组分，TIPA和nano-SiO2为次要组分；对28 d强度而言，最佳配比为1.50% CB+0.50% TIPA+0.30% LB，其中LB组分掺量变化的影响作用最大，CB和nano-SiO2次之，TIPA组分的影响最小。
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以各组分同一掺量水平对应3组试验所得砂浆抗压强度平均值对应3个掺量水平作图，如图4所示，下面分析砂浆各龄期强度与各组分的关系趋势。
图 4 砂浆抗压强度与各因素的关系趋势
Figure 4. Relationship between compressive strength of mortars and factors
5 ℃养护下，在选定的早强组分种类及掺量范围内，砂浆1 d强度随CB和TIPA掺量的增大逐渐降低，其中CB试验组强度下降更为显著；随LB掺量的增大，1 d强度先增加后略有降低；说明CB，LB及TIPA组分会促进水泥的水化，有利于试件强度提高，但掺量过大时水化产物快速生成，不利于产物生长、堆积成致密的结构，反而会使试件强度有所降低。随nano-SiO2掺量的增大，砂浆1 d强度先降低后增加，且总体变化不明显。
砂浆3和7 d强度与各早强组分掺量变化趋势基本一致，随CB，TIPA，nano-SiO2掺量的增大，3和7 d强度均先降低后增加；随LB掺量的增大，3和7 d强度均先增加后降低。
砂浆28 d强度随CB和nano-SiO2掺量的增大，均先降低后增加，且变化较为明显；随LB掺量的增大，28 d强度先增加后又降低，同样变化较为明显；但28 d强度随TIPA掺量的增大变化不明显。说明砂浆28 d强度受CB，LB和nano-SiO2掺量变化的影响较为显著，受TIPA掺量变化的影响较小。
综上分析，在本试验的早强组分种类及掺量范围内，无机盐CB，LB两组分对5 ℃养护下砂浆各龄期强度的提高均起重要作用，为关键组分，且两者掺量的组合相对明确为0.50% CB+0.30% LB。nano-SiO2掺量的变化对砂浆各龄期强度影响均不明显，尤其对7 d前强度作用甚微，且多数最佳配比方案中nano-SiO2的掺量为0，加之其价格昂贵，因而可考虑选用低掺量甚至不掺。TIPA在低掺量(0.03%)条件下对1 d强度有利，其掺量变化对砂浆3 d后强度影响较小，但考虑到5 ℃下，单掺TIPA砂浆1 d强度发展缓慢，3 d后强度提高显著的特性，因此低温早强剂配比中TIPA的掺量考虑定为1.00%。
由此，得到早强组分的最优配比为：0.50% CB+1.00% TIPA+0.20% nano-SiO2+0.30%LB，记为1#，其中CB和LB为关键组分，对5 ℃低温养护下砂浆各龄期强度的提高均起重要作用。
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为更好地验证由正交试验得出的低温早强剂最优配比方案的可靠性，试验中测试了5 ℃养护下，掺1#早强剂砂浆的力学性能。同时考虑经济性因素，试验又设计了配比方案为0.50% CB+1.00% TIPA+0.30% LB的早强剂，记为2#。各组砂浆各龄期抗压强度及抗压强度比如图5所示。
图 5 掺早强剂砂浆强度
Figure 5. Strength of the mortars mixed with early strength accelerators
由图5可见，5 ℃养护下，掺1#和2#早强剂砂浆各龄期强度较对比样均有显著提高，砂浆各龄期抗压强度比远高于200%(1 d)，150%(3 d)，130%(7 d)和100%(28 d)的指标，低温早强效果显著，且28 d强度仍有大幅度提高。1#和2#两早强剂对砂浆强度提高的作用效果相近，其中1#早强剂效果更佳，砂浆1，3，7和28 d强度较对比样分别提高了376%，98%，72%和18%。掺2#早强剂砂浆各龄期强度略低于1#早强剂，但相差不大，说明低温早强剂组分中不复配nano-SiO2是可行的。除1 d强度略低外，掺1#和2#早强剂砂浆3 d后各龄期强度均已超对比样20 ℃养护下强度，这也验证了最优配比1#作用效果的可靠性。
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选用海螺牌P·O 42.5水泥(HL)、昆仑山牌P·O 42.5水泥(KL)、混凝土外加剂检测用P·I 42.5水泥(JZ)以及江南小野田牌P·II 52.5水泥(PII)4种不同水泥，外掺低温早强剂成型砂浆试件，经5 ℃养护后测试其抗压强度，结果如图6所示，试验中还测试了4种水泥20 ℃养护下的强度。
图 6 掺低温早强剂砂浆抗压强度
Figure 6. Compressive strength of the mortars containing early strength accelerators
4种不同水泥体系中，5 ℃条件下，1#和2#低温早强剂的掺入使砂浆各龄期强度均有明显提高，低温早强效果显著，且28 d强度仍有较大幅度提高，3 d后强度已接近甚至超过对比样20 ℃养护下的强度。相同条件下低温早强剂对不同种类水泥砂浆强度提高的幅度不尽相同，整体来看，1 d强度提高111%～376%，3 d强度提高52%～97%，7 d强度提高28%～63%，28 d强度提高7%～35%。结果表明，1#和2#低温早强剂对水泥的适应性良好，在不同种类水泥体系中均表现出较好的早强性能。
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选用HL水泥，掺1#或2#低温早强剂后成型砂浆试件，分别在20 ℃，5 ℃和−5 ℃下养护，不同龄期下砂浆抗压强度结果如表5所示。相同条件下，养护温度越低，砂浆强度发展越缓慢，当温度低至−5 ℃时，对比样强度发展已非常缓慢，7 d强度仅有4.3 MPa。1#或2#早强剂在20 ℃，5 ℃和−5 ℃条件下，均表现出优异的早强性能，但不同温度下砂浆各龄期强度提高的幅度有差异。整体来说，除−5 ℃养护1 d强度外，养护温度越低，低温早强剂的早强效果越明显；掺1#早强剂时，20 ℃，5 ℃和−5 ℃养护下，砂浆3 d强度分别提高44%，98%和196%，7 d强度分别提高19%，72%和184%。结果说明，1#或2#低温早强剂对温度的适应性较好，适用的温度范围较广。
表 5 掺低温早强剂砂浆的抗压强度(温度适应性)
Table 5. Compressive strength of the mortars containing early strength accelerators
样品编号 温度/℃ 1 d 3 d 7 d 28 d 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 对比样 20 10.7 100 28.8 100 41.8 100 56.8 100 1# 24.2 226 41.5 144 49.6 119 61.8 109 2# 23.0 215 40.6 141 49.2 118 60.1 106 对比样 5 1.8 100 17.4 100 27.4 100 52.0 100 1# 8.6 476 34.3 198 44.6 172 59.7 115 2# 7.6 424 32.0 185 43.2 167 59.0 113 对比样 −5 1.2 100 3.1 100 4.3 100 1# 4.6 383 9.2 296 12.2 284 2# 3.1 258 5.7 184 9.0 209 -
（1）设计无机盐CB，LB，TIPA和nano-SiO2四组分制备无氯、无碱、不含SO42-的低温早强剂，各组分适宜掺量范围为：CB（0.20%～1.50%），LB（0.10%～1.50%），TIPA（0.03%，0.50%～1.00%）和nano-SiO2（0.20%～0.50%）。5 ℃养护下，CB和LB对砂浆各龄期强度提高均起重要作用，TIPA对3 d后强度提高作用显著，而nano-SiO2对7 d后强度提高作用明显，28 d抗压强度比接近120%。
（2）经正交设计试验，得到了最优配比为0.50% CB+1.00% TIPA+0.20% nano-SiO2+0.30% LB的低温早强剂，其中CB和LB为关键组分。低温早强剂作用效果可靠性高，5 ℃低温下，可使砂浆1，3，7和28 d强度较对比样分别提高376%，98%，72%和18%，砂浆3 d后各龄期强度已超对比样20 ℃养护下强度，低温早强效果显著，且28 d强度不倒缩。
（3）低温早强剂在不同种类水泥、不同温度（−5，5和20 ℃）体系中均表现出较好早强性能，适应性良好，适用温度范围较广。
“世界水日”“中国水周”宣传主题
2020年3月22日是第二十八届“世界水日”，3月22—28日是第三十三届“中国水周”。联合国确定2020年“世界水日”的主题为“Water and climate change”（水与气候变化）。我国纪念“世界水日”和“中国水周”活动的主题为“坚持节水优先，建设幸福河湖”。主题宣传画一套两张，紧扣今年宣传主题，通过创意策划，形象直观地展现了坚持节水优先、建设幸福河湖的重大意义，引领社会形成珍惜水、节约水和爱护水的良好风尚。
《水利水运工程学报》编辑部
2020-03
新型低温早强剂的制备与性能研究
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Preparation and properties of new type low-temperature early strength accelerator
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摘要: 传统早强组分已不能满足绿色、高性能混凝土的要求，其长龄期力学性能和耐久性能堪忧，且现有早强剂的低温(尤其是5 ℃)早强性能有限，低温下作用机理及其对混凝土耐久性影响的研究比较缺乏。以无机盐CB，LB，三异丙醇胺和纳米SiO2四组分制备无碱、无氯、不含SO42-的低温早强剂，并研究5 ℃低温下早强剂的性能、适应性。结果表明：配比为0.50% CB+1.00% TIPA+0.20% nano-SiO2+0.30% LB的低温早强剂可靠性高，其中CB和LB为关键组分，对砂浆各龄期强度提高均起重要作用，TIPA对3 d后强度提高作用显著，而nano-SiO2对7 d后强度提高作用明显。5 ℃下，掺低温早强剂砂浆1，3，7和28 d强度较对比样分别提高376%，98%，72%和18%，砂浆3 d后各龄期强度已超对比样20 ℃养护下强度。低温早强剂对不同种类水泥、温度的适应性良好。Abstract: The traditional early strength components have not met the requirements of green and high performance concrete, especially in the long-term mechanical properties and durability. The low temperature early strength performance of the existing early strength accelerators is relatively limited, and the research on the mechanism of early strength or that on its influence on concrete durability is also insufficient. In our research, a new type of low-temperature early strength accelerator, which has no alkali, no chlorine and no sulfate ions, was prepared by using four components of inorganic salt CB, LB, triisopropanolamine and nano-SiO2, and its early strength performance and adaptability were also analyzed. The results show that the effects of the early strength accelerator with the optimal ratio of 0.50% CB+1.00% TIPA+0.20% nano-SiO2+0.30% LB is highly reliable. CB and LB were the key components, which played an important role in improving the strength of mortars at different ages under low temperature curing, and TIPA had a significant effect on the strength enhancement after 3 d, while nano-SiO2 was beneficial to the strength improvement after 7 d. At 5 ℃, the 1 d, 3 d, 7 d and 28 d compressive strengths of the motars mixed with early strength accelerators could be increased by 377%, 98%, 72% and 18% respectively, and the strength development of mortars after 3 d had exceeded the strength development of the contrast samples cured at 20 ℃. Low-temperature early strength accelerator had good adaptability to different types of cement and temperature.
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Key words:
- early strength accelerator /
- low temperature /
- compressive strength /
- adaptability
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图 1 掺LB或CB早强组分砂浆试件抗压强度比
Figure 1. Compressive strength ratio of mortars containing LB or CB early strength components
图 4 砂浆抗压强度与各因素的关系趋势
Figure 4. Relationship between compressive strength of mortars and factors
图 6 掺低温早强剂砂浆抗压强度
Figure 6. Compressive strength of the mortars containing early strength accelerators
表 1 水泥化学组成分析
Table 1. Chemical compositions of Portland cements
质量分数/% SiO2 CaO MgO Fe2O3 Al2O3 K2O Na2O SO3 烧失量 总量 22.83 59.03 1.54 3.29 6.54 0.68 0.18 2.01 3.63 99.73 
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表 2 因素水平
Table 2. Factor level table
水平 因素 CB TIPA nano-SiO2 LB 1 0.50% 0.03% 0 0.10% 2 1.00% 0.50% 0.20% 0.30% 3 1.50% 1.00% 0.50% 0.50%
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表 3 5 ℃养护下砂浆抗压强度
Table 3. Compressive strength of mortars cured at 5 ℃
样品编号 掺量/% 抗压强度/MPa CB TIPA nano-SiO2 LB 1 d 3 d 7 d 28 d 对比样−20 ℃ − − − − 10.7 28.8 41.8 56.8 对比样−5 ℃ − − − − 1.8 17.4 27.4 52.0 Z1 0.50 0.03 0 0.10 10.0 26.1 41.7 55.5 Z2 0.50 0.50 0.20 0.30 10.8 28.0 42.5 57.7 Z3 0.50 1.00 0.50 0.50 10.1 29.0 44.4 56.2 Z4 1.00 0.03 0.20 0.50 8.9 25.4 38.2 52.7 Z5 1.00 0.50 0.50 0.10 7.5 24.1 33.8 52.5 Z6 1.00 1.00 0 0.30 8.0 29.3 41.0 58.6 Z7 1.50 0.03 0.50 0.30 8.4 29.0 42.0 60.6 Z8 1.50 0.50 0 0.50 7.6 26.9 40.5 59.6 Z9 1.50 1.00 0.20 0.10 5.3 24.0 35.5 53.5
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表 4 早强组分配比的直观分析结果
Table 4. Result of intuitive analysis
龄期/d 最佳掺合量/% CB TIPA nano-SiO2 LB 1 0.50 0.50 0.20 0.30 3 1.00 1.00 0 0.30 7 0.50 1.00 0.50 0.50 28 1.50 0.03 0.50 0.30
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表 5 掺低温早强剂砂浆的抗压强度(温度适应性)
Table 5. Compressive strength of the mortars containing early strength accelerators
样品编号 温度/℃ 1 d 3 d 7 d 28 d 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 对比样 20 10.7 100 28.8 100 41.8 100 56.8 100 1# 24.2 226 41.5 144 49.6 119 61.8 109 2# 23.0 215 40.6 141 49.2 118 60.1 106 对比样 5 1.8 100 17.4 100 27.4 100 52.0 100 1# 8.6 476 34.3 198 44.6 172 59.7 115 2# 7.6 424 32.0 185 43.2 167 59.0 113 对比样 −5 1.2 100 3.1 100 4.3 100 1# 4.6 383 9.2 296 12.2 284 2# 3.1 258 5.7 184 9.0 209
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作者简介:
张 丰(1989—)，男，江苏句容人，博士研究生，主要从事水工材料及混凝土耐久性的研究。E-mail：fzhang@nhri.cn .
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