水泥細(xì)度與成分對(duì)混凝土溫升的影響

王 沖，殷吉強(qiáng)，肖 波，白 光，楊長(zhǎng)輝

（重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

近年來隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與工程需要，大體積混凝土在水工建設(shè)中大量應(yīng)用外，在建筑工程中的應(yīng)用也越來越普遍。大體積混凝土最關(guān)注的問題是因其水泥水化引起的絕熱溫升，以及由此引發(fā)的混凝土溫度裂縫等。當(dāng)前針對(duì)大體積混凝土絕熱溫升的研究主要集中于絕熱溫升的模擬計(jì)算與預(yù)測(cè)，或者溫升的控制技術(shù)以及混凝土溫升的影響因素研究。其中，Hu等［1］、Hisashi等［2］、Ballim［3］、Qian等［4］利 用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)或計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)大體積混凝土的絕熱溫升，F(xiàn)unamoto等［5］、張湧等［6］研究了大體積混凝土溫升控制技術(shù)，汪冬冬等［7］、Ng等［8］、Wang等［9］、王甲春等［10］試驗(yàn)研究了摻合料或外加劑對(duì)混凝土溫升的影響，何建國(guó)等［11］測(cè)試了不同水膠比混凝土的溫升，Shen等［12］分析了環(huán)境條件等對(duì)混凝土溫升的影響。不過，很少針對(duì)水泥細(xì)度與組成成分對(duì)混凝土絕熱溫升影響的系統(tǒng)研究。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料 水泥為重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的熟料與天然二水石膏混合磨細(xì)而成，水泥熟料及石膏化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)中水泥細(xì)度分別為297、337、385m2／kg，天然二水石膏含量為總質(zhì)量的3.5%、4.5%和5.5%。水泥基本性能見表2。粉煤灰為重慶珞璜電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)灰，比表面積為330m2／kg，密度為2.45g／cm3，其化學(xué)成分見表1。

表1 水泥熟料與石膏化學(xué)成分 %

表2 水泥基本性能

1.1.2 骨料 細(xì)骨料采用洞庭湖中砂，細(xì)度模數(shù)2.3，表觀密度2.64g／cm3，含泥量1.4%；粗骨料為歌樂山石灰石碎石，表觀密度為2.70g／cm3，含泥量為0.3%。

1.1.3 堿 分析純NaOH，片狀固體，重慶川東化工有限公司生產(chǎn)。堿含量參照文獻(xiàn)［13］的方法，通過在拌合水中添加NaOH（以占水泥質(zhì)量百分比的Na2O%當(dāng)量計(jì)算）使水泥中總堿量分別為0.4%、0.8%和1.2%。

1.2 混凝土溫升測(cè)定

試驗(yàn)采用天津市建筑儀器廠生產(chǎn)的HJW－2混凝土絕熱溫升測(cè)定儀，該儀器由兩部分組成：試件箱和控制器（如圖1所示）。

圖1 混凝土絕熱溫升測(cè)定儀

試驗(yàn)中，混凝土攪拌卸料、裝入容積為30L的桶中并振動(dòng)密實(shí)，30L桶外還有一套桶，內(nèi)外桶各自蓋好后置于試件箱中，試件箱外殼除鋼板外，主要以膨脹聚苯板作為保溫隔熱層。溫度測(cè)試中，混凝土溫升測(cè)定儀一直置于溫度20±2℃實(shí)驗(yàn)室。

試驗(yàn)混凝土配合比列于表3，試驗(yàn)中，調(diào)整水泥細(xì)度以及堿含量、石膏用量與粉煤灰摻量，水泥用量保持不變。

表3 混凝土溫升試驗(yàn)配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥細(xì)度的影響

測(cè)試了水泥細(xì)度分別為297、337、385m2／kg的混凝土的絕熱溫升值，測(cè)試結(jié)果示于圖2及表4。

圖2 不同細(xì)度的水泥混凝土絕熱溫升曲線

表4 水泥細(xì)度對(duì)混凝土溫升影響

從圖2與表4結(jié)果可以看出，隨著水泥細(xì)度增大，混凝土溫升增加，水泥比表面積分別為297、337、385m2／kg時(shí)，混凝土最大溫升值分別達(dá)到36.8、39.2和40.0℃。由圖2溫升曲線還可以看出水泥細(xì)度與混凝土溫升速率的關(guān)系。水泥細(xì)度增加，混凝土絕熱溫升速率也相應(yīng)增大，水泥比表面積297m2／kg時(shí)混凝土達(dá)到最高溫度所用時(shí)間為45h，比表面積為337和385m2／kg時(shí)達(dá)到最高溫度的時(shí)間分別為39和36h。水泥細(xì)度的增加提高了混凝土溫升值，縮短了達(dá)到最高溫度時(shí)間的原因眾所周知，即水泥比表面積大，與水接觸面積大，水泥水化速度較快，且在短時(shí)間內(nèi)水化放熱量也更大。

2.2 水泥堿含量影響

測(cè)試了堿含量分別為0.4%、0.8%及1.2%的水泥的混凝土絕熱溫升值，結(jié)果如圖3及表5所示。

圖3 水泥堿含量不同時(shí)的混凝土絕熱溫升曲線

從圖3與表5溫升測(cè)試結(jié)果可以看出，水泥堿含量分別為0.4%、0.8%與1.2%時(shí)，混凝土溫升最大值分別為33.7、34.5及32.2℃，隨著堿含量增加，混凝土最大絕熱溫升值降低。

表5 堿含量對(duì)混凝土溫升影響

圖3與表5結(jié)果也顯示，與何真等［14］的研究結(jié)果不同的是，不同堿含量的水泥配制的混凝土，達(dá)到最大溫升值的時(shí)間也不同，堿含量0.4%的水泥其混凝土溫升在36h達(dá)到最高，水泥堿含量為0.8%達(dá)到最大溫升時(shí)間最短，只有30h，而水泥堿含量增加至1.2%時(shí)達(dá)到最大溫升值的時(shí)間為51h，這反映出堿含量從0.4%增加至0.8%時(shí)，水泥水化與混凝土溫升值增大，而再繼續(xù)增大堿含量，水泥水化反而受到抑制。這一結(jié)果可由文獻(xiàn)［15］得到解釋，即：堿的加入，使得石膏消耗速度加快，鈣礬石形成速率與水化硅酸鈣與氫氧化鈣形成速率加速，表現(xiàn)為混凝土溫升速率加快；不過，堿濃度超過一定量后將延緩硫鋁酸鹽的形成，從而影響水泥水化速度，混凝土溫升受到限制。

2.3 粉煤灰摻量的影響

試驗(yàn)測(cè)試了以粉煤灰作為水泥混合材時(shí)其摻量分別為0%、10%、20%和30%的混凝土溫升規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖4及表6所示。

圖4 水泥中不同粉煤灰摻量的混凝土溫升曲線

表6 粉煤灰摻量對(duì)混凝土溫升影響

圖4與表6結(jié)果顯示，粉煤灰取代水泥熟料后，隨著取代量從0增加至30%，混凝土溫升值隨之相應(yīng)減小。不摻粉煤灰時(shí)混凝土最大溫升值為41.9℃，粉煤灰摻量30%時(shí)的最大溫升值降低至只有31.6℃，降低至非常明顯，這主要是因?yàn)榉勖夯胰〈嗍炝?，水泥熟料含量降低，水泥水化熱減小，混凝土溫升值隨之降低。結(jié)果也顯示，粉煤灰的摻入使得達(dá)到溫度最大值的時(shí)間也相應(yīng)的延后，不摻粉煤灰時(shí)達(dá)到最高溫度的時(shí)間為35h，粉煤灰摻量30%時(shí)，溫升最大值時(shí)間比不摻粉煤灰的混凝土?xí)r間延后了30h。出現(xiàn)這種情況的原因在于，粉煤灰減小了水泥水化熱的同時(shí)，水化放熱速率也相應(yīng)減小，最大溫升出現(xiàn)時(shí)間延后。此外，粉煤灰的火山灰效應(yīng)使得其二次反應(yīng)放熱比水泥水化放熱滯后，且火山灰效應(yīng)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，因而圖4顯示粉煤灰摻量30%時(shí)，水化65h后溫升值仍在增加，其原因就在于粉煤灰的火山灰反應(yīng)放熱。

2.4 石膏含量的影響

試驗(yàn)測(cè)試了水泥中二水石膏含量不同時(shí)的混凝土溫升情況，石膏含量分別為3.5%、4.5%、5.5%?；炷翜厣郎y(cè)試結(jié)果是與圖5及表7中。

圖5 水泥中不同石膏含量的混凝土溫升曲線

表7 石膏含量對(duì)混凝土溫升影響

圖5與表7結(jié)果顯示，增加水泥中石膏含量，可以降低混凝土的最大溫升值。水泥中石膏含量分別為3.5%、4.5%和5.5%時(shí)，石膏含量3.5%時(shí)混凝土的溫升最大，達(dá)到42.0℃，石膏含量分別為4.5%和5.5%時(shí)的混凝土溫升最高值只有30.4和29.2℃，二者相差不大。

圖5結(jié)果還表明，石膏含量不同時(shí)，隨石膏含量增加，混凝土溫升值增加速率也相應(yīng)減小，達(dá)到最高溫度的時(shí)間相應(yīng)延后。彭家惠等［16］認(rèn)為，石膏含量決定鈣礬石形成總量；楊南如等［17］研究表明，鈣礬石的穩(wěn)定條件在很大程度上決定于液相中［SO3］的濃度，若溶液中［SO3］的濃度過低，則鈣礬石難以生成或不能穩(wěn)定存在。在本文試驗(yàn)條件下，石膏含量從3.5%增至5.5%，水泥中鈣礬石生成量增大且穩(wěn)定性增加，延緩了水泥水化放熱，因而導(dǎo)致混凝土溫升值及溫升速率也相應(yīng)減小。

3 結(jié)論

1）隨著水泥比表面積的增加，混凝土絕熱溫升值與溫升速率皆增大。

2）水泥堿含量在0.4%～1.2%范圍內(nèi)，水泥堿含量增加，其最大溫升值減小，不過最大溫升值出現(xiàn)時(shí)間是堿含量0.8%時(shí)最短，水泥堿含量過高或過低都會(huì)延長(zhǎng)混凝土最大溫升時(shí)間。

3）粉煤灰的摻入，混凝土最大溫升值顯著降低，而混凝土最大溫升出現(xiàn)的時(shí)間相應(yīng)延后。

4）石膏含量增加，減小了混凝土的最大溫升，延緩了混凝土溫升速率。

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