低熱水泥膠凝體系力學及熱學綜合性能評價

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

1 研究背景

大體積混凝土的溫控防裂問題是學術界和工程界廣泛關注的重要課題之一[1]。大量研究表明[2-4]，膠凝材料的水化熱是造成混凝土溫度裂縫的主因，為此工程中常采用中、低熱水泥或普通硅酸鹽水泥摻加礦物摻合料2種方法降低膠凝材料水化熱。對于水工等大體積混凝土工程，溫度控制要求嚴格，普通硅酸鹽水泥摻加礦物摻合料難以滿足水化熱控制需要，因此低熱水泥摻加礦物摻合料的膠凝材料方案逐漸為大體積混凝土工程所采用[5-7]。

水化熱和膠凝材料的水化產(chǎn)物量成正相關，水化產(chǎn)物量與力學強度成正比[8]，膠凝材料的早強和低熱性能往往相互矛盾。摻加礦物摻合料的低熱水泥膠凝體系能明顯降低膠凝材料水化熱，但早期強度發(fā)展緩慢?，F(xiàn)有研究大都是基于低熱水泥力學或熱學單方面性能開展的，對其膠凝材料體系的綜合性能評價和系統(tǒng)研究相對較少。

本文以低熱水泥膠凝體系力學和熱學綜合性能為研究對象，通過測定膠凝材料3，7，28 d力學強度和水化熱，采用限定上限/下限線性計算規(guī)則建立綜合性能滿意度函數(shù)，得出滿意度等值線圖，對不同礦物摻合料下膠凝材料綜合性能進行評價分析，以期為低熱硅酸鹽水泥在大體積混凝土工程中的應用提供參考依據(jù)。

2 評價方法及相關理論

2.1 評價指標體系

膠凝材料的綜合性能評價是一個多目標、多層次的復雜系統(tǒng)工程，評價指標的選取關乎評價結果的合理性[9]。根據(jù)大體積混凝土的溫控防裂要求，對低熱水泥膠凝體系力學性能和水化熱2個部分進行如下分析。

(1)力學性能：低熱水泥膠凝材料體系早期強度低，后期強度增長率大[10]，符合大體積混凝土設計齡期長的特點，在進行力學性能評價時尤需關注其早期強度的發(fā)展情況。因此選擇3，7，28 d的抗壓和抗折強度作為膠凝材料綜合性能評價指標。

(2)水化熱：侯新凱等[8]認為膠凝材料3 d和7 d早期水化熱與混凝土最高溫升關聯(lián)性最強，且有研究[11]表明大體積混凝土結構的中心溫度在7 d時已回落至接近環(huán)境溫度，溫度發(fā)展進入相對穩(wěn)定期。因此選取3 d和7 d這2個特征水化熱值對膠凝材料綜合性能進行評價。

2.2 評價方法

2.2.1 評價指標集的確定

一級評價指標集U={U1，U2，…，Um}，第i個指標Ui對應的權重為θi，反映各指標在綜合評價中的重要程度；二級評價指標集Ui={ui1，ui2，…，uik}，uik為第i個指標的第k個分項指標，對應的二次權重為θik。

2.2.2 權重的確定

權重的確定是評價結果是否準確的重要因素，在實際工程中應綜合考慮溫度控制、力學強度要求以及施工條件等進行確定。本文采用主觀賦權法，根據(jù)各項指標對水泥綜合性能的影響程度進行賦權。一級評價指標U1為力學強度，U2為水化熱。為體現(xiàn)二者同等重要，規(guī)定權重值θ1=θ2=50分，7 d水化熱是水化熱二級評價指標u1k的核心內(nèi)容，其分項權重值θ12=30分，3 d水化熱分項權重值θ11=20分；力學強度二級評價指標u2k共有3，7，28 d抗折和抗壓6個分項，其中28 d抗壓強度是力學二級評價指標u2k的核心內(nèi)容，根據(jù)抗壓強度重、抗折強度輕，后期強度重、早期強度輕的分配原則，分項權重θ2k分別取3分、6分、6分、10分、10分、15分。

2.2.3 綜合性能評價目標函數(shù)

水化熱滿意度f1k采用限定上限線性規(guī)則計算。2個齡期的水化熱分別設定一個上限值a1k和一個下邊界值b1k，水化熱值g1k若高于a1k則該項性能滿意度為0分，若低于b1k該項滿意度為滿分θ1k；g1k介于b1k與a1k之間時，滿意度公式為

f1k=Aik(a1k-g1k)/(a1k-b1k)+Bik。

(1)

力學強度滿意度f2k采用限定下限線性規(guī)則計算。3個齡期抗折、抗壓強度分別設定一個下限值b2k和一個上邊界值a2k，強度值g2k若低于b2k則該項性能滿意度為0分，若高于a2k該項滿意度為滿分θ2k；g2k介于b2k與a2k之間時，滿意度公式為

f2k=Aik(g2k-b2k)/(a2k-b2k)+Bik。

(2)

參考《中熱硅酸鹽水泥 低熱硅酸鹽水泥 低熱礦渣硅酸鹽水泥》(GB 200—2003)[12]中對低熱水泥膠砂強度和水化熱的限值規(guī)定，綜合考慮大體積混凝土性能要求，分別對aik，bik，Aik，Bik賦值，評定量化規(guī)則及參數(shù)取值見表1。

3 實 例

3.1 原材料及試驗方案

3.1.1 原材料

低熱水泥(P.LH)由新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)，技術指標及熟料礦物成分含量見表2；礦物摻合料分別為昌吉天山混凝土公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰(FA)和新疆屯河水泥公司生產(chǎn)的S75級礦渣粉(SL)，技術指標見表3。

3.1.2 試驗方法

按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)[13]要求，分別制作3，7，28，90 d齡期下各組膠砂材料3個試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，經(jīng)標準養(yǎng)護至特定齡期后按照規(guī)范方法測取膠凝材料力學強度平均值。

表1 膠凝材料綜合性能評定量化規(guī)則Table 1 Quantitative rules of comprehensive performanceevaluation for cementitious material

注：gik表示膠凝材料相應性能數(shù)值，fik表示該項滿意度數(shù)值

表2 水泥技術指標及礦物成分含量Table 2 Cement’s technical indexes and content ofmineral components

表3 礦物摻合料技術指標Table 3 Technical indexes of mineral admixture

膠凝材料水化熱按照《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)[14]中的直接法， 由實時測溫系統(tǒng)監(jiān)測各組膠凝材料的168 h膠砂溫度變化， 并設置平行試驗組， 計算水化放熱量。 當2次測得水化熱誤差≤12 J/g時數(shù)據(jù)有效， 取2組算數(shù)平均值。

3.1.3 試驗方案設計

采用粉煤灰和礦渣粉部分代替水泥，在總膠凝材料質(zhì)量不變的情況下分別改變礦物摻合料的摻量(占總膠凝材料的質(zhì)量百分數(shù))，試驗設計方案見表4。

表4 膠凝材料設計方案Table 4 Design proportions of cementitious material

3.2 試驗結果

3.2.1 力學強度試驗結果

按表4所示膠凝材料設計方案成型膠砂試件，力學強度結果見表5。低熱水泥的早期(3 d和7 d)強度較低，28 d和90 d的抗壓強度增長約為35.2%，具有良好的后期強度增長率；不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系強度發(fā)展規(guī)律見圖1。

表5 膠凝材料力學強度試驗結果Table 5 Experimental results of mechanical strength ofcementitious material

圖1 不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系抗壓強度Fig.1 Compressive strength of low-heat cementitioussystem with different admixtures

由圖1和表5可知：

隨著粉煤灰摻量的增加，復合膠凝體系的各齡期強度均明顯降低。與純水泥膠砂強度相比，不同齡期的膠凝體系抗壓強度損失率均高于抗折強度損失率；相同摻量下，28 d齡期之前的強度損失率高且變化不大，90 d齡期的強度損失略有改善。

隨著礦渣粉摻量的增加，28 d齡期之前的膠凝體系強度呈下降趨勢。與純水泥膠砂強度相比，不同齡期的膠凝體系抗壓強度損失率均高于抗折強度損失率；相同摻量下，早期(3，7 d)強度損失率較高，28 d齡期抗壓強度損失率低、抗折強度接近或超過純水泥，90 d齡期時膠砂強度高于純水泥，具有較高的后期強度增長率。

復摻粉煤灰、礦渣粉的膠凝體系強度發(fā)展規(guī)律介于單摻粉煤灰和單摻礦渣粉之間。隨著摻量的增加，28 d齡期前的膠凝體系強度下降趨勢較明顯，90 d齡期時抗壓強度相近；與純水泥膠砂強度相比，隨著齡期的延長，膠凝體系的強度損失率呈降低趨勢，90 d齡期時強度接近或超過純水泥。

3.2.2 水化熱試驗結果

測定表4所示各組膠凝材料水化過程中的168 h膠砂溫度并計算水化熱，結果見表6。不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系水化放熱曲線見圖2。由圖2和表6可知：

隨粉煤灰摻量的增加，膠凝體系的水化熱明顯下降。與純水泥相比，單摻15%，25%，35%，45%粉煤灰的膠凝材料72 h水化熱分別降低21，35，63，79 J/g；168 d水化熱分別降低24，46，65，86 J/g。粉煤灰的火山灰活性較低，在膠凝材料中主要起物理填充作用，稀釋低熱水泥的礦物成分，減緩水化進程。

表6 膠凝材料水化熱試驗結果Table 6 Experimental results of hydration heat ofcementitious material

圖2 不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系放熱曲線Fig.2 Curves of hydration heat of differentcementitious systems

隨礦渣粉摻量的增加，膠凝體系的水化熱下降。與純水泥相比，單摻15%，25%，35%，45%礦渣粉的膠凝材料72 h水化熱分別降低14，19，34，38 J/g；168 h水化熱分別降低18，21，30，39 J/g。礦渣粉的摻入稀釋了低熱水泥的礦物成分，在水化初期主要發(fā)揮物理填充作用。隨著齡期的延長，其火山灰作用逐漸明顯，能夠促進膠凝體系的水化。

復摻粉煤灰、礦渣粉的膠凝材料水化放熱規(guī)律介于單摻相同摻量的粉煤灰和礦渣粉之間，隨著摻量的增加，摻合料的火山灰作用逐漸明顯。與純水泥相比，復摻15%，25%，35%，45%粉煤灰、礦渣粉的膠凝體系72 h水化熱分別降低18，33，49，61 J/g；168 h水化熱分別降低23，34，44，71 J/g。

3.3 綜合性能評價

按照表1所示評定規(guī)則計算各組膠凝材料各評價指標的性能滿意度，結果見表7。膠凝材料綜合性能滿意度F=Σfik=F(x，y)，其中x，y分別為粉煤灰和礦渣粉摻量，繪制綜合性能滿意度等值線圖，見圖3。

表7 膠凝材料性能滿意度Table 7 Values of satisfaction on the performance ofcementitious materials

圖3 膠凝材料綜合性能滿意度等值線Fig.3 Contours of satisfaction on performance ofcementitious materials

由圖3可知:低滿意度(≤50分)區(qū)域主要分布在粉煤灰摻量[30%,50%]區(qū)間內(nèi)的右下位置，表示大摻量礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系的滿意度數(shù)值較低；圖中左下位置60分等值線與x軸、y軸的交點分別為8%，6%，該區(qū)域表示低摻量礦物摻合料下膠凝體系或純低熱水泥膠凝體系，其性能滿意度數(shù)值較低；對于粉煤灰摻量在[5%,20%]、礦渣粉摻量在[5%,45%]區(qū)間的復合膠凝體系，其大部分面積都處于較高滿意度數(shù)值區(qū)域(≥60分)；粉煤灰摻量在[0%,8%]、礦渣粉摻量在[22%,39%]區(qū)間，以及粉煤灰摻量在[7%,14%]、礦渣粉摻量在[7%,20%]區(qū)間內(nèi)的復合膠凝體系綜合性能滿意度最高(≥72分)，兩區(qū)域的中心坐標點分別為(2%,28%)，(10%,13%)。

綜合性能滿意度等值線分布可以近似看作系列同心橢圓線，該橢圓的長軸與x軸負方向以60°斜交，橢圓形等值面區(qū)域內(nèi)沿橢圓長軸上膠凝體系滿意度數(shù)值保持不變，附近的膠凝材料組分具備較好的早強低熱性能。

4 結 論

(1)低熱水泥膠凝體系的強度和水化熱均隨礦物摻合料摻量的增加而降低。摻加粉煤灰可明顯降低水化熱，但膠凝材料不同齡期的抗壓、抗折強度均有明顯下降；礦渣粉火山灰活性較高，在降低水化熱的基礎上，促進膠凝材料水化，對其后期強度增長有較大貢獻。

(2)低熱水泥膠凝體系綜合性能滿意度等值線分布可以近似看作系列同心橢圓線，橢圓形等值面區(qū)域內(nèi)沿橢圓長軸上膠凝體系滿意度數(shù)值保持不變。粉煤灰摻量在[5%,20%]、礦渣粉摻量在[5%,45%]區(qū)間內(nèi)膠凝體系綜合性能滿意度較高，具備較好的低熱早強性能。

(3)本文針對不同摻量粉煤灰、礦渣粉條件下的低熱水泥膠凝體系力學和熱學綜合性能進行了評價分析并得出滿意度等值線圖，可在一定程度上為大體積混凝土工程的膠凝材料方案選擇提供參考。

(4)綜合性能評價函數(shù)以及滿意度等值線圖的聯(lián)合運用，為復合膠凝體系力學和熱學綜合性能評價提供了新的思路。該方法中的評價指標及權重值可以根據(jù)溫度控制、強度要求以及施工條件等因素進行調(diào)整，在實際工程應用中具有較好的推廣適應性。