硅粉對混凝土絕熱溫升的影響

NGPL關憲章

(1. 佛山科學技術學院 土木工程系，廣東 佛山 528000 ; 2.維爾紐斯皇家科技大學 土木工程學院，立陶宛 維爾紐斯 LT-10223； 3.港合豐建筑科技有限公司，香港 999077)

1 研究背景

水利工程中往往需要澆筑大壩等超大體積混凝土，而控制大體積混凝土水化溫升引起的早期開裂是水利工程設計與施工的主要難題之一。溫升是由于新拌混凝土在凝結硬化過程中膠凝材料與水會發(fā)生水化反應并產生大量的水化熱。由于水利工程中大體積混凝土散熱速度慢，隨著水化熱的逐漸積累，新拌混凝土的溫度將迅速上升。而在溫度上升的同時，膠凝材料逐漸凝結硬化。隨后在膠凝材料水化反應基本結束后，混凝土逐漸冷卻并產生顯著收縮。該冷卻收縮會導致已硬化的混凝土產生拉應力，若拉應力超過混凝土抗拉能力將引致混凝土開裂。目前解決大體積混凝土早期開裂問題主要有以下4種方法：

(1)從水化熱過高積累的源頭出發(fā)，減少新拌混凝土的絕熱溫升量。例如降低水泥與用水量，摻粉煤灰、高爐礦渣、硅粉等礦物摻合料置換部分水泥。朱鵬飛等[1]表明大摻量礦物摻合料可以不同程度上降低膠凝材料的水化熱。張錫祥[2]、樊啟祥等[3]則分別采用了低熱膨脹水泥和低熱硅酸鹽水泥獲得了發(fā)熱量的降低和開裂影響的緩解。

(2)盡可能降低預拌混凝土入模溫度。例如配制混凝土時，用經降溫甚至冰凍處理的骨料、用冰塊代替水。

(3)延長混凝土凝結硬化前的散熱時間和增加散熱量。例如預埋散熱水管并通過循環(huán)流動水帶走熱量、摻加石膏于水泥中、摻加緩凝劑。

(4)減少混凝土收縮的影響。例如設置后澆帶、溫度變形伸縮縫等。

然而，方法(2)效果相對有限，若單一采用成效不彰；方法(3)和方法(4)會延緩工程進度，除依據設計所包含的必要措施外，施工單位并不建議采用[4-6]。因此，最優(yōu)策略為方法(1)，從根源上降低新拌混凝土的絕熱溫升。

為降低新拌混凝土的絕熱溫升，最常用方法為摻加礦物摻合料置換部分水泥，其中硅粉為配制高性能混凝土的常用摻合料。硅粉為是工業(yè)生產硅及硅鐵的副產品，SiO2質量含量高達95%以上，顆粒直徑在0.1～0.2 μm之間，能與水泥水化產物Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，進一步生成C-S-H凝膠使混凝土微觀結構更致密[7]。雖然硅粉已廣泛用于高強度混凝土和高強度自密實混凝土[7-10]，然而，硅粉對混凝土發(fā)熱量的影響還不明確，亦缺乏硅粉混凝土溫升的設計規(guī)范[11]。在硅粉對混凝土溫升影響的研究上，不同學者甚至得出了相反的結論[5]。Meland[12]通過試驗比較了硅粉摻量分別為0%和20%的水泥漿的發(fā)熱量，發(fā)現(xiàn)摻加硅粉可降低發(fā)熱量。然而，Sanchez de Rojas和Frias[13]發(fā)現(xiàn)摻加10%硅粉會提高發(fā)熱量，而摻加30%硅粉能降低發(fā)熱量。Kadri和Duval[14]得到了與Sanchez de Rojas和Frias類似的結果，發(fā)現(xiàn)摻加10%硅粉會提高發(fā)熱量，而摻加20%或30%硅粉能降低發(fā)熱量。

上述關于硅粉混凝土發(fā)熱量的研究表明，不同學者在硅粉對混凝土溫升的影響上得出了相反的結論。究其原因，筆者認為雖然水泥成分、硅粉質量、入模溫度、養(yǎng)護環(huán)境等均會導致結果差異，但不同學者在硅粉對混凝土發(fā)熱量影響問題上的相反結論主要原因在于試驗配比中所采用的用水量的不同。由于水泥的水化反應和硅粉的火山灰反應均需要水的參與，水量或水膠比在硅粉混凝土化學反應發(fā)熱上起著至關重要的作用[15]。在此問題上，Kadri和Duval[14]指出水膠比越低，硅粉混凝土的單位膠凝材料發(fā)熱量越低。Langan等[16]亦發(fā)現(xiàn)硅粉在低水膠比情況下能更有效地降低水化反應速率。謝麗和吳勝興[17]指出降低水膠比可提高混凝土水化溫升達到的峰值，劉建忠等[18]則發(fā)現(xiàn)提高水膠比會增加混凝土水化放熱速率峰值。

由以上文獻可知，不同水膠比下硅粉對混凝土溫升的影響還亟待探明。為此，筆者配制了15組配比的硅粉混凝土，并測量其絕熱溫升值，以對硅粉混凝土絕熱溫升問題展開探索。

2 絕熱溫升測量

理想的絕熱溫升測量要求混凝土與外界環(huán)境無熱量傳遞，需要環(huán)境溫度時刻與混凝土表面溫度絕對相同，測試條件苛刻，一般難以實現(xiàn)[19]。為實現(xiàn)絕熱溫升的測量，本研究設計了半絕熱溫升試驗測量并作熱補償計算的測量方法。

2.1 半絕熱溫升試驗測量裝置

進行混凝土試樣半絕熱溫升測量前，制作尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m(長×寬×高)的上蓋可開啟和閉合的木制試驗箱，并在箱體角落位置、邊線中點位置、面中心位置、箱體中央位置(見圖1)預埋熱偶傳感片。

圖1 混凝土試樣溫度測試點的分布Fig.1 Distribution of temperature measurement points

混凝土試樣攪拌好后，開啟試驗箱上蓋，把攪拌后的混凝土澆筑進箱體內并同時用振棒作振搗，灌滿振實后蓋好上蓋妥善密封。在其后6 d時間里(6 d之后混凝土放熱溫升已基本完全完成)，利用預埋的熱偶傳感片不間斷測量各位置每一時間段的溫度數據。測試期間，實驗室環(huán)境溫度保持在22～24 ℃。

2.2 散失熱量補償方法

在進行半絕熱溫升試驗測量時，由于混凝土試樣表面溫度比環(huán)境溫度高，水化溫升的發(fā)熱量會部分散失到環(huán)境中，該部分散失的熱量可用香港大學Ng等[20]提出的熱量補償方法計算得出。

當混凝土發(fā)熱速率顯著減緩時，由熱量散失率和混凝土表面與環(huán)境溫度差成正比的關系可表示為

(1)

式中：TV為某時刻混凝土整體平均溫度;t為時間;λ為傳熱系數;TS為混凝土表面平均溫度；TA為環(huán)境溫度。

TV和TS可根據權重分布由式(2)和(3)計算得出，即：

(2)

(3)

式中：Tm為箱體中央點溫度；Tf為面中心溫度；Te為邊線中心溫度；Tc為角落溫度。

由式(1)得到λ后，絕熱溫升TG可由式(4)得出，即

(4)

式中：TG為混凝土絕熱溫升溫度；TP為混凝土入模溫度。

3 試驗材料及配比

3.1 材 料

本研究使用的水泥為52.5N級別硅酸鹽水泥，符合歐盟標準BS EN 197-1∶2000。粗、細骨料均為花崗巖碎石，最大粒徑分別為20 mm和5 mm。所有試樣均摻減水劑使流動性滿足實際澆筑需要，所用減水劑為聚羧酸類高效減水劑。

3.2 混凝土試樣配比

為探索不同水膠比下不同硅粉摻量對混凝土絕熱溫升的影響，本研究共配制水膠比0.24～0.40、硅粉摻量0～10%的15組混凝土配比試樣。選擇該范圍是由于硅粉作為昂貴的混凝土摻合料，目前工程應用中摻量一般不會>10%，摻硅粉的高強度或高耐久性混凝土水膠比很少>0.40，本研究水膠比和硅粉摻量覆蓋范圍具有工程代表性。所有混凝土配比的骨料體積比統(tǒng)一為56%，粗細骨料質量比例統(tǒng)一為3∶2。為消除入模溫度對水泥水化和硅粉火山灰反應的影響，材料的入模溫度控制在(26±2) ℃。每一組配比均制作1個400 mm立方體混凝土試樣作絕熱溫升測量和3個150 mm立方體試樣作28 d抗壓強度測量。

4 試驗結果與分析

4.1 硅粉混凝土絕熱溫升測量結果

絕熱溫升測量結果示于圖2。結果表明：摻加5%硅粉能降低絕熱溫升值1.8～7.3 ℃，摻加10%硅粉能降低絕熱溫升值3.3～10.2 ℃。在水膠比0.24～0.40的范圍內，當硅粉摻量為10%時，絕熱溫升值隨著水膠比增加而降低；當硅粉摻量為5%時，絕熱溫升值隨著水膠比增加呈現(xiàn)波動變化；當硅粉摻量為0%時，絕熱溫升值先隨著水膠比增加而增加，在水膠比約為0.32時達到最大值，再隨著水膠比增加而降低。這是由于水泥水化反應和硅粉火山灰反應均需要水參與反應，隨著水膠比的增加，一方面水量增加,而另一方面水泥和硅粉量降低，存在最優(yōu)水膠比使水泥水化反應和硅粉火山灰反應量達到最大值。無摻加硅粉時，混凝土配比中每100 kg/m3膠凝材料能產生9.7～12.9 ℃絕熱溫升值；摻入5%硅粉后，混凝土配比中每100 kg/m3膠凝材料的絕熱溫升值下降為9.5～11.9 ℃；摻入10%硅粉后，混凝土配比中每100 kg/m3膠凝材料的絕熱溫升值進一步下降為9.4～11.0 ℃。這是由于同質量的硅粉火山灰反應發(fā)熱量低于水泥水化反應發(fā)熱量。

圖2 不同硅粉摻量在不同水膠比下對混凝土絕熱溫升的影響
Fig.2 Effects of microsilica dosage on adiabatictemperature rise at different water-binder ratios

4.2 相同抗壓強度要求下硅粉混凝土絕熱溫升表現(xiàn)

硅粉除能在相同質量膠凝材料情況下降低混凝土溫升值外，還能顯著提高強度。由圖3可知：摻加硅粉令絕熱溫升-抗壓強度曲線整體向右下移。當混凝土強度值<100 MPa時，摻加硅粉可在相同強度要求下顯著降低單位膠凝材料絕熱溫升值；當混凝土強度值>100 MPa時，摻加硅粉對單位膠凝材料絕熱溫升值的影響較少。結果還表明混凝土并非強度越高，絕熱溫升值一定越大。這與傳統(tǒng)的高強度混凝土溫升大的習慣思維并不一致。事實上，若為了達到混凝土高強度是采用摻加硅粉置換水泥的方法,而不是采用提高水泥量的方法，則混凝土絕熱溫升值不但不會提高反而能得到降低。因此，硅粉能讓混凝土同時達到高強度和低絕熱溫升值，能更好地促進大體積高性能混凝土的應用和普及。

圖3 硅粉混凝土在相同強度下的絕熱溫升值
Fig.3 Adiabatic temperature rise of microsilica concrete atthe same strength level

4.3 硅粉混凝土絕熱溫升值模型

為了更好地推廣硅粉混凝土在大體積混凝土中的應用，在工程應用時有必要對硅粉混凝土的絕熱溫升值進行可靠預測。絕熱溫升值預測模型可通過多變量回歸分析以取得最小均方根誤差為目標獲得[21]，即

ΔT=(WB)/[φ1W+φ2C+φ3S+

W(φ4W+φ5C+φ6S)+φ7CS+φ8] 。

(5)

回歸分析表明，影響系數φ1,φ7,φ8非常小。為簡化預測模型的公式，φ1,φ7，φ8設定為0。其余影響系數通過多變量回歸分析得到，即

ΔT=(WB)/[4.107C-9.917S+

W(0.036 5W-0.020 1C+0.085 3S)] 。

(6)

式(6)的預測誤差值如表1所示。預測結果表明，絕熱溫升預測值最大誤差只有1.4C，相關性系數R2達0.968，完全能滿足工程需要。

表1 絕熱溫升值試驗結果和預測模型的預測值對比Table 1 Comparison between experimental values andpredicted values of adiabatic temperature rise

為方便工程應用，根據預測模型還可繪制絕熱溫升值設計圖，如圖4所示。考慮到硅粉摻量10%混凝土在工程中應用更多，故該圖描繪了硅粉摻量10%的不同水膠比下混凝土的絕熱溫升等溫線。為了方便對比本研究得到的試驗結果和絕熱溫升設計值，試驗測量值亦示于圖4。圖中從左上角到右下角共3條虛線，對應的水膠比分別為0.26,0.32,0.38。

圖4 摻10%硅粉混凝土絕熱溫升值設計圖Fig.4 Design chart of adiabatic temperature rise ofconcrete blended with 10% microsilica

5 結 論

為研究硅粉對混凝土絕熱溫升的影響，本研究配制了15組混凝土配比試樣，通過半絕熱溫升試驗測量和熱補償法獲得絕熱溫升值，得到主要結論如下：

(1)摻加硅粉能有效降低混凝土絕熱溫升值，其中摻5%硅粉降低絕熱溫升值1.8～7.3 ℃，摻10%硅粉降低絕熱溫升值3.3～10.2 ℃，絕熱溫升降低程度受水膠比的影響。

(2)混凝土并非強度越高溫升越高，摻加硅粉能同時提高強度和減少絕熱溫升，可在相同強度下顯著降低混凝土絕熱溫升值。

(3)基于試驗結果推導出硅粉混凝土絕熱溫升值預測模型，并繪制了絕熱溫升值設計圖，便于工程應用中參考。