石粉含量對水工混凝土絕熱溫升的影響研究

唐云宏 , 李飛隼 , 晉良海

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

隨著混凝土市場的不斷發(fā)展，為了有效緩解天然砂石料稀缺而造成的建筑材料價格上漲問題，越來越多的工程項目開始使用人工砂作為混凝土的細(xì)集料[1]。然而，在生產(chǎn)系統(tǒng)制備人工砂時不可避免地會摻雜一定量的石粉，這種粒徑小于0.16 mm的細(xì)顆粒對混凝土的力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性以及耐久性等結(jié)構(gòu)特性都會產(chǎn)生不可忽視的影響[2-3]。目前，中國各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對人工砂中石粉的含量進(jìn)行了不同范圍的規(guī)定，例如在水利水電工程領(lǐng)域，DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》建議人工砂中石粉含量宜控制在6%～18%之間，但是實際生產(chǎn)過程中石粉的含量往往會超過該范圍[4]。為了降低人工砂中石粉的含量，工業(yè)生產(chǎn)過程中常采用水洗法或者風(fēng)選收塵的方式去除多余的石粉，該過程不僅破壞了原有的顆粒級配，造成了砂資源的浪費，而且加重企業(yè)生產(chǎn)負(fù)擔(dān),破壞生態(tài)環(huán)境[5]。

為了探究并進(jìn)一步解決人工砂中石粉含量對混凝土各項性能的影響，眾多學(xué)者圍繞此問題開展了大量的試驗研究并取得了豐富的結(jié)果[6-10]。但這些研究多反映在對混凝土力學(xué)模型以及結(jié)構(gòu)宏微觀變化方面，未能闡明石粉含量對混凝土絕熱溫升變化的影響，尤其是較高石粉含量人工砂對混凝土內(nèi)部溫升峰值大小以及變化速率的規(guī)律。鑒于此，本文以某在建水電站砂石生產(chǎn)系統(tǒng)所產(chǎn)灰?guī)r人工砂為基礎(chǔ)，通過對原級配人工砂中摻加一定量石粉獲得超出相關(guān)規(guī)范范圍的高石粉含量人工砂，探究2種不同石粉含量混凝土的絕熱溫升變化規(guī)律，以期為現(xiàn)場大體積混凝土澆筑施工方案的擬定提供可靠試驗依據(jù)和技術(shù)參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗選用華新 P.MH 42.5中熱硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表 1。礦物摻合料為曲靖F類Ⅰ級粉煤灰，性能指標(biāo)見表 2。水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表 3。細(xì)骨料為某水電站砂石生產(chǎn)系統(tǒng)通過灰?guī)r碎石破碎制得的人工砂，經(jīng)激光粒子分布儀檢測，原級配人工砂中石粉含量為15%。此外，試驗通過細(xì)網(wǎng)篩分得到適量純石粉，再以外摻的方式試配得到28%的較高石粉含量人工砂，2種石粉含量人工砂主要物理性能見表4。粗骨料為普通碎石骨料，碎石中石粉含量可忽略不計，性能指標(biāo)見表5。減水劑和引氣劑為江蘇蘇博特CA-1緩凝型聚羧酸高性能減水劑和GYQ引氣劑，外加劑的性能指標(biāo)見表 6。

表1 P.MH 42.5中熱水泥基本性能

表2 粉煤灰的基本性能 %

表3 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分 %

表4 石粉含量15%、28%人工砂的物理性能

表5 粗骨料的性能指標(biāo)

表6 外加劑的性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比及試驗方法

1.2.1混凝土配合比

絕熱溫升試驗以 C30二級配混凝土為研究對象，選用石粉含量15%、28%的人工砂作為細(xì)骨料，在保持混凝土砂率、水膠比以及外加劑摻量基本相同的條件下，控制混凝土拌合物坍落度在設(shè)計要求160 ～180 mm 之間，經(jīng)過試配得到2種石粉含量C30混凝土的配合比見表7。

表7 不同石粉含量的二級配C30混凝土配合比

1.2.2絕熱溫升試驗方法

依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》的規(guī)定采用圓臺形不銹鋼桶澆筑混凝土試件進(jìn)行絕熱溫升試驗，試驗儀器為JRWS-6A混凝土熱物理性能綜合測試系統(tǒng)，見圖1。試驗步驟如下：正式試驗24 h前，將混凝土拌合用料放入20 ℃± 5 ℃的室內(nèi)，使其溫度與室溫一致。試驗當(dāng)天，首先根據(jù)儀器使用說明書檢查設(shè)備，在容器中盛入比室溫高25 ℃～30 ℃的水，水面離容器上邊沿約2 cm，再將容器放入絕熱室內(nèi)；然后按已確定的配合比拌制混凝土，并測量混凝土拌和物溫度，分上下兩層依次裝入容器中搗實；此外在容器中心埋入石英玻璃測溫管，當(dāng)中盛入適量液壓油，蓋上容器上蓋全部密封，以上過程需在30 min內(nèi)完成；最后將密封完好的容器送入測試系統(tǒng)設(shè)備的絕熱室內(nèi)，將溫度傳感器裝入測溫管中輸入相關(guān)參數(shù)開始試驗，見圖2。絕熱室控制溫度與試樣中心溫度相差不大于±0.1 ℃，每0.5 h記錄一次溫度。

圖1 JRWS-6混凝土熱物理性能測試系統(tǒng)

圖2 絕熱溫升試樣

2 試驗結(jié)果及分析

試驗研究了石粉含量為15%、28%的2組C30人工砂混凝土(記為C30-15、C30-28)的絕熱溫升值，其絕熱溫升曲線見圖3，絕熱溫升變化率曲線見圖4。由于試驗進(jìn)行240 h后各組數(shù)據(jù)的變化很小可忽略不計，故圖中僅給出240 h之前的結(jié)果。

圖3 不同石粉含量C30混凝土的絕熱溫升曲線

圖4 不同石粉含量C30混凝土絕熱溫升的變化率曲線

由圖3絕熱溫升曲線可知，2種石粉含量混凝土在前20 h內(nèi)水化放熱均較少，溫度僅升高約5℃；而在20～100 h之間水化放熱量急劇增加，使混凝土溫度提高35℃左右；此后放熱逐漸減少，溫升曲線趨于穩(wěn)定。但是，對于放熱總量而言，石粉含量為28%的混凝土絕熱溫升值小于石粉含量為15%的混凝土。

圖4絕熱溫升的變化率曲線也表明，石粉含量較高的混凝土(C30-28)比低石粉含量混凝土(C30-15)的絕熱溫升變化率開始急劇增加的時間延后約3 h，且其變化率達(dá)到峰值的時間比后者推后約3 h。由這2組混凝土的配合比可知，石粉含量較高的C30-28混凝土，其單方水泥用量比石粉含量較低的C30-15少。因而，在相同時間內(nèi)參與水化的水泥礦物數(shù)量較少，則其水化放熱量較小，由此混凝土的絕熱溫升值較低，到達(dá)絕熱溫升峰值的時間也較晚。

3 混凝土絕熱溫升理論計算

混凝土的絕熱溫升計算值是指結(jié)構(gòu)在完全無熱損耗的理想狀態(tài)下，水泥的水化放熱全部轉(zhuǎn)化為混凝土溫升后的溫度值。20世紀(jì)30年代末，美國墾務(wù)局曾提出混凝土絕熱溫升與歷時關(guān)系見式(1), 為各國大體積混凝土溫度場計算中所慣用。

T=T0(1-e-mt)

(1)

式中T0——混凝土的絕熱溫升值，℃；m——試驗確定的系數(shù)；t——時間，d;e——混凝土比熱容，kJ/(kg·℃)。

在理論計算中，對于含有礦物摻合料的混凝土基于式(1)，通常采用式(2)計算大體積混凝土的絕熱溫升：

(2)

式中T(τ)——在齡期τ時混凝土的絕熱溫升，℃;C——水泥用量，kg;k——折減系數(shù), 對于摻粉煤灰混凝土k可取0.25；F——摻合料用量；Q——水泥水化熱,kJ/kg；e——混凝土比熱容，取0.96×103kJ/(kg·℃ ) ;m——試驗確定的系數(shù)；ρ——混凝土密度,取2 400 kg/m3。

采用式(2)計算得到2種石粉含量C30混凝土在不同齡期的絕熱溫升理論計算值，與實測結(jié)果對比見表8。

表8 C30-15、C30-28混凝土絕熱溫升計算值與實測值對比

圖5 C30-15、C30-28混凝土齡期與絕熱溫升誤差值關(guān)系

圖5表示2種石粉含量C30混凝土齡期與絕熱溫升誤差值之間的關(guān)系，可看出2條曲線變化規(guī)律基本相同，即理論計算值均高于實測值(無負(fù)值出現(xiàn))，并且隨著混凝土齡期的增加，兩者之間的誤差均逐漸擴大，其中：當(dāng)齡期在70 h前絕熱溫升誤差值控制在5℃以內(nèi)，模型對含石粉混凝土早期水化溫升預(yù)測效果較好；而超過此齡期后，絕熱溫升誤差值迅速增加，超出合理誤差范圍，理論計算值可靠性較低。此外，對比2種混凝土的誤差值大小可知，C30-28混凝土的誤差基本小于C30-15混凝土，說明適當(dāng)增加石粉含量后，絕熱溫升理論計算采用式(2)不會加劇誤差的擴大，該模型對高石粉含量混凝土的溫升預(yù)測仍具有一定的可信度。

4 結(jié)論

a) C30-15/28混凝土絕熱溫升變化總體趨勢及規(guī)律基本相同，即放熱過程主要集中在20 ～100 h齡期段，在此期間混凝土溫升變化迅速，此齡期外放熱較少，溫升緩慢。

b) 在混凝土強度等級要求相同條件下，適當(dāng)提高人工砂中石粉含量，通過調(diào)整減水劑、引氣劑以及其他混凝土原材料的摻量等技術(shù)措施，可以對配合比進(jìn)行優(yōu)化使混凝土的水泥用量略有下降，從而減少單方混凝土的水化放熱總量并延遲達(dá)到溫升峰值的時間，這對于水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)的絕熱溫升控制和防止開裂十分有利。

c) 采用理論模型進(jìn)行溫升預(yù)測時，計算值一般大于實測值，表明在摻入石粉后水泥含量減少，使得水化熱理論計算結(jié)果較實際偏大。

d) 在混凝土早齡期階段(小于70 h)，絕熱溫升誤差值不大于5℃，理論模型對高低2種石粉含量混凝土的絕熱溫升預(yù)測均適用。