水灰溫度對寒區(qū)水泥物理力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

肖歐輝，趙寧寧，蔣新雨，劉任，傅金陽

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水泥的消耗量也隨之增大，據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，2017年中國全年累計(jì)水泥產(chǎn)量達(dá)23.16億噸。目前工程建設(shè)用水泥在使用前均需貯藏在水泥罐中，規(guī)范[1]規(guī)定入罐溫度≯65℃，但受工期條件制約，水泥的使用溫度也不盡相同，極易因溫度變化而造成拌和物物理力學(xué)性能下降，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物開裂，因此有必要依據(jù)工程需要研究溫度對水泥物理力學(xué)性能的影響。

水泥溫度對拌和物早期物理力學(xué)性能影響，目前已有微觀和宏觀的研究。徐琳玲等[2]分析了環(huán)境溫度對“鋁酸鹽水泥—硅酸鹽水泥—無水石膏”三元體系水化早期的相組成、拋光斷面微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)演變的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，所生成的鈣礬石越易向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)變；韓方暉等[3]研究了溫度對水泥—礦渣復(fù)合膠凝材料硬化漿體微觀結(jié)構(gòu)及凈漿和砂漿后期強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對純水泥的水化程度影響很小，但高溫（60℃）降低了純水泥凈漿的后期抗壓強(qiáng)度；韓玉等[4]研究了不同溫度對摻減水劑的礦渣—水泥漿體水化放熱性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溫度升高時(shí)（35℃、50℃）水化反應(yīng)動力學(xué)主要由NG—D過程控制；楊永民[5]、張秀潔[6]、姜雅峰[7]等分別基于試驗(yàn)研究了水泥溫度對標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、水泥試件強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水泥溫度升高，水泥早期物理力學(xué)性能都有不同程度的降低。

上文所述均未從工程角度研究水泥溫度對早期物理力學(xué)性能的影響，并缺乏相應(yīng)的保障水泥性能的工程措施。本文的研究依托青海莫蘭臺嶺隧道項(xiàng)目。項(xiàng)目隧道區(qū)屬大陸性高原半干旱氣候，地面年平均溫度9.7℃，冬季地面溫度大致為-15℃，極端最低地面溫度-27.5℃，隧道施工中使用大量硅酸鹽水泥，實(shí)際測得水泥出罐使用溫度為52～73℃，所在寒區(qū)地下水水溫穩(wěn)定在（5±1）℃。為了解施工階段中水泥溫度對早期物理力學(xué)性能的影響，尋找合適的工程措施保障水泥性能，我們通過試驗(yàn)研究了不同水泥出罐使用溫度、不同拌和用水溫度對水泥試件早期物理力學(xué)性能的影響，為工程項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥P·O42.5級，由青海祁連山水泥有限公司生產(chǎn)，物理力學(xué)性能如表1所示，試驗(yàn)用拌和用水為地下水，預(yù)先放置于試驗(yàn)室，使水溫與環(huán)境溫度相同，水質(zhì)指標(biāo)如表2所示，符合規(guī)范要求。

2.2 試驗(yàn)樣品制備

水泥物理力學(xué)性能主要包括標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等。依據(jù)寒區(qū)工程水泥出罐使用溫度分布區(qū)間，本試驗(yàn)所用水泥采用干燥烘箱將其分別加熱成20℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃六個(gè)溫度等級，模擬不同使用溫度時(shí)的水泥，采用冷藏室將水溫降至5℃、17℃兩個(gè)等級，模擬不同溫度時(shí)的拌和用水。如表3所示，將不同溫度水泥、不同溫度拌和用水組合使用形成試驗(yàn)組，稱取500g水泥測試標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，用濕布擦拭攪拌鍋和葉片，先后倒入水與水泥，啟動攪拌機(jī)，低速攪拌、刮去葉片粘附水泥漿，高速攪拌后制得試樣；測試力學(xué)性能時(shí)，按照“水泥：標(biāo)準(zhǔn)砂：水=450g：1 350g：225ml”的配合比制備水泥膠砂，膠砂由行星攪拌機(jī)攪拌，倒入40mm×40mm×160mm試模振動成型，試體連模一起在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h，隨后在水中養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱溫度為20±1℃，濕度＞90%。不同溫度下水泥及拌和用水制備見圖1。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能

表2 拌和用水水質(zhì)指標(biāo)

2.3 試驗(yàn)方法

普通硅酸鹽水泥P·O42.5測試標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量時(shí)依據(jù)GB/T 1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，測試抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度時(shí)依據(jù)規(guī)范GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》進(jìn)行，試驗(yàn)中使用建儀NJ-160A水泥凈漿攪拌機(jī)、建儀JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)、建儀ZS-15型水泥膠砂振實(shí)臺、SBY-64B型水泥試件恒溫水養(yǎng)護(hù)箱、三宇HYE-300型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)維卡儀、水泥膠砂試模、YPB10002型電子天平等，以上儀器設(shè)備均已經(jīng)過檢定/校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室溫度為20±2℃，濕度＞50%。水泥物理及力學(xué)性能測試見圖2。

圖1 不同溫度下水泥及拌和用水制備

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 溫度對標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量表征水泥凈漿的稠度，對混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性都有一定影響[8]。拌和水溫影響的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的水灰比隨水泥溫度變化趨勢如圖3所示，采用常溫水（17℃）與冷水（5℃）拌和時(shí)，隨著水泥出罐溫度的升高，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度的水灰比也隨之增大，但使用常溫水時(shí)，80℃水泥比20℃水泥增加用水量達(dá)9.12%，使用冷水時(shí)，80℃水泥比20℃水泥增加用水量為5.42%，且冷水拌和、水泥溫度為80℃時(shí)與常溫水拌和、水泥溫度為40℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相當(dāng)；在水泥溫度均為20℃時(shí)，冷水拌和與常溫水拌和具有相近的水灰比。測試表明，水泥溫度較低時(shí)，拌和水溫對標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量影響較小，當(dāng)水泥溫度升高、采用較低溫度拌和水時(shí)，可明顯降低水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。

表3 水-灰溫度組合下的試樣分組*

圖2 水泥物理及力學(xué)性能測試

圖3 溫度對水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

3.2 溫度對水泥早期力學(xué)性能的影響

抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度是水泥力學(xué)性能的重要指標(biāo)，本試驗(yàn)所測定的不同溫度下水泥標(biāo)準(zhǔn)膠砂3d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出，當(dāng)水泥溫度升高時(shí)，不同拌和水溫下水泥膠砂3d抗折強(qiáng)度均下降，但使用冷水拌和后抗折強(qiáng)度顯著高于對應(yīng)溫度的常溫水拌和試件，在水泥溫度為80℃時(shí)，相對常溫水拌和，采用冷水拌和可使抗折強(qiáng)度增加8.3%，由圖4b可知抗壓強(qiáng)度也具有類似規(guī)律，在對水泥早期力學(xué)性能要求較高或水泥出罐溫度較高的工程中，可采用冷水拌和增強(qiáng)水泥早期力學(xué)性能。

3.3 溫度對水泥長期力學(xué)性能的影響

在特定工程實(shí)踐中，對水泥長期力學(xué)性能的要求比較嚴(yán)格，本試驗(yàn)所測定的不同溫度下水泥膠砂28d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。由圖5a可以看出，采用常溫水拌和的水泥膠砂抗折強(qiáng)度隨溫度變化具有波動趨勢，未表現(xiàn)出隨溫度變化的相關(guān)性，采用冷水拌和的水泥膠砂抗折強(qiáng)度分布在7.5～8.2MPa之間，且部分溫度下抗折強(qiáng)度小于常溫水拌和的水泥膠砂強(qiáng)度；兩種拌和水溫下水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的趨勢也表現(xiàn)為不規(guī)律。試驗(yàn)中水泥膠砂試件均放置于養(yǎng)護(hù)箱，并浸潤于水中，當(dāng)水泥膠砂試件長期養(yǎng)護(hù)下（試驗(yàn)中為28d），水分子可運(yùn)動于試件中，使水泥充分水化。因此，不同拌和水溫、不同水泥使用溫度對水泥長期力學(xué)性能影響較小，水泥在工程實(shí)際使用時(shí)，通過對結(jié)構(gòu)物合理養(yǎng)護(hù)（如結(jié)構(gòu)表面覆以土工布，并定期灑水養(yǎng)護(hù)），也可以消除水泥不同使用溫度對結(jié)構(gòu)物長期力學(xué)性能的影響。

圖4 溫度對水泥3d力學(xué)性能的影響

圖5 溫度對水泥28d力學(xué)性能的影響

4 結(jié)語

通過對不同拌和水溫、不同使用溫度的水泥進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗(yàn)、水泥膠砂抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、水泥膠砂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）隨著水泥使用溫度升高，使用常溫水（17℃）和冷水（5℃）的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量都會增加，當(dāng)使用冷水時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相對要小，因此在一些工期緊張的項(xiàng)目中，由于急需使用水泥而水泥無法降至合理出罐溫度，或在寒區(qū)工程中地下水溫較低時(shí)，采用冷水拌和的方式可避免拌和物過于干燥。

（2）隨著水泥使用溫度升高，使用常溫水（17℃）和冷水（5℃）拌和的水泥膠砂3d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度都會隨之降低，但采用冷水拌和試件其強(qiáng)度明顯高于常溫水拌和試件強(qiáng)度，在一些對水泥早期力學(xué)性能要求較高的工程中，如隧道二次襯砌施工中，在水泥出罐溫度較高時(shí)可采用冷水拌和確保結(jié)構(gòu)物早期強(qiáng)度符合要求。

（3）在水泥膠砂試件長期浸水養(yǎng)護(hù)條件下，水泥溫度、拌和用水溫度對試件長期（28d）力學(xué)性能影響不大，實(shí)際工程中可采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方法，保證結(jié)構(gòu)物的長期使用性能。