中低熱水泥與普硅水泥性能對(duì)比研究

酈 亮 潘 利 陸 幸 王育江 徐 文

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000 ；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 21 1103）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的興起，混凝土由于其成本低、強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為橋梁、隧道、鐵路、水利等大型工程建設(shè)中不可或缺的材料。水泥作為混凝土中主要的膠凝材料，其性能關(guān)系到混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性等多個(gè)方面?；炷翉?qiáng)度隨著水泥水化進(jìn)行不斷增長(zhǎng)，水泥水化過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，尤其是大體積混凝土，水泥水化放熱過程不容忽視，直接影響著混凝土抗裂性和耐久性[1]。為降低水泥混凝土水化放熱帶來的開裂風(fēng)險(xiǎn)，具有更低水化熱的中低熱水泥使用日益廣泛，尤其是在水工混凝土中。中熱硅酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱中熱水泥）具有強(qiáng)度高、中等水化熱、低干縮率等特性，已在三峽、溪洛渡、向家壩、錦屏等大型水電工程中的大壩混凝土中得到部分應(yīng)用[2～5]；低熱硅酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱低熱水泥）具有延緩最大溫升時(shí)間、延長(zhǎng)初凝及終凝時(shí)間，體積穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，瀑布溝、向家壩、白鶴灘、猴子巖等水電站采用低熱水泥均取得了良好的應(yīng)用效果[6～8]。

中低熱水泥由于其材料特殊性及性能優(yōu)越性，已經(jīng)成功應(yīng)用于多項(xiàng)工程，但目前主要集中在以水電為主的大型水利工程中，對(duì)于橋梁、隧道、市政等工程應(yīng)用相對(duì)較少。因此，系統(tǒng)研究中低熱水泥與普通硅酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱普硅水泥）的性能對(duì)混凝土影響規(guī)律，對(duì)于合理選用水泥品種、提升工程質(zhì)量具有重要意義。

1 水泥組成成分

普硅水泥、中熱水泥、低熱水泥的水化熱不同主要原因是其組成成分不同，硅酸鹽水泥熟料主要包括C3S、C2S、C3A、C4AF 四種礦物，C3S 和C2S水化形成的C-S-H 凝膠是水泥漿體產(chǎn)生強(qiáng)度的主要來源，C3S 和C2S 約占水泥熟料的70%～80%，其中，C3S 具有水化速率快、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而C2S 具有水化速率慢、水化熱低、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高等特點(diǎn)，因此不同品種水泥一般會(huì)在主要礦物含量有著較大的區(qū)別。試驗(yàn)選用海螺水泥廠42.5 普硅水泥、峨勝水泥廠42.5 中熱水泥、嘉華水泥廠42.5 低熱水泥，采用X 射線衍射分析（XRD）測(cè)試三種水泥的主要礦物組成，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 普硅、中熱、低熱水泥主要礦物組成（%）

由試驗(yàn)結(jié)果知，普硅、中熱、低熱水泥中C3S 含量依次降低，分別為51.5%，43.5%、32.9%；而C2S 含量則依次增加，普硅、中熱、低熱水泥分別為21.4%、27.1%、40.9%；C3A 是水泥組成中水化速率最快的組分，因此C3A 含量也會(huì)直接影響水泥早期水化速率和水化放熱量，普硅水泥中C3A 含量為6.4%，而中低熱水泥含量均低于1.0%，有利于減少早期水化放熱。此外，XRF 測(cè)試結(jié)果表明，中熱、低熱水泥中的MgO 含量比普硅水泥高，這是因?yàn)樵谒ご髩蔚炔课皇褂玫闹械蜔崴嗤ǔ饺胍欢康腗gO，以提高混凝土的微膨脹性能，減少后期開裂[7]。

2 水泥水化熱

水化熱是大體積混凝土膠凝材料的重要性能指標(biāo)之一，不同品種水泥的礦物組成不同，而不同礦物的水化放熱過程也存在較大的差別。水泥水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是混凝土早期裂縫形成的重要原因，直接影響混凝土的抗裂性能。

采用等溫量熱法測(cè)試三種不同品種水泥的水化放熱過程，該方法可對(duì)反應(yīng)中熱焓變化率進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，能非常精確地測(cè)試水泥水化放熱量及放熱速率，完整描述水泥水化過程。試驗(yàn)儀器為TAM Air 熱導(dǎo)式等溫量熱儀，恒溫裝置溫度波動(dòng)控制在±0.02℃，測(cè)量溫度范圍為5～90℃，檢測(cè)限4μW。普硅、中熱、低熱水泥微量熱試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 普硅、中熱、低熱水泥放熱量

由圖1 三種水泥水化熱分析結(jié)果可知，相同時(shí)間內(nèi)普硅水泥、中熱水泥、低熱水泥水化放熱量依次降低，中熱水泥和低熱水泥在1d 內(nèi)放熱量區(qū)別不大，后期低熱水泥水化熱低于中熱水泥水化熱。GB/T 200-2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》中對(duì)中熱水泥和低熱水泥3d、7d 水化熱進(jìn)行規(guī)范要求，測(cè)試三種水泥3d、7d 水化熱結(jié)果及規(guī)范要求（水泥強(qiáng)度等級(jí)42.5）如表2 所示，中熱水泥和低熱水泥3d 水化熱分別為普硅水泥78.3%、66.6%，7d 水化熱分別為普硅水泥84.1%、67.4%。

表2 不同水泥水化熱（J/g）

圖2 為三種水泥水化速率測(cè)試結(jié)果，早期普硅水泥放熱速率增長(zhǎng)最快、中熱水泥次之、低熱水泥最慢，由試驗(yàn)結(jié)果可知，普硅水泥最大放熱速率為3.31×10-3W/g，低熱水泥最大放熱速率為1.76×10-3W/g，約為普硅水泥的53%。普硅水泥和中熱水泥出現(xiàn)最大放熱速率時(shí)間基本相同，低熱水泥出現(xiàn)最大放熱速率時(shí)間較普硅水泥和中熱水泥晚4～5h，說明低熱水泥放熱速率更小、早期放熱更加緩慢。

圖2 普硅、中熱、低熱水泥放熱速率

從不同品種水泥微量熱測(cè)試結(jié)果來看，中低熱水泥較普硅水泥不僅早期水化放熱量更低，放熱速率也更小，尤其是低熱水泥具有放熱量低、放熱速率小的特點(diǎn)，因此中低熱水泥成為了一些重大工程中溫控要求嚴(yán)格的混凝土的重要原材料。

3 水泥混凝土性能

普硅、中熱、低熱水泥由于其組成、水化熱等性能特點(diǎn)不同，不同品種水泥配制的混凝土各項(xiàng)性能也會(huì)存在差異。以某水工工程C50（180d 齡期）混凝土配合比為例，分別采用普硅水泥、中熱水泥、低熱水泥三種水泥進(jìn)行混凝土制備，并測(cè)試相關(guān)性能，表中三組混凝土除水泥品種外，其余材料及用量均相同，配合比如表3 所示。其中，粉煤灰為I 級(jí)粉煤灰，人工砂細(xì)度模數(shù)為2.7，小石為5～20mm 人工碎石，大石為20～40mm 人工碎石，外加劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑PCA-I。

表3 混凝土配合比（kg/m3）

3.1 抗壓強(qiáng)度

某些重大工程為降低結(jié)構(gòu)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)選擇降低水泥用量或者選用水化放熱更低的水泥，但前提是混凝土強(qiáng)度必須滿足設(shè)計(jì)要求。中、低熱水泥相比于普硅水泥，在材料組成、水化過程上存在著區(qū)別，因此不同品種水泥所配制的混凝土強(qiáng)度發(fā)展也會(huì)有所不同。普硅、中熱、低熱水泥混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，由試驗(yàn)結(jié)果可知，普硅水泥混凝土28d 前強(qiáng)度發(fā)展較快，后期增長(zhǎng)緩慢，而中熱和低熱水泥混凝土前期強(qiáng)度增長(zhǎng)稍慢，90d、180d 強(qiáng)度仍在持續(xù)增長(zhǎng)。28d 普硅、中熱、低熱水泥混凝土抗壓強(qiáng)度分別為47.5Mpa、42.3Mpa、37.4Mpa；90d 齡期時(shí)，中熱水泥和普硅水泥強(qiáng)度基本相同，低熱水泥強(qiáng)度為普硅水泥的93%；180d 齡期時(shí)，中熱水泥和低熱水泥強(qiáng)度均高于普硅水泥，尤其是低熱水泥，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大。

表4 不同品種水泥混凝土抗壓強(qiáng)度

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，中熱水泥和低熱水泥制備混凝土?xí)r，早期強(qiáng)度一般發(fā)展較為緩慢，后期強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，因此采用中熱水泥或低熱水泥時(shí)，建議采用90d 或180d 齡期的強(qiáng)度作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2 混凝土熱學(xué)性能

絕熱溫升是衡量混凝土水化放熱產(chǎn)生溫升的重要指標(biāo)，特別是大體積混凝土對(duì)這一熱物理性能更加重視。依據(jù)DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，采用混凝土絕熱溫升儀對(duì)表5 中配合比進(jìn)行普硅、中熱、低熱水泥混凝土絕熱溫升試驗(yàn)。

絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，由圖可知，普硅水泥早期溫升速率較快，7d 后基本趨于平穩(wěn)；中熱水泥早期溫升速率比普硅水泥稍低，低熱水泥早期溫升速率最低，溫升曲線趨于平緩所需時(shí)間更長(zhǎng)。普硅水泥、中熱水泥、低熱水泥3d 絕熱溫升值分別為34.26℃、24.41℃、15.47℃，7d 絕熱溫升值分別為44.08℃、39.83℃、29.47℃，28d 絕熱溫升值中熱水泥比普硅水泥低2.3℃，低熱水泥比普硅水泥低4.36℃。從試驗(yàn)結(jié)果來看，相同配合比條件下，中低熱水泥比普硅水泥具有較低的早期絕熱溫升速率和最大溫升值，低熱水泥混凝土早期溫升速率更小、最大絕熱溫升值更低，對(duì)于降低大體積混凝土溫升值較為有利。

圖3 普硅、中熱、低熱水泥混凝土絕熱溫升

3.3 混凝土體積穩(wěn)定性

混凝土自收縮變形是表征混凝土體積穩(wěn)定的重要指標(biāo)，控制混凝土自收縮的能夠降低實(shí)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮裂縫，進(jìn)而降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。分別對(duì)普硅、中熱、低熱水泥混凝土進(jìn)行自收縮變形試驗(yàn)，自收縮試件尺寸為150mm×400mm，每組測(cè)試3 個(gè)試件變形取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示：

圖4 普硅、中熱、低熱水泥混凝土自生體積變形

試驗(yàn)結(jié)果表明，三組混凝土自收縮變形均為持續(xù)收縮，普硅水泥混凝土收縮值從早期開始大于中低熱水泥混凝土，中熱水泥和低熱水泥混凝土早期（28d 前）收縮變形基本相同，后期中熱水泥混凝土率大于低熱水泥。普硅、中熱、低熱水泥混凝土14d 變形值分別為-35.3με、-19.63με、-19.5με，28d 變形值分別為-75.3με、-43.25με、-42.25με，90d 產(chǎn)生變形值分別為-101.8με、-67με、-55.25με。由變形結(jié)果可知，普硅水泥混凝土產(chǎn)生的自收縮變形較中低熱水泥大，中低熱水泥混凝土收縮較小，且后期收縮變形趨于穩(wěn)定，體積穩(wěn)定性較普硅水泥混凝土要好。

4 結(jié)論

通過對(duì)普硅水泥、中熱水泥及低熱水泥的材料組成和熱力學(xué)性能的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）中低熱水泥比普硅水泥水化過程中放熱量低、放熱速率小，7d 水化熱分別為普硅水泥84.1%、67.4%；尤其是低熱水泥早期放熱速率更為緩慢，低熱水泥最大放熱速率約為普硅水泥的53%。

（2）普硅水泥混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快，28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到180d 強(qiáng)度的85%以上，低熱水泥早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，至后期（90d 或180d）強(qiáng)度達(dá)到甚至超過普硅水泥混凝土的強(qiáng)度，因此使用中低熱水泥的混凝土建議使用90d 或180d 齡期的強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（3）中低熱水泥混凝土早期溫升相對(duì)緩慢，相較與普硅水泥混凝土，中熱水泥28d 絕熱溫升值降低約2.3℃，低熱水泥28d 絕熱溫升值降低約4.36℃，且中低熱水泥混凝土自收縮變形比普硅水泥混凝土小，體積穩(wěn)定性更好。因此熱學(xué)性能和體積穩(wěn)定性良好的中低熱水泥在大體積混凝土中應(yīng)用具有廣闊的前景。