白色硅酸鹽水泥在大體積混凝土中的應(yīng)用研究*

楊 棟，曹長(zhǎng)偉，夏京亮，周永祥，王 偉，關(guān)青鋒

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013； 3.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引言

白色混凝土是采用白色硅酸鹽水泥、白色礦物摻合料、淺色骨料和不染色的外加劑配制而成的混凝土。其中，白色硅酸鹽水泥是指在白色硅酸鹽水泥熟料中加入適量的石膏和混合材料磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料。雖然對(duì)彩色混凝土有一定研究[1-2]，但關(guān)于白色混凝土的報(bào)道很少，夏江南，王國(guó)勛等[3-4]以池州長(zhǎng)江大橋主塔建設(shè)為例，研究了白色“皮膚”混凝土，認(rèn)為采用白色硅酸鹽水泥可配制工作性能良好、力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求的白色混凝土。程智龍等[5]認(rèn)為白色透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水性間存在對(duì)立關(guān)系，水膠比為0.32，設(shè)計(jì)孔隙率為15% 時(shí)，混凝土的綜合性能最佳。

綜上，目前白色混凝土研究主要集中在其配制、工作性能和力學(xué)性能等方面，缺乏對(duì)白色大體積混凝土水化熱和絕熱溫升的討論。大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸≥1m的大體量混凝土，大體積混凝土內(nèi)部易因水泥水化產(chǎn)生大量熱量，形成溫度梯度，使混凝土產(chǎn)生裂縫[6-7]?？瓶频洗髽蛑魉儆诖篌w積混凝土，由于科特迪瓦當(dāng)?shù)鼗炷翐胶狭蠀T乏，白色大體積混凝土應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)少，溫度控制難度大。本文通過研究水化熱、絕熱溫升、匹配養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度等，探討白色硅酸鹽水泥在大體積混凝土中的應(yīng)用，為科科迪大橋混凝土質(zhì)量提供技術(shù)支持，同時(shí)推進(jìn)白色混凝土在工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

科科迪大橋位于科特迪瓦阿比讓市Cocody灣，主線總長(zhǎng)約1.63km，包含1座全長(zhǎng)630m、主跨200m的鋼槽梁?jiǎn)嗡崩瓨?；主引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋，全長(zhǎng)258.15m；主線路基長(zhǎng)710m；B匝道含4條支線，其中B5匝道為預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，全長(zhǎng)147.5m；A，C匝道路基線路共長(zhǎng)3.7km。主跨斜拉橋塔高108.6m，混凝土用量約3.2萬m3，根據(jù)科科迪橋?qū)Ｓ眉夹g(shù)條款CCTP1.3.7要求，索塔需采用初步設(shè)計(jì)單位選擇的白色混凝土，如圖1所示。該工程地處西非中心科特迪瓦首都和經(jīng)濟(jì)中心阿比讓市，影響力大，為地標(biāo)性工程，不僅對(duì)實(shí)體質(zhì)量要求高，對(duì)外觀質(zhì)量要求更高，旨在打造藝術(shù)品景觀橋，因此，白色混凝土質(zhì)量對(duì)工程質(zhì)量起決定性作用。

圖1 科特迪瓦科科迪大橋

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

1)白色硅酸鹽水泥 CEMⅠ52.5，白度91，初凝時(shí)間172min，終凝時(shí)間270min，比表面積410m2/kg， 3，28d抗壓強(qiáng)度分別為36.5，61.8MPa，密度為3.08g/cm3。

2)普通水泥 P·O52.5水泥，初凝時(shí)間235min，終凝時(shí)間310min，比表面積385m2/kg，3，28d抗壓強(qiáng)度分別為31.5，62.3MPa，密度為2.99g/cm3。

3)礦粉 日本進(jìn)口白色礦粉，白度87，密度2.81g/cm3，比表面積405m2/kg，7，28d活性指數(shù)分別為83%，102%，流動(dòng)度比為98.3%。

4)砂 科特迪瓦當(dāng)?shù)睾由?，?xì)度模數(shù)為2.5。

5)碎石 項(xiàng)目部自產(chǎn)5～25mm碎石，巖性為片麻巖，顏色較淺。

6)減水劑 西卡聚羧酸高性能減水劑，含固量21.3%，減水率27.5%。

2.2 試驗(yàn)方法

1)水化熱試驗(yàn) 分別測(cè)量純白色硅酸鹽水泥(WC)、普通水泥(PC)、70%白色硅酸鹽水泥+30%礦粉(WCF)的水化放熱速率和水化熱。采用TAM Air等溫微量熱儀進(jìn)行水化熱試驗(yàn)。TAM Air通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證溫度的穩(wěn)定，波動(dòng)在±0.02K，測(cè)量膠凝材料水化140h的放熱速率及放熱量，水化溫度為298K，膠凝材料配合比如表1所示。

表1 水化熱試驗(yàn)?zāi)z凝材料配合比

2)絕熱溫升試驗(yàn) 試驗(yàn)混凝土配合比如表2所示，膠凝材料體系設(shè)置純白色硅酸鹽水泥(WC-1)、70%白色硅酸鹽水泥+30%礦粉(WC-2)、70%普通硅酸鹽水泥+30%礦粉(PC-1)，水膠比為0.33，膠凝材料用量484kg/m3，礦物摻合料占膠凝材料總量的30%。試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制混凝土溫度，混凝土進(jìn)入絕熱溫升測(cè)試桶時(shí)的溫度約為17℃，采用ATC/JR-50L型混凝土絕熱溫升測(cè)試儀測(cè)定。

表2 試驗(yàn)混凝土配合比 kg·m-3

3)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，測(cè)試齡期為3，7，28，56d。

2.3 混凝土匹配養(yǎng)護(hù)

根據(jù)表2配合比成型混凝土試件，收面后覆蓋塑料薄膜防止失水，連模具一起放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱溫度根據(jù)試驗(yàn)混凝土絕熱溫升調(diào)整，匹配養(yǎng)護(hù)后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同膠凝材料體系水化熱

水膠比為0.4的情況下，不同膠凝材料體系水化放熱速率和放熱量試驗(yàn)曲線如圖2所示。

圖2 不同膠凝材料體系水化放熱速率和放熱量試驗(yàn)曲線

由圖2a可知，純白色硅酸鹽水泥存在一個(gè)水化放熱速率高的尖銳鋒，時(shí)間大約在加水后的5～10h，加入30%礦粉后水化放熱速率高的尖銳鋒消失，水化放熱速率曲線相對(duì)平緩，說明加入礦粉減緩了白色硅酸鹽水泥的放熱速率。白色硅酸鹽水泥水化放熱速率在11h左右時(shí)出現(xiàn)第3放熱峰，這可能是由于該膠凝材料體系中的石膏已消耗完畢，鈣礬石(AFt)向單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)轉(zhuǎn)化所引起，從這個(gè)角度分析白色硅酸鹽水泥中石膏量相對(duì)較少，這也是其水化放熱速率較快的原因之一；從凝結(jié)時(shí)間上也可印證這一現(xiàn)象，白色硅酸鹽水泥初凝時(shí)間為172min，比普通水泥初凝時(shí)間235min早了63min。另外，雖然水化早期白色硅酸鹽水泥水化放熱速率較快，但在約13h后普通水泥放熱速率一直比白色硅酸鹽水泥高。由圖2b可知，水化早期白色硅酸鹽水泥水化放熱量較高，但約35h后較普通水泥水化放熱量低。

復(fù)合膠凝材料水化熱試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 復(fù)合膠凝材料水化熱試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，30%磨細(xì)礦渣粉摻入可降低白色硅酸鹽水泥放熱速率，推遲最大放熱速率出現(xiàn)時(shí)間，純白色硅酸鹽水泥最大放熱速率為13.82J/(g·h)， 時(shí)間為加水后的7.6h；70%白色硅酸鹽水泥+30%磨細(xì)礦渣粉組最大放熱速率為8.32J/(g·h)， 時(shí)間為11.7h，最大放熱速率降低約40%，出現(xiàn)時(shí)間推遲4.1h。加入礦粉在各測(cè)試齡期均能降低水化放熱量，WCF組各齡期累積水化放熱量較純WC組分別下降了15.6%，14.5%，13.4%，13.4%，14.0%，14.6%。出現(xiàn)上述規(guī)律的原因可能為：①摻入礦粉能延長(zhǎng)白色硅酸鹽水泥的水化誘導(dǎo)期，使摻入礦粉組水化放熱速率降低，最大放熱速率出現(xiàn)時(shí)間延遲；②摻入礦粉降低了參與水化的水泥量，但礦粉可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，放出一定量的水化熱。PC組1，2，3，4，5，6d累積水化放熱量分別為124.7，210.4，243.1，265.7，282.5，295.4J/g，較WC組分別高-18.8%，3.9%，7.6%，9.6%，10.4%，10.6%。綜上，白色硅酸鹽水泥與普通水泥相比，開始水化反應(yīng)早，水化速度快，水化放熱速率高，但最終水化放熱量低。

WCF組放熱量與WC組放熱量的關(guān)系如圖3所示。兩者線性相關(guān)，直線擬合優(yōu)度>99%。

圖3 WCF組放熱量與WC組放熱量的關(guān)系

3.2 不同膠凝材料體系混凝土絕熱溫升

不同膠凝材料體系混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同膠凝材料體系混凝土絕熱溫升

由圖4可知，白色硅酸鹽水泥混凝土和普通水泥混凝土一樣，絕熱溫升最活躍的時(shí)期均為混凝土澆筑最初的24h，溫度基本呈線性增長(zhǎng)規(guī)律，之后溫度增長(zhǎng)速率逐漸變緩，混凝土澆筑48h后，絕熱溫升逐漸趨于穩(wěn)定。因此，對(duì)于白色硅酸鹽水泥大體積混凝土，從開始澆筑到48h是溫度控制的關(guān)鍵時(shí)期，白色硅酸鹽水泥混凝土施工時(shí)應(yīng)特別關(guān)注前48h的溫度上升情況，并采取有效措施降低溫峰和推遲溫峰出現(xiàn)時(shí)間。同時(shí)，在這一溫控關(guān)鍵期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土表面的保護(hù)，避免因氣溫驟降引起混凝土表面急劇降溫，導(dǎo)致混凝土內(nèi)、外部產(chǎn)生較大的溫度梯度，溫度應(yīng)力增大，從而產(chǎn)生溫度裂縫。

摻入30%磨細(xì)礦渣粉可有效降低白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升速度和最終絕熱溫升溫度，摻入30%磨細(xì)礦渣粉混凝土在1，2，3，5d絕熱溫升溫度分別為59.0，64.3，65.8，67.5℃，較純白色硅酸鹽水泥混凝土1，2，3，5d絕熱溫升溫度63.6，67.8，69.2，71.0℃分別降低了7.2%，5.2%，4.9%，4.9%，說明摻入礦粉作為礦物摻合料可在一定程度上降低白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升，從而降低白色硅酸鹽水泥混凝土出現(xiàn)溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)對(duì)比普通水泥混凝土和白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升，2種混凝土分別摻入了30%磨細(xì)礦渣粉。白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升比普通水泥混凝土上升更快，最終絕熱溫升溫度相差不大，普通水泥混凝土1，2，3，5d絕熱溫升溫度分別為53.7，62.6，64.5，67.0℃，較白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升溫度分別低9.0%，2.6%，2.0%，0.7%。這與2種水泥水化熱對(duì)比情況類似，白色硅酸鹽水泥開始水化反應(yīng)早，水化放熱速率高，但最終水化放熱量低，2種混凝土最終絕熱溫升相差不大，可能是由于礦粉在白色硅酸鹽水泥混凝土中二次水化放熱相對(duì)較少造成的。

3.3 匹配養(yǎng)護(hù)對(duì)白色混凝土強(qiáng)度的影響

采用匹配養(yǎng)護(hù)不同膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度曲線如圖5所示。

圖5 不同膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

由圖5可知，3組混凝土抗壓強(qiáng)度在早期增長(zhǎng)較高，3d齡期之后強(qiáng)度增長(zhǎng)速度迅速放緩。就白色硅酸鹽水泥混凝土而言，摻入30%磨細(xì)礦渣粉的復(fù)合膠凝材料配制的混凝土在匹配養(yǎng)護(hù)條件下3，7，28d齡期抗壓強(qiáng)度均超過純白色硅酸鹽水泥混凝土，56d齡期時(shí)略低于純白色硅酸鹽水泥混凝土，其中3d齡期時(shí)WC-2組抗壓強(qiáng)度達(dá)到63.5MPa，超過WC-1組5.0%。這主要是因?yàn)槠ヅ漯B(yǎng)護(hù)條件是模擬大體積混凝土內(nèi)部溫度情況，養(yǎng)護(hù)溫度變化與圖5中的溫度曲線基本一致，可見在混凝土成型早期施加了逐漸升高的溫度養(yǎng)護(hù)，直至溫度升至接近70℃時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，雖然礦粉的反應(yīng)活性低于水泥熟料，但高溫養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)復(fù)合膠凝材料體系中的礦粉起到明顯的熱激發(fā)作用，極大地提高其早期反應(yīng)程度，增加水化產(chǎn)物量，使?jié){體結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度更高；較高的溫度養(yǎng)護(hù)同樣能提高水泥的早期反應(yīng)速率，但水化早期迅速反應(yīng)生成的大量凝膠會(huì)包覆在水泥顆粒表面阻礙其進(jìn)一步水化，降低后期水化反應(yīng)程度；另外，高溫條件下水泥早期迅速生成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松[8-9]，也是其抗壓強(qiáng)度低于摻入礦粉混凝土的原因。

PC-1組和WC-2組混凝土在各齡期抗壓強(qiáng)度均相差不大，3d齡期時(shí)PC-1組抗壓強(qiáng)度為64.5MPa，比WC-2組大1MPa，而56d齡期時(shí)PC-1組抗壓強(qiáng)度為72.4MPa，比WC-2組小1.2MPa。這主要是由于2種混凝土配合比一致，僅水泥種類不同，2種水泥28d抗壓強(qiáng)度相差不大，在匹配養(yǎng)護(hù)條件下，高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥水化的促進(jìn)作用也基本相當(dāng)。

匹配養(yǎng)護(hù)條件下不同膠凝材料體系混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度曲線如圖6所示。

圖6 不同膠凝材料體系混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度曲線

由圖6可知，2組白色硅酸鹽水泥配制的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度相差不大，主要原因和抗壓強(qiáng)度的影響一致，雖然礦粉的水化活性比水泥低，但匹配養(yǎng)護(hù)條件下的高溫使礦粉活性得到很大的發(fā)揮，彌補(bǔ)了其活性的不足。對(duì)比PC-1，WC-2組可以看出，普通水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度在各齡期均略低于白色硅酸鹽水泥混凝土，在對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)上，白色硅酸鹽水泥表現(xiàn)更好。

采用WC-2組分析其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，如圖7所示。兩者呈線性相關(guān)，直線擬合優(yōu)度為91.5%，相關(guān)性較好，白色硅酸鹽水泥混凝土抗壓強(qiáng)度約是劈裂抗拉強(qiáng)度的14倍。

圖7 白色硅酸鹽水泥混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)語

1) 摻入30%磨細(xì)礦渣粉可降低白色硅酸鹽水泥放熱速率，推遲最大放熱速率出現(xiàn)時(shí)間；白色硅酸鹽水泥與普通水泥相比，開始水化反應(yīng)早，水化速度快，水化放熱速率高，但最終水化放熱量低。

2) 摻入30%磨細(xì)礦渣粉可有效降低白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升速度和最終絕熱溫升溫度；白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升比普通水泥混凝土上升更快，最終絕熱溫升溫度相差不大。

3)匹配養(yǎng)護(hù)對(duì)復(fù)合膠凝材料體系中礦粉具明顯的熱激發(fā)作用，可提高其早期反應(yīng)程度，摻入30%磨細(xì)礦渣粉復(fù)合膠凝材料配制的混凝土在匹配養(yǎng)護(hù)條件下早期抗壓強(qiáng)度超過純白色硅酸鹽水泥混凝土；白色硅酸鹽水泥混凝土抗壓強(qiáng)度約是劈裂抗拉強(qiáng)度的14倍。