不同石粉含量對水工混凝土絕熱溫升的試驗研究

陳業廣

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

0 引 言

隨著混凝土材料的廣泛而大量的使用，為緩解天然砂石料稀缺問題越來越多的工程使用人工砂配制混凝土[1]。然而，在人工砂制備過程中生產系統必然會產生許多的石粉，而這些細顆粒(粒徑<0.16mm)對混凝土耐久性、體積穩定性和力學性能等都會帶來極大影響[2-5]。目前，對人工砂中的石粉含量各行業標準規定了不同范圍，如《人工混凝土施工規范》規定水利水電工程領域人工砂石粉含量不宜超過6%-18%，但實際使用時的石粉含量一般都超過該標準。為了減少石粉含量，工業生產一般選用風選收塵或水洗法除去石粉，該過程不僅會造成砂資源的浪費以及原有顆粒級配的破壞，而且會導致生態環境的破壞和企業生產負擔的加重[6-7]。

因此，為解決混凝土各項性能受人工砂中石粉含量的影響問題，國內諸多學者通過室內試驗做了大量研究，并取得豐碩的成果[8-10]。然而，現有文獻大多側重于結構的宏微觀變化和混凝土力學模型研究，未能解釋混凝土絕熱溫升隨不同石粉含量的變化機制，特別是人工砂石粉含量較高時對混凝土溫升變化速率及其內部溫升峰值大小的規律。鑒于此，試驗以灰巖人工砂為研究對象，為獲取超規范規定的高石粉含量人工砂將一定量的石粉摻入原級配人工砂中，探討混凝土絕熱溫升隨不同石粉含量的變化特征，旨在為合理擬定大體積混凝土現場澆筑方案提供一定技術和數據支持。

1 試驗方法

1.1 原材料性能

1)水泥。試驗選用渾河P·MH 42.5級中熱硅酸鹽水泥，經檢測各項性能指標均符合標準要求，結果見表1。

表1 水泥基本性能

續表1 水泥基本性能

2)粉煤灰。以綏中發電有限責任公司生產的Ⅰ級粉煤灰作為礦物摻合料，各性能指標符合Ⅰ級標準要求，檢測結果見表2。

表2 粉煤灰基本性能

3)粗細骨料。粗骨料選用石粉含量可忽略不計的普通碎石，各項性能指標均符合標準要求，檢測結果見表3。細骨料選用灰巖碎石經砂石生產系統破壞而成的人工砂，原級配人工砂中石粉含量用激光粒子分布儀檢測，結果顯示原含量為15%；另外，以外摻的方式將細網篩分得到的適量純石粉摻入原人工砂中，從而獲取石粉含量達到30%的人工砂，物理性能檢測結果見表3。

表3 粗、細骨料基本性能

4)外加劑。試驗選用蘇博特PCA-9聚羧酸高性能減水劑和GYQ-Ⅲ引入氣泡性能穩定的高效引氣劑，各項性能指標符合標準要求，見表4。

表4 外加劑基本性能

續表4 外加劑基本性能

1.2 試驗配合比

1)混凝土配合比。采用二級配C30混凝土進行絕熱溫升試驗，細骨料石粉含量為15%、30%兩種，在不改變外加摻量、水膠比以及砂率等參數的情況下，設計要求拌合物坍落度160-200mm，經多次試配確定試驗配合比見表5。

表5 混凝土配合比

2)絕熱溫升試驗方法。絕熱溫升試驗嚴格執行《水工混凝土試驗規程》，試驗儀器和設備選用JRWS-6A熱物理性能綜合測試系統、圓臺形不銹鋼桶成型裝置。試驗流程：①為保證混凝土拌合用料溫度與室溫相同，試驗正式開始前24h將其放置20℃+5℃室內環境；②試驗時要全面檢查相關設備，并將高于室溫25℃-30℃的水倒入容器內，保持容器上邊沿距離水面約2cm，之后立即移至絕熱室內；③根據試驗配合比配制混凝土并測定拌合物溫度，按上下兩層把拌合物依次裝入容器，振搗密實，該過程中還要將石英玻璃測溫管埋入容器中心，管內裝入適量液壓油并蓋上容器上蓋密封，控制以上操作時間不超過30min；④在絕熱室內利用系統設備進行測試，輸入有關參數并在測溫管內裝入溫度傳感器開始試驗。試驗過程中，控制試樣中心溫度與絕熱室溫度相差不超過±0.1℃，溫度記錄頻次為0.5h/次。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試驗探討了15%(C30-Ⅰ)和30%(C30-Ⅱ)兩種石粉含量人工砂對混凝土絕熱溫升的影響，見圖1?？紤]到各組數據在試驗開展240h后逐漸趨于穩定，因此僅列舉了240h前的試驗數據進行分析。

(a)絕熱溫升曲線 (b)絕熱溫升變化率曲線

從圖1可以看出，前20h內摻不同石粉的混凝土水化放熱均較小，溫度升高5℃左右；水化放熱量在試驗開展20h-100h時段快速增大，溫度升高約35℃；試驗開展100h后，混凝土放熱不斷減少且溫升曲線逐漸穩定。總體而言，摻15%石粉含量的混凝土絕熱溫升值略高于摻30%的試樣。從絕熱溫升變化率開始急劇增大時間上低石粉含量的C30-Ⅰ較高石粉含量的C30-Ⅱ提前了近4h，并且變化率峰值出現時間也提前了近4h。考慮試驗配合比數據，石粉含量較低的C30-Ⅰ單方水泥用量較石粉含量較高的C30-Ⅱ多。因此，時間相同條件下，其水泥礦物參與水化的數量就較多，水化放熱量較多并使得混凝土絕熱溫升值較高，絕熱溫升峰值達到時間相對較早[11-12]。

2.2 理論計算

絕熱溫升計算值是指水泥水化放熱在完全無熱損耗的理想狀態下全部轉化為溫升后的溫度值，美國學者提出混凝土歷時與絕熱溫升關系式，并廣泛應用于混凝土溫度場計算，其表達式如下：

T=T0(1-e-mt)

(1)

式中：T0為混凝土的絕熱溫升值，℃；e為比熱容，[kJ/(kg·℃)]，e=0.96×103[kJ/(kg·℃)]；m、t代表試驗的確定系數與時間。一般地，理論計算時以公式(1)為基礎，應用公式(2)計算含有礦物摻合料的混凝土絕熱溫升，即：

(2)

式中：T(t)代表混凝土在t齡期的絕熱溫升，℃；C為水泥和摻；F為物用量；k為折減系數，混凝土摻粉煤灰時取0.25；Q代表水泥水化熱(kJ/kg)；ρ代表混凝土密度，文中取2400kg/m3。

不同齡期不同石粉含量的混凝土絕熱溫升理論值利用公式(2)計算確定，并與實測結果對比分析，見表6。

表6 絕熱溫升實測值與計算值

不同石粉含量混凝土絕熱溫升誤差值與齡期的變化關系見圖2，結果顯示2條曲線保持基本相同的變化規律，實測值整體<計算值，并且兩者的誤差均隨混凝土齡期的增加逐漸增大。

圖2 混凝土絕熱溫升誤差值與齡期的關系

具體而言，混凝土絕熱溫升誤差值在齡期70h之前≤5℃，對于早期水化溫升模型具有較好的預測效果；齡期超過70h后誤差值快速增加，計算值與實測值誤差超出合理范圍，計算精度明顯下降。對比分析發現，C30-Ⅰ混凝土的絕熱溫升誤差總體>C30-Ⅱ，表明利用式(2)計算的絕熱溫升誤差并不會隨石粉含量的增加而擴大，對于計算預測高石粉含量混凝土溫升該模型具有較高的精度和可靠度[13-17]。

3 結 論

1)總體上，不同石粉含量的混凝土絕熱溫升具有相同的變化規律和趨勢，20h-100h齡期段是混凝土集中放熱期，該時段溫升速度較快，其他時段的放熱較少且溫升較慢。

2)在強度等級不變的情況下，通過調整原材料摻量、引氣劑、減水劑等技術措施優化混凝土配合比，適當增大人工砂石粉含量使水泥用量略有減少，能夠有效延緩溫升峰值達到時間以及單方混凝土水化放熱總量，有利于防止大體積水工混凝土開裂以及絕熱溫升控制。

3)理論模型的溫升預測值>實測值，表明水泥用量減少使得理論計算的水化熱偏大，即摻入石粉后的水化熱計算值較高?；炷两^熱溫升誤差值在齡期70h之前≤5℃，對于混凝土絕熱溫升預測該理論模型均具有較好適用性與可行性。