水泥溫度對(duì)混凝土性能的影響研究

雷萬(wàn)康

（九江市粵鑫混凝土有限公司，江西 九江 332005）

0 前言

混凝土材料可模性好、強(qiáng)度和耐久性好，在工民建、交通工程、市政工程等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。混凝土質(zhì)量受原材料、配合比、施工方式等因素影響，其中作為主要膠凝材料的水泥質(zhì)量尤其重要[1]。當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施投資巨大，混凝土需求居高不下，導(dǎo)致水泥、砂石等原材料供應(yīng)緊張，導(dǎo)致入庫(kù)水泥來(lái)不及冷卻就被直接應(yīng)用到混凝土生產(chǎn)中。熱水泥由于儲(chǔ)存了較高的熱量，水化速率加快，往往會(huì)帶來(lái)混凝土需水量高、緩凝劑和外加劑摻量高且使用效率降低等問(wèn)題[2]，同時(shí)也增大了混凝土工程塑性開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)熱水泥帶來(lái)的影響重點(diǎn)關(guān)注。

本文研究了不同溫度的水泥對(duì)水泥及混凝土性能的影響，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)揭示熱水泥對(duì)水泥混凝土帶來(lái)的負(fù)面影響，以期為混凝土生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥為海螺 P·O42.5 水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。粉煤灰為 Ⅱ 級(jí)灰，需水比為 99%。

表1 試驗(yàn)水泥性能指標(biāo)結(jié)果

（2）試驗(yàn)用機(jī)制砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為 2.6，MB 值為 1.5，石粉含量為 10%。細(xì)砂為河砂，細(xì)度模數(shù)為 1.2，含泥量 2.0%。

（3）石子為碎石，連續(xù)級(jí)配，由 5～10mm 小石和 10～25mm 的大石按照一定比例混合而成，壓碎指標(biāo)為 9.0%。

（4）外加劑為聚羧酸高性能減水劑，含固 14%，推薦摻量為 1.0%，具體以實(shí)際生產(chǎn)為準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）將冷卻的水泥放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，并不定時(shí)測(cè)試水泥的溫度，獲得內(nèi)部溫度分別為 30℃、50℃、70℃、90℃、110℃ 的水泥。

（2）將水泥和水按照 0.4 的水灰比進(jìn)行制樣，采用美國(guó) TAM air 八通道微量熱儀進(jìn)行水泥水化熱的測(cè)定。

（3）水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時(shí)間測(cè)試參照 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）混凝土工作性能試驗(yàn)按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。混凝土抗壓強(qiáng)度參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，成型 100mm×100mm×100mm 立方體試塊，24h 后拆模，測(cè)試設(shè)定養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度。

（5）試驗(yàn)混凝土配合比：以 C30 為例，混凝土配合比及各原材料用量見(jiàn)表2。

表2 C30 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水泥溫度對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

將不同溫度的水泥加水拌和，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，結(jié)果見(jiàn)表3 和圖1。

表3 不同溫度水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

從表3 和圖1 可以看出，水泥溫度升高，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越高，溫度為 110℃ 的水泥比 30℃ 的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加超過(guò) 8%，熱水泥需水量顯著提高。溫度越高，水泥熟料礦物的反應(yīng)越活躍，水泥水化速率提高，對(duì)水分的需求就越大。

2.2 水泥溫度對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

凝結(jié)時(shí)間是混凝土重要的施工指標(biāo)之一，保持合適的凝結(jié)時(shí)間能夠有助于水泥水化和強(qiáng)度發(fā)展，降低水化熱。水泥溫度提高，熟料礦物水化加快，對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生一定影響。表4、圖2 為不同溫度的水泥凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果。

圖1 水泥溫度對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的影響

表4 溫度對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

圖2 不同溫度的水泥凝結(jié)時(shí)間

表4 和圖2 結(jié)果顯示，水泥溫度從 30℃ 增加至 110℃，水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都明顯縮短，且水泥入庫(kù)溫度越高，水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的間隔也相應(yīng)減少，用于施工時(shí)混凝土的凝結(jié)時(shí)間也會(huì)縮短。水泥的凝結(jié)是水泥礦物進(jìn)行復(fù)雜反應(yīng)均勻成核的過(guò)程，水泥溫度高，水泥水化反應(yīng)加快，水化熱增加[3]，又進(jìn)一步促進(jìn)了水泥進(jìn)一步水化，從而使得水泥水化生成硅酸鈣凝膠和鈣礬石等水化產(chǎn)物的數(shù)量增加，時(shí)間提前，水泥初凝和終凝時(shí)間都出現(xiàn)降低。

2.3 水泥溫度對(duì)水泥水化放熱速率的影響

水泥溫度高，參與反應(yīng)所需要突破的能壘較小，在水泥水化過(guò)程中能起到促進(jìn)作用[4]。對(duì)不同溫度的水泥 24h 水化放熱速率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。

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圖3 水泥溫度對(duì)水化放熱速率的影響

從圖3 結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水泥溫度較高，水泥水化周期提前，2h 以?xún)?nèi)隨著水泥溫度的提高，水泥水化速率加快，之后隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)，在 6～12h 水化反應(yīng)出現(xiàn)分化，常溫水泥反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物均勻分布，水泥顆粒突破反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)所需能量相對(duì)較低，二次反應(yīng)時(shí)間提前，高溫水泥由于前期反應(yīng)速率較快，生成的水化產(chǎn)物對(duì)后續(xù)水泥粉體顆粒形成堅(jiān)硬包裹，突破能壘進(jìn)行二次反應(yīng)的時(shí)間也要相應(yīng)推遲[5]。高溫水泥水化反應(yīng)較快，給混凝土凝結(jié)時(shí)間和保坍性能帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

2.4 水泥溫度對(duì)混凝土工作性能的影響

有些混凝土生產(chǎn)企業(yè)在水泥入庫(kù)后不經(jīng)冷卻均化就投入使用，這種情況在停產(chǎn)和限產(chǎn)時(shí)段更加常見(jiàn)。熱水泥會(huì)使得自身凝結(jié)時(shí)間縮短，對(duì)混凝土工作性能帶來(lái)負(fù)面影響。采用基準(zhǔn)配合比，調(diào)整外加劑摻量，使得出機(jī)混凝土擴(kuò)展度在 (580±10)mm，并測(cè)試混凝土 1h 經(jīng)時(shí)損失，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 水泥溫度對(duì) C30 混凝土工作性能的影響

表5 結(jié)果顯示，熱水泥會(huì)增加外加劑的用量，水泥溫度從 30℃ 提高至 110℃，達(dá)到相同混凝土流動(dòng)性的外加劑摻量從 2.0% 提高至 3.1%，熱水泥對(duì)外加劑的吸附顯著增加。水泥溫度增加又會(huì)顯著提高混凝土的坍落度損失，當(dāng)水泥溫度達(dá)到 110℃ 時(shí)，1h 混凝土擴(kuò)展度損失超過(guò) 30%。

2.5 水泥溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表6 和圖4 為以表2 混凝土配合比拌和出的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果。

表6 水泥溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 水泥溫度對(duì)各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 結(jié)果顯示，隨著水泥溫度增加，混凝土 3d 和 7d 抗壓強(qiáng)度增加，這是因?yàn)樗鄿囟雀撸嗨^快，生成較多的水化產(chǎn)物，使得水泥早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。但高溫水泥又會(huì)使得混凝土 28d 和 60d 強(qiáng)度降低，且溫度越高，混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度越低。熱水泥促進(jìn)水泥水泥速率，提高水泥早期強(qiáng)度的同時(shí)，后期由于熟料礦物降低，且生成的水化產(chǎn)物的不均勻分布[6]使得混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)乏力。

3 結(jié)論

（2）高溫水泥使得水泥水化反應(yīng)提前，反應(yīng)速率加快，給水泥混凝土凝結(jié)時(shí)間和保坍性能帶來(lái)負(fù)面影響。

（3）水泥溫度高，混凝土達(dá)到相同流動(dòng)性時(shí)，會(huì)增加外加劑的用量，且水泥溫度越高，混凝土坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失越快。

（4）隨著水泥溫度升高，水泥早期水化快，生成的水化產(chǎn)物增多，混凝土 3d 和 7d 強(qiáng)度有所增加， 28d 和 60d 強(qiáng)度增長(zhǎng)乏力。