水灰溫度對寒區水泥物理力學性能影響的試驗研究

肖歐輝，趙寧寧，蔣新雨，劉任，傅金陽

1 引言

隨著我國基礎建設規模的不斷擴大，水泥的消耗量也隨之增大，據中國產業信息網統計，2017年中國全年累計水泥產量達23.16億噸。目前工程建設用水泥在使用前均需貯藏在水泥罐中，規范[1]規定入罐溫度≯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性能下降，嚴重時可導致結構物開裂，因此有必要依據工程需要研究溫度對水泥物理力學性能的影響。

水泥溫度對拌和物早期物理力學性能影響，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、拋光斷面微觀結構和孔結構等微結構演變的影響，發現當環境溫度升高時，所生成的鈣礬石越易向單硫型水化硫鋁酸鈣轉變；韓方暉等[3]研究了溫度對水泥—礦渣復合膠凝材料硬化漿體微觀結構及凈漿和砂漿后期強度的影響，發現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律，發現溫度升高時（35℃、50℃）水化反應動力學主要由NG—D過程控制；楊永民[5]、張秀潔[6]、姜雅峰[7]等分別基于試驗研究了水泥溫度對標準稠度用水量、水泥試件強度的影響，發現隨著水泥溫度升高，水泥早期物理力學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性能的影響，并缺乏相應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目。項目隧道區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，實際測得水泥出罐使用溫度為52～73℃，所在寒區地下水水溫穩定在（5±1）℃。為了解施工階段中水泥溫度對早期物理力學性能的影響，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性能的影響，為工程項目建設提供參考。

2 原材料與試驗方法

2.1 試驗用原材料

試驗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，物理力學性能如表1所示，試驗用拌和用水為地下水，預先放置于試驗室，使水溫與環境溫度相同，水質指標如表2所示，符合規范要求。

2.2 試驗樣品制備

水泥物理力學性能主要包括標準稠度用水量、抗折強度和抗壓強度等。依據寒區工程水泥出罐使用溫度分布區間，本試驗所用水泥采用干燥烘箱將其分別加熱成20℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃六個溫度等級，模擬不同使用溫度時的水泥，采用冷藏室將水溫降至5℃、17℃兩個等級，模擬不同溫度時的拌和用水。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組，稱取500g水泥測試標準稠度用水量，用濕布擦拭攪拌鍋和葉片，先后倒入水與水泥，啟動攪拌機，低速攪拌、刮去葉片粘附水泥漿，高速攪拌后制得試樣；測試力學性能時，按照“水泥：標準砂：水=450g：1 350g：225ml”的配合比制備水泥膠砂，膠砂由行星攪拌機攪拌，倒入40mm×40mm×160mm試模振動成型，試體連模一起在標準養護箱中養護24h，隨后在水中養護至強度試驗，標準養護箱溫度為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性能

表2 拌和用水水質指標

2.3 試驗方法

普通硅酸鹽水泥P·O42.5測試標準稠度用水量時依據GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行，測試抗折強度、抗壓強度時依據規范GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）》進行，試驗中使用建儀NJ-160A水泥凈漿攪拌機、建儀JJ-5水泥膠砂攪拌機、建儀ZS-15型水泥膠砂振實臺、SBY-64B型水泥試件恒溫水養護箱、三宇HYE-300型微機電液伺服壓力試驗機、標準維卡儀、水泥膠砂試模、YPB10002型電子天平等，以上儀器設備均已經過檢定/校準，實驗室溫度為20±2℃，濕度＞50%。水泥物理及力學性能測試見圖2。

圖1 不同溫度下水泥及拌和用水制備

3 試驗結果及分析

3.1 溫度對標準稠度用水量的影響

水泥標準稠度用水量表征水泥凈漿的稠度，對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性都有一定影響[8]。拌和水溫影響的水泥標準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，隨著水泥出罐溫度的升高，達到標準稠度的水灰比也隨之增大，但使用常溫水時，80℃水泥比20℃水泥增加用水量達9.12%，使用冷水時，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℃時與常溫水拌和、水泥溫度為40℃時的標準稠度用水量相當；在水泥溫度均為20℃時，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，拌和水溫對標準稠度用水量影響較小，當水泥溫度升高、采用較低溫度拌和水時，可明顯降低水泥的標準稠度用水量。

表3 水-灰溫度組合下的試樣分組*

圖2 水泥物理及力學性能測試

圖3 溫度對水泥標準稠度用水量的影響

3.2 溫度對水泥早期力學性能的影響

抗折強度與抗壓強度是水泥力學性能的重要指標，本試驗所測定的不同溫度下水泥標準膠砂3d抗折強度、抗壓強度結果如圖4所示。由圖4a可以看出，當水泥溫度升高時，不同拌和水溫下水泥膠砂3d抗折強度均下降，但使用冷水拌和后抗折強度顯著高于對應溫度的常溫水拌和試件，在水泥溫度為80℃時，相對常溫水拌和，采用冷水拌和可使抗折強度增加8.3%，由圖4b可知抗壓強度也具有類似規律，在對水泥早期力學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水泥早期力學性能。

3.3 溫度對水泥長期力學性能的影響

在特定工程實踐中，對水泥長期力學性能的要求比較嚴格，本試驗所測定的不同溫度下水泥膠砂28d抗折強度、抗壓強度結果如圖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度隨溫度變化具有波動趨勢，未表現出隨溫度變化的相關性，采用冷水拌和的水泥膠砂抗折強度分布在7.5～8.2MPa之間，且部分溫度下抗折強度小于常溫水拌和的水泥膠砂強度；兩種拌和水溫下水泥膠砂的抗壓強度隨溫度變化的趨勢也表現為不規律。試驗中水泥膠砂試件均放置于養護箱，并浸潤于水中，當水泥膠砂試件長期養護下（試驗中為28d），水分子可運動于試件中，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性能影響較小，水泥在工程實際使用時，通過對結構物合理養護（如結構表面覆以土工布，并定期灑水養護），也可以消除水泥不同使用溫度對結構物長期力學性能的影響。

圖4 溫度對水泥3d力學性能的影響

圖5 溫度對水泥28d力學性能的影響

4 結語

通過對不同拌和水溫、不同使用溫度的水泥進行標準稠度用水量試驗、水泥膠砂抗折強度試驗、水泥膠砂抗壓強度試驗，對結果進行分析，得出如下結論：

（1）隨著水泥使用溫度升高，使用常溫水（17℃）和冷水（5℃）的水泥標準稠度用水量都會增加，當使用冷水時標準稠度用水量相對要小，因此在一些工期緊張的項目中，由于急需使用水泥而水泥無法降至合理出罐溫度，或在寒區工程中地下水溫較低時，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抗折強度、抗壓強度都會隨之降低，但采用冷水拌和試件其強度明顯高于常溫水拌和試件強度，在一些對水泥早期力學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可采用冷水拌和確保結構物早期強度符合要求。

（3）在水泥膠砂試件長期浸水養護條件下，水泥溫度、拌和用水溫度對試件長期（28d）力學性能影響不大，實際工程中可采取適當的養護方法，保證結構物的長期使用性能。