活化摻合料對低溫混凝土性能的影響

李志遠(yuǎn)，李立輝，張 斌

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100888)

混凝土在低溫條件下的強(qiáng)度發(fā)展決定了冬季混凝土工程的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量，其中，水泥的水化受溫度的影響很大，冬季低溫條件下，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展速率會變得很緩慢[1-4]，甚至在負(fù)溫條件下水泥不會進(jìn)行水化。混凝土的早期凍害對后期強(qiáng)度和耐久性影響很大，因此如何提高低溫下混凝土的早期強(qiáng)度是學(xué)者們一直研究的問題。在混凝土中摻入活性摻合料可以改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度，從而提高混凝土的早期強(qiáng)度[5-8]。本試驗(yàn)選用兩種不同類型的活性摻合料，通過比較摻入兩種材料后混凝土工作性、水化放熱量和三種不同養(yǎng)護(hù)制度下的強(qiáng)度規(guī)律，確定更適合在低溫條件下使用的活性摻合料。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥選用北京琉璃河P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，高貝利特水泥為唐山北極熊生產(chǎn)；粉煤灰選用唐山F類Ⅰ級粉煤灰；碎石選用河北5～20 mm 連續(xù)級配的石灰?guī)r質(zhì)碎石；細(xì)骨料采用河北三河天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；外加劑為江蘇蘇博特聚羧酸高性能減水劑；混凝土活化材料主要成分見表1，其中ONE@和BE@為日本電氣化學(xué)社生產(chǎn)，CAH@為交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所自研。

表1 活化材料 kg·t-1

1.2 配合比

混凝土配合比見表2。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 塑性黏度試驗(yàn)方法

在5 ℃環(huán)境下，使用時(shí)打開ICAR軟件，取約25 L新拌混凝土，緩慢倒入容器，旋轉(zhuǎn)振動3～5下后抹平，將葉輪插入新拌混凝土，進(jìn)行不同設(shè)置速度的旋轉(zhuǎn)。作用于葉輪上的相應(yīng)于不同速度的扭力被記錄下來，用于計(jì)算基本單位下的Bingham流變參數(shù)：塑性黏度和屈服應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)操作全部自動化，可在60 s內(nèi)完成，外觀詳見圖1。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性

表3為5 ℃環(huán)境下，不同經(jīng)時(shí)混凝土拌合物的塑性黏度、屈服應(yīng)力、坍落度和擴(kuò)展度值。

由表3可知，隨著活化材料ONE@-10和活化材料CAH@-10的摻入，水泥混凝土拌合物的初始塑性黏度略有增加(15%～30%)，初始坍落度和坍落擴(kuò)展度減少，但均可滿足施工要求。混凝土拌合物的黏度增加，使用性能下降，其中摻活化材料CAH@-10混凝土拌合物的工作性下降顯著，漿體稠化，流動性降低，然而，摻活化材料ONE@-10混凝土拌合物的黏度和坍落度與空白組幾乎相當(dāng)，塑性黏度在130～140 Pa·s，坍落度損失20 mm以內(nèi)，具有較良好的流動性和工作性。

圖1 ICAR流變儀

表3 混凝土拌合物性能

2.2 不同溫度下水化

圖2和圖3分別為恒定5 ℃和-10 ℃條件下，活化材料ONE@-10和活化材料CAH@-10的水化溫升曲線。

圖2 在5 ℃下?lián)交罨牧系幕炷羶?nèi)部溫度變化

圖3 在-10 ℃下?lián)交罨牧系幕炷羶?nèi)部溫度變化

由圖2可知，在環(huán)境溫度恒定5 ℃條件下，以降低鈣礬石成核類型活化材料ONE@-10的水化溫升峰值比提供鋁酸鈣的活化材料CAH@-10高，且摻量越高現(xiàn)象越突顯。此外，按照時(shí)間和溫度圍成面積——累計(jì)溫度計(jì)算，相同摻量下ONE@-10活化材料其在5 ℃條件下的累計(jì)溫度面積大于CAH@-10活化材料，即ONE@-10活化材料的低溫持續(xù)自放熱量大于CAH@-10活化材料。

由圖3可知，在恒-10 ℃條件下，摻入一定劑量活化材料ONE@-10和CAH@-10均使混凝土內(nèi)部溫度呈上升趨勢，這一趨勢水化加速期①持續(xù)時(shí)間約120 min，溫度上升約5～7 ℃，達(dá)到峰值后開始緩慢下降，即水化減速期。②反應(yīng)放熱量小于熱交換，并在0 ℃附近出現(xiàn)一個(gè)相對較長的零點(diǎn)平臺，活化材料的放熱量越高，零點(diǎn)平臺維持時(shí)間越長。由圖3可知，活化材料ONE@-10在恒-10 ℃下的放熱量高于活化材料CAH@-10，有利于在恒低溫下水化活化應(yīng)用。綜上可知，在恒負(fù)溫條件下以降低鈣礬石成核結(jié)晶的活化材料ONE@-10比以提供鋁酸鈣的活化材料CAH@-10具有更高的自放熱量性能。

2.3 抗壓強(qiáng)度

圖4和圖5分別為在5 ℃和-10 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)不同齡期水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖4 在5 ℃下養(yǎng)護(hù)，摻活化材料混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

圖5 在-10 ℃下養(yǎng)護(hù)，摻活化材料混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

由圖4可知，恒5 ℃條件下養(yǎng)護(hù)，摻入低溫活化材料ONE@-10和CAH@-10均有效提高了水泥混凝土的早期強(qiáng)度，其中摻10%ONE@-101d抗壓強(qiáng)度提高了44%，摻10%CAH@-101d抗壓強(qiáng)度提高了101%；但是，摻入活化材料CAH@-10試件28d強(qiáng)度均出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象(倒縮12%)，這與其水化產(chǎn)物有關(guān)，由于提供大量的鋁酸鈣，產(chǎn)生的CAH10和C2AH8等片狀、針狀晶體相互交叉搭接，形成的骨架結(jié)構(gòu)空隙率高不穩(wěn)定，且這些水化產(chǎn)物不穩(wěn)定容易發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變引起強(qiáng)度衰減。

結(jié)合圖3和圖5可知，在恒-10 ℃條件下，未摻任何活化材料的普通硅酸鹽水泥混凝土幾乎停止水化，而摻入活化材料的均有水化強(qiáng)度形成。雖然活化材料CAH@-10的累計(jì)溫度面積小于活化材料ONE@-10，但是相同齡期內(nèi)的強(qiáng)度卻更高，尤其1d強(qiáng)度更強(qiáng)勁，這也是CAH@-10常被應(yīng)用在負(fù)溫條件下快速修補(bǔ)材料的原因。

圖6 在5 ℃和-10 ℃下交變養(yǎng)護(hù)，摻活化材料混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

從圖6可知，在-10 ℃條件下養(yǎng)護(hù)一定齡期后轉(zhuǎn)正溫(5 ℃)養(yǎng)護(hù)，未摻任何防凍劑或活化材料的空白組強(qiáng)度僅為恒5 ℃條件下養(yǎng)護(hù)的27%。由負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫，摻一定量活化材料ONE@-10的水泥混凝土的強(qiáng)度幾乎可恢復(fù)到正溫養(yǎng)護(hù)水平，而摻活化材料CAH@-10則強(qiáng)度增長略低。綜述可知，活化材料CAH@-10在負(fù)溫下具有比活化材料ONE@-10更強(qiáng)的強(qiáng)度發(fā)展和更小的水化放熱量，但是，活化材料CAH@-10所形成的水化產(chǎn)物不穩(wěn)定，后期強(qiáng)度發(fā)生倒縮現(xiàn)象，不利于重要結(jié)構(gòu)部位使用。

3 結(jié) 論

(1)活化材料ONE@-10和CAH@-10的摻入均會使混凝土的塑性黏度增加，坍落度和坍落擴(kuò)展度減少，但摻活化材料CAH@-10混凝土拌合物的工作性下降顯著，而摻活化材料ONE@-10混凝土拌合物的塑性黏度在130～140 Pa·s，坍落度損失20 mm以內(nèi)，具有較良好的流動性和工作性。

(2)活化材料ONE@-10混凝土的低溫持續(xù)自放熱量大，在低溫條件下(5 ℃)早期強(qiáng)度提高，1d抗壓強(qiáng)度提高了44%，且由負(fù)溫養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎仞B(yǎng)護(hù)后，水泥混凝土的強(qiáng)度幾乎可恢復(fù)到正溫養(yǎng)護(hù)水平，有利于在恒低溫下水化活化應(yīng)用。

(3)摻活化材料CAH@-10混凝土的低溫持續(xù)自放熱量小于ONE@-10，在低溫條件下(5 ℃)早期強(qiáng)度提高卻更顯著，1d抗壓強(qiáng)度提高了101%，但由于CAH10和C2AH8等片狀、針狀水化產(chǎn)物空間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，后期28d出現(xiàn)了強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，由負(fù)溫養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)變未正溫養(yǎng)護(hù)后，水泥混凝土的強(qiáng)度較低，不利于重要結(jié)構(gòu)部位使用。