水泥溫度對混凝土性能及早期開裂影響研究*

何凱，林喜華，路東義，趙士豪，李馨慧，顧青山，何欣

（中建西部建設(shè)貴州有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 前言

水泥是預(yù)拌混凝土中非常重要的組成材料，水泥質(zhì)量會直接影響混凝土性能[1]。水泥溫度對水泥本身性能及該溫度水泥拌制混凝土性能都有不同程度的影響。各標(biāo)準(zhǔn)對水泥溫度都有嚴(yán)格的限制，其中 GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》要求用于生產(chǎn)混凝土的水泥溫度不宜高于 60℃，DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》要求運(yùn)至現(xiàn)場的散裝水泥入罐溫度不宜高于65℃。但多數(shù)情況下，商品混凝土攪拌站水泥進(jìn)廠溫度都達(dá)到 80℃ 以上。夏季高溫季節(jié)，很多時(shí)候進(jìn)廠的水泥溫度，甚至高達(dá) 100℃ 以上。

水泥溫度過高時(shí)，對混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能都有不利的影響[2]。高溫水泥導(dǎo)致混凝土工作性不佳、坍損加快，難以滿足施工要求；同時(shí)水化加快，水泥溫度應(yīng)力的不均勻使混凝土缺陷增加，導(dǎo)致力學(xué)性能變差[3]；又易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生干縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生會減弱混凝土對鋼筋的保護(hù)，減少使用壽命[4]。但由于目前攪拌站對水泥的需求量大，使用高溫水泥已經(jīng)成為許多混凝土企業(yè)的常態(tài)，研究不同溫度水泥對水泥性能的影響顯得至關(guān)重要。

1 原材料

（1）水泥：選用海螺 P·O42.5 水泥，具體性能見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

（2）硅灰：選用貴州信達(dá)生產(chǎn)的硅灰，含水率0.12%，燒失量 2.3%，活性 120%，需水量比 119%。

（3）礦粉：由貴州某商家生產(chǎn)，含水率 0.14%，流動度比 105%，燒失量 2.3%，活性 96%。

（4）粉煤灰：由貴州某生產(chǎn)廠家提供，含水率0.12%，燒失量 8.3%，細(xì)度 24%，活性 70%，需水量比98%。

（5）減水劑：選用中建新材料高性能減水劑，減水率 26%，固含量 13%，pH 值 6.2%，28d 抗壓強(qiáng)度比138%。

（6）水：選用試驗(yàn)室自來水。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法采用控制變量法。設(shè)置水泥溫度為單一變量，統(tǒng)一其余參數(shù)。調(diào)整烘箱溫度，試驗(yàn)水泥放入烘箱恒溫 2h 以上，用溫度計(jì)測量水泥溫度，待水泥溫度恒定為設(shè)定溫度時(shí)取出水泥進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)置 60℃、70℃、80℃、90℃、100℃ 五個(gè)變量。配合比、試驗(yàn)室溫濕度、原材料種類等參數(shù)保持一致，采用 C50 配合比進(jìn)行試驗(yàn)，單方配合比信息見表2。

表2 C50 混凝土配合比 kg/m3

2.1 水泥性能試驗(yàn)

研究水泥溫度對水泥凈漿流動度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間的影響，其中水泥凈漿流動度分為固定外加劑摻量 1%，飽和外加劑摻量分別為 1.20%、1.30%、1.47%、1.53%、1.67%、2.0% 兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3～5 和圖1～4。

表3 固定外加劑摻量的不同溫度水泥凈漿流動度

由表3 和圖1 可知，當(dāng)保持外加劑摻量固定為1.0% 時(shí)，使用外加劑水泥凈漿試驗(yàn)外加劑均有緩釋，相同經(jīng)停時(shí)間，凈漿流動度隨著水泥溫度上升而減小，100℃ 水泥凈漿無流動性；從 3h 的損失情況看，當(dāng)水泥溫度高于 90℃ 時(shí)水泥凈漿流動度損失比較明顯。由圖2 可知，當(dāng)外加劑摻至飽和狀態(tài)時(shí)，外加劑摻量隨著水泥的溫度的升高而增加，相同經(jīng)停時(shí)間的凈漿流動度隨水泥溫度的升高而減小，但各不同溫度水泥凈漿流動度 3h 基本無損失。由圖3 可知，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨著水泥溫度的增加而增加。由圖4 可知，凝結(jié)時(shí)間隨水泥溫度的增加而減小。

圖3 不同溫度水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

圖4 不同溫度水泥凝結(jié)時(shí)間

表4 外加劑飽和摻量的不同溫度水泥凈漿流動度

表5 不同溫度水泥標(biāo)稠用水量和凝結(jié)時(shí)間

圖1 固定外加劑摻量的不同溫度水泥凈漿流動度

圖2 飽和外加劑摻量的不同溫度水泥凈漿流動度

2.2 混凝土性能試驗(yàn)

2.2.1 不同水泥溫度對混凝土工作性影響

以基準(zhǔn)組外加劑摻量為固定摻量，與試驗(yàn)組對比混凝土拌合物性能，具體結(jié)果如表6 和圖5～8 所示。

表6 不同溫度混凝土拌合物性能

圖5 混凝土拌合物坍落度損失

由圖5 可以看出，隨著水泥溫度的升高，相同時(shí)間的混凝土拌合物坍落度基本呈下降趨勢，當(dāng)水泥溫度高于 80℃ 時(shí)，坍落度損失較為顯著，3h 后混凝土基本無工作性。由圖6 可知，新拌混凝土擴(kuò)展度損失趨勢與坍落度損失趨勢基本相同，當(dāng)水泥溫度高于 80℃ 時(shí)，擴(kuò)展度損失較為顯著，3h 后混凝土基本無工作性。由圖7 可知，新拌混凝土初始出機(jī)溫度隨水泥溫度升高而升高，但 2h 后基本穩(wěn)定在室溫。由圖8 可知，低于 80℃時(shí)，水泥升溫對混凝土初凝時(shí)間影響較小，高于 80℃時(shí)，混凝土初凝時(shí)間縮短明顯。

圖6 混凝土拌合物擴(kuò)展度損失

圖7 混凝土出機(jī)溫度隨時(shí)間變化

圖8 混凝土凝結(jié)時(shí)間

2.2.2 不同水泥溫度對混凝土力學(xué)性能影響

通過檢驗(yàn)不同試驗(yàn)組 7d、28d 強(qiáng)度，其檢驗(yàn)結(jié)果如見表7 和圖9 所示，隨著水泥溫度的升高，混凝土7d、28d 強(qiáng)度逐漸降低，主要原因是水泥溫度過高，水化速率加快，破壞水泥水化曲線的平穩(wěn)狀態(tài)，使水泥溫度應(yīng)力集中，混凝土內(nèi)部缺陷增加，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能變差。

圖9 不同溫度混凝土抗壓強(qiáng)度

表7 不同溫度混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 早期抗裂試驗(yàn)

具體試驗(yàn)步驟參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。具體試驗(yàn)結(jié)果如表8 和圖10 所示。

表8 混凝土單位面積總開裂面積

由圖10 可知，水泥溫度在 80℃ 以下時(shí)，隨著水泥溫度的上升，單位面積總開裂面積呈增加趨勢，但增加量較少，水泥溫度超過 80℃ 后，單位面積總開裂面積急劇增加，100℃ 時(shí)達(dá)到 1239mm2/m2，這說明水泥溫度超過 80℃ 后，混凝土早期水化反應(yīng)較為劇烈，水分蒸發(fā)較多，混凝土硬化收縮加快。

圖10 混凝土單位面積總開裂面積

3 結(jié)論

（1）隨水泥溫度的升高，使得水泥漿中部分吸附水和自由水散失，增加標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，水泥凈漿流動度逐漸減小。水泥早期水化加快，導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間縮短。

（2）水泥溫度過高時(shí)，對混凝土的工作性能、力學(xué)性能都有不利的影響。高溫水泥導(dǎo)致混凝土工作性不佳，損失加快，難以滿足施工要求。當(dāng)水泥溫度超過 80℃ 時(shí)，性能損失較為顯著，3h 后混凝土基本無工作性；低于 80℃ 時(shí)，水泥升溫對混凝土初凝時(shí)間影響較小，高于 80℃ 時(shí)，混凝土初凝時(shí)間縮短較大。同時(shí)水泥水化加快，水泥溫度應(yīng)力的不均勻使混凝土缺陷增加，導(dǎo)致力學(xué)性能變差，混凝土 7d、28d 強(qiáng)度逐漸降低。

（3）水泥溫度超過 80℃ 后，單位面積總開裂面積急劇增加，100℃ 時(shí)達(dá)到 1239 mm2/m2，表明水泥溫度超過 80℃ 后，混凝土早期水化反應(yīng)較為劇烈，水分蒸發(fā)較多，混凝土硬化收縮加快。