摻抗裂硅質(zhì)防水劑的大體積混凝土熱學(xué)性能研究

孫美燕，王永興

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西壯族自治區(qū)港航發(fā)展中心，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西某二線船閘建設(shè)規(guī)模為3 000噸級，有效尺度(長×寬×門檻水深)為280 m×34 m×5.8 m，通航凈高為18 m，最大設(shè)計水頭為19.52 m。該船閘工程主要水工建筑物共需施工澆筑混凝土約70萬m3，其中閘首、閘室主體水工建筑物混凝土約為37萬m3。在船閘主體和引航道水工建筑物混凝土中，基礎(chǔ)強約束區(qū)大體積混凝土約為18萬m3，所占比重較大，所以大體積混凝土溫度控制是保障工程質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

混凝土早期產(chǎn)生溫度應(yīng)力的原因主要在于水泥水化釋放大量熱量[1]，因此，在考慮如何降低大體積混凝土溫度裂縫風(fēng)險時往往需要嚴(yán)格控制水化熱。嚴(yán)控水化熱的舉措之一是選擇較低水化熱的水泥以及減少水泥用量[2]。目前，廣西水工工程中配制大體積混凝土通常選用中熱水泥以達到降低水化熱目的，較少采用普通硅酸鹽水泥[3]。考慮到中熱水泥需要向水泥生產(chǎn)商定制且價格昂貴，該船閘工程采用普通硅酸鹽水泥替代傳統(tǒng)的中熱水泥制備混凝土，并摻抗裂硅質(zhì)防水劑改善其熱學(xué)性能。抗裂硅質(zhì)防水劑因其具有改善混凝土耐久性能、施工便捷、成本較低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于軌道交通工程中[4]。在船閘工程中使用普通硅酸鹽水泥內(nèi)摻抗裂硅質(zhì)防水劑代替中熱水泥在大體積混凝土中應(yīng)用是否合理，需要進行熱學(xué)性能試驗并結(jié)合實際工程溫度監(jiān)控結(jié)果進行驗證。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料

試驗采用華潤水泥有限公司生產(chǎn)的華潤牌普通硅酸鹽42.5水泥(以下簡稱華潤普通水泥)以及華潤牌中熱硅酸鹽P.MH42.5水泥(以下簡稱華潤中熱水泥)，二者物理性能指標(biāo)試驗結(jié)果如表1所示，化學(xué)成分試驗結(jié)果如表2所示。由表1、表2可知，所采用的華潤普通水泥符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 175-2007[5]條文要求，華潤中熱水泥符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 200-2003[6]條文要求。

表1 水泥物理性能指標(biāo)試驗結(jié)果表

表2 水泥化學(xué)成分試驗結(jié)果表

外加劑選用廬江縣晶石特種建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，以及浙江金華市欣生沸石開發(fā)有限公司生產(chǎn)的以活性超細絲光氟石粉為主要原料，經(jīng)特殊工藝改性而成的JX-ⅢW型抗裂硅質(zhì)防水劑[7](以下簡稱JX-ⅢW防水劑)。試驗用水為生活自來水。粗、細骨料均為該船閘右岸開挖出的弱風(fēng)化花崗巖經(jīng)加工系統(tǒng)機械破碎而成。礦物摻合料選取來賓電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰和貴港市鴻耀新型建材有限公司S95級礦渣粉。

1.2 試驗方案

混凝土絕熱溫升通常用來衡量混凝土自身放熱能力，在大體積混凝土工程建設(shè)中作為溫度控制的一個重要指標(biāo)[8]。為驗證華潤普通水泥內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量5%JX-ⅢW防水劑與華潤中熱水泥的熱學(xué)性能相當(dāng)，進行水泥水化熱和混凝土絕熱溫升試驗。按該船閘工程實際要求和試驗?zāi)康模苍O(shè)置10個試驗組。其中，水泥水化熱試驗設(shè)置6個試驗組，詳細摻量比例如表3所示；混凝土絕熱溫升試驗設(shè)置4個試驗組，詳細配合比根據(jù)如表4所示。

表3 水泥水化熱試驗摻量表

表4 二級配混凝土性能比對試驗配合比一覽表

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥水化熱試驗結(jié)果分析

根據(jù)水化熱試驗結(jié)果繪制直方圖，如圖1所示。依據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB 50496-2018)[9]規(guī)定，大體積混凝土施工所用水泥的3 d水化熱宜≤240 kJ/kg，7 d水化熱宜≤270 kJ/kg。由圖1可知，對比A1、B1，在不摻加其他摻合料的情況下，只有華潤中熱水泥可用于大體積混凝土；對比A2、B2，在單摻30%粉煤灰的情況下，華潤普通水泥內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量5%JX-ⅢW防水劑后其水化熱略低于華潤中熱水泥的水化熱；對比A3、B3，在復(fù)摻15%粉煤灰和35%礦渣粉的情況下，華潤普通水泥內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量5%JX-ⅢW防水劑后其水化熱略高于華潤中熱水泥的水化熱。從以上分析可知，摻加JX-ⅢW防水劑可有效降低水泥水化熱，華潤普通水泥內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量5%JX-ⅢW防水劑后其水化熱與華潤中熱水泥的水化熱大致相同。

2.2 二級配混凝土絕熱溫升試驗

根據(jù)絕熱溫升試驗數(shù)據(jù)制作曲線，如圖2所示。由圖2可知，在單摻30%粉煤灰的情況下，華潤普通水泥內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量5%JX-ⅢW防水劑成型的混凝土與華潤中熱水泥成型的混凝土的絕熱溫升大致相同；在復(fù)摻15%粉煤灰和35%礦渣粉的情況下，華潤普通水泥內(nèi)摻膠凝材料質(zhì)量5%JX-ⅢW防水劑成型的混凝土的絕熱溫升略高于華潤中熱水泥成型的混凝土。從以上分析可得，摻加5%JX-ⅢW防水劑可以明顯降低混凝土的絕熱溫升，使華潤普通水泥與華潤中熱水泥不摻抗裂硅質(zhì)防水劑成型混凝土的絕熱溫升大致相同。試驗結(jié)果表明，摻加抗裂硅質(zhì)防水劑并復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉可顯著降低水化熱，延緩放熱時間[10]。在混凝土中用普通水泥摻加抗裂硅質(zhì)防水劑代替中熱水泥其熱學(xué)性能相當(dāng)。

圖1 水泥水化熱直方圖

圖2 混凝土絕熱溫升過程曲線圖

3 工程應(yīng)用

表5 大體積混凝土溫控指標(biāo)表

3.1 溫度傳感器布置

上閘首右邊墩下段第2層在進行澆筑前，針對入模溫度使用測溫槍或插入式測溫儀進行過程監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集。澆筑時，內(nèi)部溫度傳感器位于斷面結(jié)構(gòu)中心，上表面溫度傳感器、下表面溫度傳感器和側(cè)表面溫度傳感器均距離混凝土表面50 mm位置處。具體布置以及測點溫峰時間如圖3所示，T1-中心下表面；T2-中心點；T3-中心上表面；T4-上游側(cè)1/4處；T5-上游側(cè)端部；T6-后側(cè)1/4處；T7-前側(cè)1/4處；T8-前側(cè)端部；T0-環(huán)境溫度。自澆筑時間起，以1 h/次頻率采集溫度數(shù)據(jù)。

圖3 傳感器布置及溫峰三維示意圖

3.2 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

對于入模溫度的過程監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，完全滿足表5中高溫季節(jié)“澆筑溫度≤27 ℃的指標(biāo)要求”，對于混凝土澆筑時，各溫度測點監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。顯然，相鄰測溫點溫差滿足表5指標(biāo)要求。結(jié)合圖3和圖5可以看出，混凝土水化熱反應(yīng)較為緩慢，溫升梯度<5 ℃/m。結(jié)構(gòu)中心底部T1達到溫峰用時最長，而右側(cè)端部T5達到溫峰用時最短。最高溫度并沒有出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中心T2處，而出現(xiàn)在后側(cè)1/4處的T6。這是由于結(jié)構(gòu)側(cè)面與巖石接觸且導(dǎo)熱性能較差，隨著結(jié)構(gòu)中心溫度升高，在1/4處容易造成溫度積累，從而導(dǎo)致溫度升高，而且前端巖體較后端矮，有利于混凝土散熱。T6測點在76 h后達到溫峰，最大溫升23.5 ℃，滿足表5的指標(biāo)要求。對數(shù)據(jù)進行進一步處理，上閘首右邊墩下段第2層內(nèi)部與表面溫差以及表面溫度測點T3、T5、T8與環(huán)境溫度之差隨時間變化如圖6所示。從圖6可以看出，內(nèi)表溫差在101 h達到最大，為9.8 ℃；T5測點表面與環(huán)境溫差最大，在43 h達到最大，為17.4 ℃。內(nèi)表、表環(huán)溫差均滿足表5的指標(biāo)要求。綜上所述，摻加5%JX-ⅢW防水劑可以使普通硅酸鹽水泥成型的大體積混凝土取得較好的溫升控制效果，滿足現(xiàn)有規(guī)范的溫度控制指標(biāo)要求。

圖4 混凝土澆筑溫度監(jiān)測曲線圖

圖5 各測點溫度監(jiān)測曲線圖

圖6 內(nèi)表、表環(huán)溫差隨時間變化曲線圖

4 結(jié)語

通過水泥水化熱試驗、混凝土絕熱溫升試驗以及工程實際應(yīng)用的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：

(1)摻加5%JX-ⅢW防水劑可有效降低普通水泥的水化熱，使其與中熱水泥的水化熱大致相同。

(2)在單摻粉煤灰或復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉情況下，摻加5%JX-ⅢW防水劑可以明顯降低混凝土的絕熱溫升，可以使華潤普通水泥與華潤中熱水泥不摻抗裂硅質(zhì)防水劑成型的混凝土的絕熱溫升大致相當(dāng)，滿足船閘大體積混凝土溫控要求。

(3)普通水泥摻加5%JX-ⅢW防水劑可代替中熱水泥用于船閘工程中大體積混凝土成型。