基于大體積混凝土中水泥緩凝劑的優化選擇研究

盧春麗,剛 丹,李 穎,張壇柳,蔣 玲

(安徽職業技術學院,安徽 合肥230011)

我國《大體積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)規定,大體積混凝土是混凝土結構物實體最小尺寸不小于1 m的大體量混凝土,或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土[1]。現代建筑中用到大體積混凝土施工比較常見,如高層樓房、水利大壩等。近年來,夏季高溫地表溫度達70 ℃左右,大體積混凝土水化溫度的最高值在60～70 ℃之間,降低大體積混凝土內部熱量,保證水泥的正常水化、硬化是工程質量安全保障的必要條件。冬季,大體積混凝土內外溫差也將影響整個工程質量[2]。

大體積混凝土主要的特點是體積大,表面系數比較小。水泥水化熱釋放比較集中,內部升溫比較快,短時間內混凝土內部的熱量很難散去,內部產生壓應力。混凝土表面溫度較低,產生拉應力, 當拉應力超過混凝土的早期抗拉強度時, 混凝土就會被拉裂,引起體積變形會使混凝土產生溫度裂縫。雖然目前多數采用的降溫方式是在大體積內部布置大量冷凝管,達到散熱的目的,但是水管冷卻也存在自身的弊端。開始通水時形成冷擊,在水管附近引起較大的拉應力;后期冷卻過程中混凝土溫度急劇下降,徐變來不及充分發展,在內部也產生較大的拉應力。同時,混凝土內部過多的管道也會影響整個工程的強度,從而影響結構安全和工程質量。混凝土水化的本質是水泥的水化,即水泥與水發生物理化學反應產生黏結力和強度的過程。降低及延緩水化熱,減少或推遲水泥水化熱的溫度峰值,可以保證施工的質量[3]。

有資料顯示,正常情況下,在炎熱的夏季施工中,混凝土入模溫度和環境溫度較高時,大體積混凝土內部的最高溫升在澆筑1 d后就會出現,即混凝土的水化熱峰值將會在1 d后出現。在深秋和冬季,混凝土入模溫度和環境溫度較低時, 混凝土的水化熱澆筑3 d后出現內部溫度達到峰值[4]。

水泥是普通混凝土重要的膠凝材料,它水化時產生的熱量及釋放的速度,決定了大體積混凝土的內部升溫速度及最高溫度,所以研究大體積混凝土的溫度主要是研究水泥的水化速度及水化熱。水泥水化主要決定于C3S、C2S、C3A、C4AF的水化,它們的水化速度順序為:C3A>C3S>C4AF>C2S。由于C3A水化反應迅速,通常加水幾分鐘后開始快速反應,石膏含量較少時,幾小時就基本水化完全,且放熱量最大;C3S水化反應也較快,僅次于C3A,放熱量也大;C2S、C4AF水化較慢,幾個月甚至幾年才能完成 。因此,可以通過緩凝劑延長水泥的水化時間,減慢熱量釋放的速度。混凝土中水泥水化所釋放出的熱量通過混凝土結構散失時間的延長, 熱量散失時間充足, 混凝土內部溫度不會過于集中,水泥水化熱峰值較低,這樣大體積混凝土水化熱升溫峰值也可以推遲到澆筑后的第3天出現,并且峰值也會比普通混凝土的水化峰值低,以避免出現混凝土內外溫差過大引起的應力作用而變形的溫度裂縫,既保證了施工,又保證了質量,這樣也最大可能地減少大體積混凝土內置冷凝管道和生產拌制時另外過多加入緩凝劑。外加的緩凝劑多數會與混凝土的其他外加劑不相容,導致混凝土出現新的質量問題或施工問題[5-6]。

水泥水化速度慢會導致混凝土的早期強度稍有降低, 但不會影響混凝土的后期強度, 甚至可增加后期強度。除了膠凝材料中的緩凝劑可以降低混凝土溫度裂縫外,還可以采用低水化熱的水泥,如采用粉煤灰替代部分水泥用量, 從而降低水泥水化熱。

目前水泥生產中常使用的幾種緩凝劑有磷石膏、脫硫石膏、天然二水石膏和鈦石膏。由于各石膏的成分不同,所產生的緩凝效果也不同。通過實驗研究以上四大常用的緩凝劑對水泥水化速度、水化熱及強度的影響,從而選擇出更有利于大體積混凝土施工和使用的水泥緩凝劑。

磷石膏是工業濕法生產磷酸排放的固體廢棄物;脫硫石膏是燃煤電廠凈化煙氣后所得的工業副產品;天然二水石膏來自大自然;鈦石膏是采用硫酸法生產鈦白粉時,為治理酸性廢水而產生的以CaSO4·2H2O為主要成分的廢渣,由于它含水量較大,經過干燥后在水泥制備過程中可以使用,它不僅可以調整凝結時間,還可以提高水泥的強度、改善抗凍耐蝕和抗滲性[7-8]。本文以這四種石膏進行對比實驗,研究大體積混凝土更適合哪種緩凝劑的水泥作為膠凝材料,它們都不同程度地含各種雜質,天然二水石膏更純一些,不需要其他處理便可使用,其他三種都要做相應處理方可使用。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料

(1)磷石膏。磷石膏中雜質的存在影響著水泥與某些類型減水劑的相容性,所以磷石膏在使用前要進行改性處理。處理后的磷石膏在使用時一般要與天然石膏共同搭配使用。混合使用即可減少熟料的摻入量,也可提高水泥的后期強度,并降低生產成本。

(2)脫硫石膏。未改性的脫硫石膏直接使用會導致水泥各齡期的強度不同程度的下降,對生產高強度的水泥非常不利,但是與助磨劑的搭配使用正好彌補它帶來的強度下降。

(3)鈦石膏是采用硫酸法生產鈦白粉時,為治理酸性廢水,加入石灰(或電石渣)以中和大量的酸性廢水而產生的以二水石膏為主要成分的工業廢渣,由于其水分、酸性雜質較大,使用前要進行活化處理或熱處理。未經處理的鈦石膏與混凝土的相容性差,且凝結時間短。

(4)天然二水石膏又稱為生石膏,為灰色塊狀,品位高,雜質少。

(5)熟料為皖北水泥廠生產的硅酸鹽熟料,其中燒失量Loss為0.19%,K2O的質量分數為0.59%。

各實驗材料中氧化物的質量分數見表1。

表1 各實驗材料中氧化物的質量分數

1.2 實驗方法

對水泥性能的檢測均按照《水泥細度檢驗方法 篩析法》(GB/T 1345—2005)、《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》(GB/T 1346—2001)、《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)、《水泥化學分析方法》(GB/T 176—2008)、《水泥組分的定量測定》(GB/T 12960—2007)進行。

(1)進行同一配比下磷石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能的對比效果實驗。

(2)進行同一配比下脫硫石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能的對比效果實驗。

(3)進行同一配比下鈦石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能的對比效果實驗。

2 結果與分析

由于混凝土是不良傳熱體,對于大體積混凝土來說 ,混凝土內部水泥的水化熱積蓄易使混凝土溫度升高快 ,造成內外溫差較大 ,容易產生溫度裂縫。緩凝劑能延緩 C3A和C3S的水化,降低水泥水化時的放熱速度和熱量,對 C2S的影響較小 ,同時也不影響混凝土的長期強度 ,并可以推遲混凝土的凝結時間 ,使混凝土內外溫差降低 ,有效降低溫度應力過大而引起的混凝土開裂的幾率 。

磷石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能的對比效果見表2。由表2發現:(1)同配比的PO52.5水泥使用磷石膏(與天然二水石膏混合使用),初凝結時間比單獨使用天然二水石膏長150 min左右;終凝時間比單獨使用天然二水石膏長180 min左右;(2)同配比的PO52.5水泥使用磷石膏(與天然二水石膏混合使用),抗壓強度比單獨使用天然二水石膏的強度略低;28 d的強度比單獨使用天然二水石膏均高2 MPa左右。

表2 磷石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能對比效果

實驗數據表明,磷石膏與天然二水石膏混合使用可以滿足延長凝結時間、控制水化速度,同時在強度上比單獨使用天然石膏更有優勢,在實際生產中也可以繼續適當添加活性混合材料以保證水泥的各種性能指標合格,這樣不僅進一步延長水泥的凝結時間和降低水泥的水化熱,還延緩大體積混凝土的水化熱高發期的到來,以達到降溫的目的,減少溫度裂縫的可能。

脫硫石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能對比效果見表3。由表3發現:(1)同一品種PO42.5水泥在摻入一定量的助磨劑時,脫硫石膏作為緩凝劑與天然石膏作為緩凝劑的水泥初凝時間比單獨使用天然二水石膏長70 min左右;終凝時間比單獨使用天然二水石膏長60 min左右;(2)改性后的脫硫石膏作為緩凝劑,在水泥生產中使用強度與天然二水石膏作為緩凝劑相比水泥的強度基本一致。

表3 脫硫石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能對比效果

用脫硫石膏生產的水泥作為混凝土的膠凝材料,混凝土的水化速度及產生的水化熱比天然二水石膏作為緩凝劑有優勢,對降低大體積混凝土的溫度有一定的效果。

鈦石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能對比效果見表4。由表4發現:(1)同一配比下經活化處理的鈦石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥,緩凝效果基本一致;(2)處理后的鈦石膏作為緩凝劑,對水泥的強度增長比天然二水石膏要略高2 MPa。

表4 鈦石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥物理性能對比效果

用鈦石膏制成的水泥作為混凝土的膠凝材料,混凝土的水化速度及產生的水化熱比天然二水石膏作為緩凝劑效果優勢不明顯,對降低大體積混凝土的溫度沒有顯著特點。

結合表2和表3數據及表4數據發現:(1)同一條件下使用磷石膏(與天然二水石膏混合使用),緩凝效果比單獨使用天然二水石膏好,用磷石膏制成的水泥作為混凝土的膠凝材料,延緩混凝土的水化速度及產生的水化熱比天然二水石膏作為緩凝劑效果佳,不僅能提高混凝土的強度,還能降低大體積混凝土的溫度;(2)同一條件下水泥在摻入一定量的助磨劑時,脫硫石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的緩凝效果比單獨使用天然二水石膏好。用脫硫石膏制成的水泥作為混凝土的膠凝材料,混凝土的水化速度及產生的水化熱比天然二水石膏作為緩凝劑效果相對明顯,對降低大體積混凝土的溫度有一定的效果;(3)同一條件下經活化處理的鈦石膏作為緩凝劑與天然二水石膏作為緩凝劑的水泥相比,降低混凝土的水化熱效果相當,對大體積混凝土的溫度裂縫沒有明顯的優勢;(4)綜合以上情況,使用改性后的磷石膏作為水泥中的緩凝劑比同一條件下其他三種石膏作為緩凝劑,對緩凝水泥的水化速度及提升強度效果好。

3 結論

對于大體積混凝土中作為膠凝材料的水泥中緩凝劑的最佳選擇是磷石膏與天然二水石膏混合使用,這樣延長了水泥的水化時間,降低了水化熱,延緩了水化熱的峰值時間,提高了水泥的膠結能力,增強了混凝土的強度,降低了溫度裂縫的可能性,也減少了因內部大量布置冷凝管降溫帶來的結構缺陷。