水工大體積混凝土中低熱水泥的應用研究

張雪娟

(遼陽市金洋建設工程項目管理有限公司,遼寧 遼陽 111000)

近年來,烏東德和白鶴灘等工程規模巨大的水電站先后開工,這些工程大多選用混凝土雙曲拱壩,其受力條件較為復雜且地下洞室混凝土用量大,對混凝土耐久性和抗裂性的要求明顯提升。另外,隨著水利工程建設規模的擴大和深入,工程建設條件及服役環境更加復雜嚴酷,對水泥基材料的要求越來越高,科學選用配合比參數和材料對保證結構整體性能非常重要。水工大體積混凝土表層溫度低、內部溫度高,表層散熱快且內部散熱慢,這種熱的不良導體內外溫差較大,較大溫差使得表層混凝土極易產生收縮裂縫,對此可以選用低熱水泥。低熱水泥存在對環境污染少、熟料煅燒溫度較低等特點,這是一種節能環保型水泥。低熱水泥已被成果用于三峽工程、深溪溝和溪洛渡水電站等工程[1-4]。在向家壩、小灣、三峽等工程大壩中均使用了雙摻高效引氣劑與減水劑、摻Ⅰ級粉煤灰中熱硅酸鹽水泥混凝土技術[5-7],雖然低熱水泥已被應用于實際工程,但應用于全壩混凝土的還較少,系統研究低熱水泥混凝土性能的還鮮有報道。鑒于此,文章應用亞微觀和宏觀試驗,對比分析了低熱與普通水泥混凝土的熱學、力學及變形性能的差異,以期為低熱水泥在全壩特高壩混凝土中的應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)原材料主要有以下4種:水泥:選用沈陽山水工源P·O 42.5級普通水泥和湖南葛洲壩石門P·LH42.5級低熱水泥,水泥的主要性能參數如表1所示。試驗表明,低熱水泥相比于普通水泥的7d、28d齡期抗壓強度低23.7%和8.2%,其凝結時間也更長。

表1 水泥的主要性能參數

2)粉煤灰:使用沈陽熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰,密度2.30g/cm3,細度8.5%,需水量比95%,燒失量2.6%,28d活性指數86%。對粉煤灰微觀結構利用掃描電鏡分析,結果發現粉煤灰顆粒級配分布合理,球形度較好,整體品質較好。

3)粗細骨料:選擇5～20mm連續級配花崗巖碎石,針片狀含量4%,堅固性和有機質含量符合規范要求;細度模數2.5的天然河沙,微粒含量6.2%,表觀密度2580kg/m3。

4)外加劑:采用聚羧酸高效減水劑,液態,減水率≥26%,固含量37%,拌和水使用當地自來水。

1.2 試驗方法

本試驗利用TAM AIR法測試水泥等溫量熱,結合試驗數據揭示摻粉煤灰膠材、低熱以及普通水泥的水化放熱規律。該方法可以準確測定膠材的水化放熱,具有試驗誤差小、測試精度高等優點,對測試復合膠凝體系水化放熱具有較好的適用性與可行性[8]。

根據《水工混凝土配合比設計規程》中的相關要求,以C40全壩混凝土參數為基準,控制拌合物坍落度(200±20)mm,含氣量處于2%～3%之間,初步確定試驗配合比,如表2所示。采用抗折、抗壓強度反映混凝土力學性能,干燥收縮與自收縮反映變形性能,絕熱溫升反映其熱學性能,結合試驗數據探究混凝土性能受低熱水泥的影響規律。

2 結果與分析

2.1 低熱水泥水化熱

摻粉煤灰低熱水泥、低熱和普通水泥的水化熱及其水化速率試驗數據,如圖1所示。從圖1(a)可以看出,3d、7d齡期普通水泥的水化熱分別為295.4kg/kJ和344.2kg/kJ,低熱水泥的水化熱分別為196.7kg/kJ和248.7kg/kJ,同期低熱相比于普通水泥水化熱減少33.4%和27.7%。

(a)水化熱 (b)放熱速率

由圖1(b)可知,低熱明顯低于普通水泥的早期水化放熱速率,低熱水泥的最大放熱速率(2.12×10-3W/g)只有普通水泥(3.38×10-3W/g)的62.7%。這是由于低熱水泥與普通水泥相比其C3S含量低且C2S含量高,而C3S遠高于C2S的早期水化速率,所以低熱水泥明顯小于普通水泥的早期放熱速率及水化熱,即低熱水泥的放熱速率慢且放熱量少。另外,低熱水泥相比于普通水泥的放熱速率峰值推遲約7h,表明低熱水泥可以有效避免早期放熱集中的現象,放熱進程比較平緩[9,10]。

為進一步探討低熱水泥水化受粉煤灰摻量的影響,對比分析圖1(a)、(b)試驗數據發現,摻入粉煤灰會在一定程度上減小低熱水泥的早期放熱速率和水化熱,摻20%粉煤灰時放熱速率峰值下降14.6%,7d水化熱減少15.7%,摻30%粉煤灰放熱峰值下降22.5%,7d水化熱減少27.1%。

2.2 力學性能

試驗測定低熱與普通水泥混凝土的7d、28d、60d、90d抗壓強度,如表3所示。

表3 抗壓強度測試值

由表3可知,配合比相同條件下,低熱水泥組總體小于普通水泥組的早期強度,兩組混凝土的60d齡期強度基本相同,齡期為90d時低熱水泥組略高于普通水泥組的抗壓強度,這是由于低熱水泥中的C2S含量較高,該組分早期水化速率較慢,而后期較快;摻入粉煤灰在一定程度上降低了低熱水泥組強度,粉煤灰摻量從20%提高到30%低熱水泥組的各齡期強度均表現出下降趨勢,其28d、60d、90d齡期降幅分別為14.06%、11.95%和9.16%。所以,在實際工程中建議以60d或90d齡期強度作為低熱水泥設計指標,為了選擇合適的粉煤灰摻量必須考慮強度發展規律等因素。

2.3 變形性能

試驗分析普通與低熱水泥混凝土的自收縮值變化趨勢,如圖2所示,從而反映混凝土的抗變形和抗裂性能。

圖2 混凝土自收縮值變化趨勢圖

從圖2可以看出,隨著齡期的延長普通與低熱水泥混凝土收縮均呈現出逐漸上升趨勢,但低熱水泥與普通水泥組相比其自收縮變形總體較小;摻20%粉煤灰時,28d、60d齡期普通水泥組的自收縮值分別為-144.5με和-156.2με,28d、60d齡期低熱水泥組的自收縮值分別為-94.6με和-110.3με,收縮率減少20%～40%;另外,粉煤灰摻量越高則自收縮變形降幅越顯著,摻量從20%提高到30%時普通水泥和低熱水泥的60d自收縮減少15.2%和22.6%。所以,低熱水泥配制的混凝土具有更好的體積穩定性,能夠在一定程度上提升結構抗裂性,并且粉煤灰摻量越大其自收縮變形減小。

2.4 絕熱溫升

根據《水工混凝土試驗規程》測定低熱和普通水泥混凝土絕熱溫升,混凝土絕熱溫升試驗數據如圖3所示。由圖3可知,固定粉煤灰摻量條件下,低熱水泥組明顯小于普通水泥組的絕熱溫升和早期溫升速率;摻20%粉煤灰時,3d齡期的低熱與普通水泥組的絕熱溫升分別為31.3℃和42.5℃,7d齡期的絕熱溫升為38.6℃和45.8℃,增大粉煤灰摻量會進一步降低絕熱溫升。試驗表明,低熱水泥組與普通水泥組相比其早期溫升速率更低,3d和7d溫升值相比減少11.2%,配合比相同情況下低熱比普通水泥組7d絕熱溫升值減少7.2℃。所以,低熱水泥具有更低溫升速率,可以在一定程度上有效增強混凝土抗裂性能[11-12]。

圖3 混凝土絕熱溫升試驗數據

3 結 論

文章通過室內試驗對比了低熱與普通水泥混凝土的水化熱、絕熱溫升、抗壓強度和自收縮變形性能,主要結論如下:

1)低熱水泥相比于普通水泥具有更低的水化發熱速率和水化熱,同期相比于普通水泥減少33.4%和27.7%的水化熱,其具有水化放熱緩慢均勻,放熱量低等特點,可以有效避免早期放熱集中的現象,一定程度上有效提升混凝土抗裂性能。

2)通過對比發現,雖然低熱小于普通水泥組的早期強度,但后期強度發展速度,60d齡期時強度基本相同,90d齡期甚至略高于普通水泥組。混凝土用低熱水泥具有更好的體積穩定性,7d絕熱溫升值減少7.2℃。所以,低熱水泥可以有效減少結構溫升和放熱,有利于降低工程結構出現收縮和溫度裂縫的風險。

3)低熱水泥混凝土的絕熱溫升、收縮變形和抗壓強度均隨著粉煤灰摻量的增大而降低。因此,綜合考慮各項性能指標,利用低熱水泥配制大體積混凝土能夠滿足設計指標要求,提升結構整體抗裂性能,鑒于強度發展規律和低熱水泥水化特性,實際工程中建議以60d或90d齡期強度作為低熱水泥設計指標,為了選擇合適的粉煤灰摻量必須考慮強度發展規律等因素。