水泥細度與成分對混凝土溫升的影響

王 沖，殷吉強，肖 波，白 光，楊長輝

（重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045）

近年來隨著結構技術的發展與工程需要，大體積混凝土在水工建設中大量應用外，在建筑工程中的應用也越來越普遍。大體積混凝土最關注的問題是因其水泥水化引起的絕熱溫升，以及由此引發的混凝土溫度裂縫等。當前針對大體積混凝土絕熱溫升的研究主要集中于絕熱溫升的模擬計算與預測，或者溫升的控制技術以及混凝土溫升的影響因素研究。其中，Hu等［1］、Hisashi等［2］、Ballim［3］、Qian等［4］利 用數學模型預測或計算了不同結構大體積混凝土的絕熱溫升，Funamoto等［5］、張湧等［6］研究了大體積混凝土溫升控制技術，汪冬冬等［7］、Ng等［8］、Wang等［9］、王甲春等［10］試驗研究了摻合料或外加劑對混凝土溫升的影響，何建國等［11］測試了不同水膠比混凝土的溫升，Shen等［12］分析了環境條件等對混凝土溫升的影響。不過，很少針對水泥細度與組成成分對混凝土絕熱溫升影響的系統研究。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料 水泥為重慶拉法基水泥有限公司生產的熟料與天然二水石膏混合磨細而成，水泥熟料及石膏化學成分見表1。試驗中水泥細度分別為297、337、385m2／kg，天然二水石膏含量為總質量的3.5%、4.5%和5.5%。水泥基本性能見表2。粉煤灰為重慶珞璜電廠生產的Ⅱ級灰，比表面積為330m2／kg，密度為2.45g／cm3，其化學成分見表1。

表1 水泥熟料與石膏化學成分 %

表2 水泥基本性能

1.1.2 骨料 細骨料采用洞庭湖中砂，細度模數2.3，表觀密度2.64g／cm3，含泥量1.4%；粗骨料為歌樂山石灰石碎石，表觀密度為2.70g／cm3，含泥量為0.3%。

1.1.3 堿 分析純NaOH，片狀固體，重慶川東化工有限公司生產。堿含量參照文獻［13］的方法，通過在拌合水中添加NaOH（以占水泥質量百分比的Na2O%當量計算）使水泥中總堿量分別為0.4%、0.8%和1.2%。

1.2 混凝土溫升測定

試驗采用天津市建筑儀器廠生產的HJW－2混凝土絕熱溫升測定儀，該儀器由兩部分組成：試件箱和控制器（如圖1所示）。

圖1 混凝土絕熱溫升測定儀

試驗中，混凝土攪拌卸料、裝入容積為30L的桶中并振動密實，30L桶外還有一套桶，內外桶各自蓋好后置于試件箱中，試件箱外殼除鋼板外，主要以膨脹聚苯板作為保溫隔熱層。溫度測試中，混凝土溫升測定儀一直置于溫度20±2℃實驗室。

試驗混凝土配合比列于表3，試驗中，調整水泥細度以及堿含量、石膏用量與粉煤灰摻量，水泥用量保持不變。

表3 混凝土溫升試驗配合比

2 試驗結果及分析

2.1 水泥細度的影響

測試了水泥細度分別為297、337、385m2／kg的混凝土的絕熱溫升值，測試結果示于圖2及表4。

圖2 不同細度的水泥混凝土絕熱溫升曲線

表4 水泥細度對混凝土溫升影響

從圖2與表4結果可以看出，隨著水泥細度增大，混凝土溫升增加，水泥比表面積分別為297、337、385m2／kg時，混凝土最大溫升值分別達到36.8、39.2和40.0℃。由圖2溫升曲線還可以看出水泥細度與混凝土溫升速率的關系。水泥細度增加，混凝土絕熱溫升速率也相應增大，水泥比表面積297m2／kg時混凝土達到最高溫度所用時間為45h，比表面積為337和385m2／kg時達到最高溫度的時間分別為39和36h。水泥細度的增加提高了混凝土溫升值，縮短了達到最高溫度時間的原因眾所周知，即水泥比表面積大，與水接觸面積大，水泥水化速度較快，且在短時間內水化放熱量也更大。

2.2 水泥堿含量影響

測試了堿含量分別為0.4%、0.8%及1.2%的水泥的混凝土絕熱溫升值，結果如圖3及表5所示。

圖3 水泥堿含量不同時的混凝土絕熱溫升曲線

從圖3與表5溫升測試結果可以看出，水泥堿含量分別為0.4%、0.8%與1.2%時，混凝土溫升最大值分別為33.7、34.5及32.2℃，隨著堿含量增加，混凝土最大絕熱溫升值降低。

表5 堿含量對混凝土溫升影響

圖3與表5結果也顯示，與何真等［14］的研究結果不同的是，不同堿含量的水泥配制的混凝土，達到最大溫升值的時間也不同，堿含量0.4%的水泥其混凝土溫升在36h達到最高，水泥堿含量為0.8%達到最大溫升時間最短，只有30h，而水泥堿含量增加至1.2%時達到最大溫升值的時間為51h，這反映出堿含量從0.4%增加至0.8%時，水泥水化與混凝土溫升值增大，而再繼續增大堿含量，水泥水化反而受到抑制。這一結果可由文獻［15］得到解釋，即：堿的加入，使得石膏消耗速度加快，鈣礬石形成速率與水化硅酸鈣與氫氧化鈣形成速率加速，表現為混凝土溫升速率加快；不過，堿濃度超過一定量后將延緩硫鋁酸鹽的形成，從而影響水泥水化速度，混凝土溫升受到限制。

2.3 粉煤灰摻量的影響

試驗測試了以粉煤灰作為水泥混合材時其摻量分別為0%、10%、20%和30%的混凝土溫升規律。試驗結果如圖4及表6所示。

圖4 水泥中不同粉煤灰摻量的混凝土溫升曲線

表6 粉煤灰摻量對混凝土溫升影響

圖4與表6結果顯示，粉煤灰取代水泥熟料后，隨著取代量從0增加至30%，混凝土溫升值隨之相應減小。不摻粉煤灰時混凝土最大溫升值為41.9℃，粉煤灰摻量30%時的最大溫升值降低至只有31.6℃，降低至非常明顯，這主要是因為粉煤灰取代水泥熟料，水泥熟料含量降低，水泥水化熱減小，混凝土溫升值隨之降低。結果也顯示，粉煤灰的摻入使得達到溫度最大值的時間也相應的延后，不摻粉煤灰時達到最高溫度的時間為35h，粉煤灰摻量30%時，溫升最大值時間比不摻粉煤灰的混凝土時間延后了30h。出現這種情況的原因在于，粉煤灰減小了水泥水化熱的同時，水化放熱速率也相應減小，最大溫升出現時間延后。此外，粉煤灰的火山灰效應使得其二次反應放熱比水泥水化放熱滯后，且火山灰效應持續時間很長，因而圖4顯示粉煤灰摻量30%時，水化65h后溫升值仍在增加，其原因就在于粉煤灰的火山灰反應放熱。

2.4 石膏含量的影響

試驗測試了水泥中二水石膏含量不同時的混凝土溫升情況，石膏含量分別為3.5%、4.5%、5.5%?；炷翜厣郎y試結果是與圖5及表7中。

圖5 水泥中不同石膏含量的混凝土溫升曲線

表7 石膏含量對混凝土溫升影響

圖5與表7結果顯示，增加水泥中石膏含量，可以降低混凝土的最大溫升值。水泥中石膏含量分別為3.5%、4.5%和5.5%時，石膏含量3.5%時混凝土的溫升最大，達到42.0℃，石膏含量分別為4.5%和5.5%時的混凝土溫升最高值只有30.4和29.2℃，二者相差不大。

圖5結果還表明，石膏含量不同時，隨石膏含量增加，混凝土溫升值增加速率也相應減小，達到最高溫度的時間相應延后。彭家惠等［16］認為，石膏含量決定鈣礬石形成總量；楊南如等［17］研究表明，鈣礬石的穩定條件在很大程度上決定于液相中［SO3］的濃度，若溶液中［SO3］的濃度過低，則鈣礬石難以生成或不能穩定存在。在本文試驗條件下，石膏含量從3.5%增至5.5%，水泥中鈣礬石生成量增大且穩定性增加，延緩了水泥水化放熱，因而導致混凝土溫升值及溫升速率也相應減小。

3 結論

1）隨著水泥比表面積的增加，混凝土絕熱溫升值與溫升速率皆增大。

2）水泥堿含量在0.4%～1.2%范圍內，水泥堿含量增加，其最大溫升值減小，不過最大溫升值出現時間是堿含量0.8%時最短，水泥堿含量過高或過低都會延長混凝土最大溫升時間。

3）粉煤灰的摻入，混凝土最大溫升值顯著降低，而混凝土最大溫升出現的時間相應延后。

4）石膏含量增加，減小了混凝土的最大溫升，延緩了混凝土溫升速率。

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