持續負溫環境下水泥水化特性試驗研究

段 運，王起才，張戎令，鄧 曉，張 寧

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070;2.中交一公局橋隧工程有限公司，河北 保定 074000)

青藏鐵路凍土區橋梁工程分為兩大類，一類是跨越流水河谷、湖塘的橋梁工程，另一類則是跨越溫度極不穩定高含冰量凍土區的“以橋代路”橋梁工程，這些橋梁通常采用鉆孔灌注樁基礎［1-2］。青藏鐵路沿線凍土年平均地溫基本維持在－3.5～0℃［3］，而混凝土的入模溫度一般控制為2～10℃［4］，所以當混凝土澆筑后，多年凍土會持續吸收灌注樁混凝土自身的熱量。樁徑相對較小的灌注樁在凍土作用下，其樁身混凝土會長期處于持續負溫環境下進行水化反應。負溫環境會明顯減緩灌注樁混凝土的水化速率［5］，進而減少水化放熱量，降低水化程度，從而影響混凝土灌注樁強度的增長。目前，對持續負溫環境下水泥水化放熱量的定量分析、水化程度變化規律及樁身混凝土抗壓強度增長規律等尚缺乏深入研究，因此無法預測凍土層中混凝土結構物的微觀結構缺陷以及樁身強度不足等安全質量問題，而這些問題有可能導致沉降、晃車等病害。因此進行持續負溫(－3℃)環境下水泥水化放熱特性試驗研究，并進行多年凍土區橋梁鉆孔灌注樁水泥水化放熱量的定量分析顯得尤為重要。

本試驗通過對持續負溫環境下水泥凈漿水化放熱量的測定和定量計算，分析試驗數據以及影響因素，得到水泥水化程度及其增長規律，可為多年凍土區混凝土鉆孔灌注樁強度發展規律提供一定的理論支撐。

1 持續負溫環境下水泥水化放熱特性試驗

1.1 試驗方法

持續負溫環境下水泥凈漿水化熱試驗采用規范《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)［6］中的直接法。目前我國使用的水泥水化熱的測定方法有直接法與溶解熱法。溶解熱法是依據熱化學中的蓋斯定律，即化學反應的熱效應只與體系的初態和終態有關而與反應的途徑無關提出的。它是在熱量計周圍溫度一定的條件下，用未水化的水泥與水化一定齡期的水泥分別在一定濃度的標準酸溶液中溶解，測得溶解熱之差，作為該水泥在該齡期內所放出的水化熱。溶解熱法由于水化熱測定步驟比較繁瑣，試驗條件要求高，因此試驗結果通常誤差較大。本試驗采用操作簡單、誤差較小、精度較高的直接法。其原理是:將恒溫瓶放置在持續的負溫環境下，用測溫元件測定恒溫瓶內氯化鈉溶液、水泥漿體以及恒溫瓶內外空氣的溫度隨齡期的變化值，再通過公式計算不同齡期下恒溫瓶內氯化鈉溶液吸收的熱量和恒溫瓶內外交換的熱量，可得出不同齡期下的水泥水化放熱量。

1.2 試驗儀器和原材料

1.2.1 試驗儀器

試驗儀器包括環境模擬箱、恒溫瓶、溫度自動巡檢儀、溫度傳感器等。環境模擬箱如圖1所示，水化熱試驗裝置示意如圖2。

環境模擬箱有效尺寸6.0 m×3.5 m×2.2 m。溫度范圍為－20～80℃，升/降溫最大速率≥1℃/min，溫度變化可通過編程實現溫度加載，溫度波動度≤±0.5℃，溫度均勻度≤2℃;濕度范圍為 10% ～90%，濕度偏差≤±5%。

圖1 環境模擬箱

1.2.2 試驗原材料

圖2 水化熱試驗裝置示意

水泥采用甘肅永登祁連山水泥有限公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。試驗原材料各項實測性能指標如表1所示。

表1 原材料實測性能指標

1.3 試驗方案與步驟

1.3.1 試驗方案

試驗將水泥凈漿分為A，B，C 3組，水灰比分別為0.24，0.31，0.38，各組水泥用量均為500 g。水泥凈漿的入模溫度控制在3℃。恒溫瓶內氯化鈉溶液初始溫度低于－3℃，以使水泥凈漿入模后的周圍環境溫度盡快降到－3℃。

1.3.2 試驗步驟

試驗前，根據GB/T 12959－2008測定每組恒溫瓶的散熱常數K，并計算出每個恒溫瓶的總熱容量CP。水泥凈漿攪拌均勻后，灌入恒溫瓶中，然后用溫度自動巡檢儀測定A，B，C 3組恒溫瓶內氯化鈉溶液、水泥漿體以及恒溫瓶內外空氣的溫度隨齡期的變化值，算出不同齡期下恒溫瓶內氯化鈉溶液吸收的熱量和恒溫瓶內外交換的熱量，再通過式(1)計算得出不同齡期下的水泥水化熱量

式中:Qτ為τ齡期內水泥水化放出的總熱量，J;Cp為澆注完成后的恒溫瓶總熱容量，J/℃;Tτ為τ時刻的水泥水化溫度，℃;T0為水泥水化的初始溫度，℃;K為恒溫瓶的散熱常數，J/(h·℃);Σ S0～τ為0～τ時間內恒溫瓶內外溫度曲線之間的面積，h·℃。

2 結果與分析

2.1 持續負溫環境下水泥水化放熱量計算

試驗所采用的普通硅酸鹽水泥完全水化時的單位放熱量介于425～460 J/g之間［7］，本試驗取水泥完全水化單位放熱量為454 J/g。由公式(1)計算出3種水灰比水泥凈漿在不同齡期下的水化放熱量。水泥的水化程度γτ為

式中:Qτ為τ齡期內水泥水化放出的總熱量;Qmax為水泥完全水化放熱量;γτ為一定時間內發生的水化作用放熱量和完全水化放熱量的比值。

表2和圖3分別為負溫下A，B，C 3組水泥凈漿在各齡期的水化放熱量及水化放熱量隨齡期的變化曲線。

表2 負溫下不同水灰比水泥水化放熱量

2.2 持續負溫環境下水泥水化放熱分析

通過表2和圖3可以看出，在試驗齡期內，入模溫度控制在3℃時，3種水灰比水泥凈漿在持續負溫下的水化放熱量隨著齡期的增加而持續增大，不同水灰比水泥凈漿在同一齡期下的水化放熱量不同，水化放熱量隨齡期增長的變化程度呈現出個體差異。

圖3 負溫下不同水灰比水化放熱量隨齡期的變化曲線

持續的負溫環境對水泥凈漿的水化特性產生了很大的影響，負溫環境下3種水灰比水泥凈漿在不同齡期下的放熱量都比常溫環境下水化放熱量［8］有很大程度的減少。通常我們認為，在標準大氣壓下，水的冰點為0℃，但是當外界氣壓發生變化時，水的冰點會發生改變，且當水中溶有空氣時，其冰點也要下降［9］。硬化后的水泥漿體是非均質、多相體系，水存在于水泥石的孔道結構中，并與水泥發生水化反應。水泥石中含有多種不同的鹽類，鹽類的加入也會使水的冰點降低［10］，且由于冰晶引起基模勢或滲透勢的變化，未凍水會向凍區運動［11］，因此，在－3℃時，水泥漿體中的自由水并未全部結冰，依舊存在一部分液相水在繼續與水泥發生反應，但部分結冰的自由水無法直接與水泥發生水化反應。這與常溫情況相比，參與水化反應的水量大大降低，反應物總量相對變少，水化反應變得緩慢，水化程度也就較低。

從表2和圖3還可看出，不同水灰比對負溫環境下的水化放熱量的影響也不同，前12 d內水灰比為0.38的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.31的水泥凈漿放熱量次之，水灰比為0.24的水泥凈漿放熱量最小;12 d之后水灰比為0.31的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.38的水泥凈漿放熱量次之，水灰比為0.24的水泥凈漿放熱量最小。這是由于水泥凈漿的入模溫度是3℃，水泥凈漿在恒溫瓶中的初始水化溫度并沒有直接降到－3℃。初始水化溫度較高，促使水泥凈漿發生較大的初始水化反應，而水泥水化反應又屬于放熱反應，隨著初始水化反應的進行，水泥漿體的放熱量不斷增加，進一步加速了水化反應速率。水灰比的不同，在水泥漿體中體現為單位水泥顆粒周圍自由水含量的不同，水灰比越大，自由水含量越多，進而在負溫環境下，未結冰的自由水含量越多。這部分水可以直接與水泥顆粒發生水化反應，因此水灰比越大，早期水化反應越快，水化程度越大。但另一方面，隨著水灰比的增大，水泥漿體中自由水的含量增多，由于自由水遷移、泌出所造成的氣孔含量也相應地增多。隨著氣孔含量的增多，小的氣孔會合并成大的氣孔［12］，而水分子在不同孔徑的氣孔中所受的壓力不相同，冰點自然也就不同，小孔中的冰點較低，大孔中的冰點較高，當水化反應進行到一定程度時，水灰比較大導致水泥石中的大孔數量較多，未參加水化反應的自由水在負溫環境下在大孔中更易結冰，進而抑制了水泥水化反應的進行，因此水灰比較大時，水泥凈漿后期的水化反應變緩，水化程度降低。由此可知，負溫環境下，并不是水灰比越大，水化程度就最大，也不是水灰比越小，水化程度就越大，而是存在著該溫度范圍內的最優水灰比。

3種水灰比水泥凈漿在前12 d內水化速率較快，水化程度增長較大，之后隨著齡期的增加水化速率變緩，水化程度增長變慢。負溫對不同水灰比水泥凈漿早期水化程度影響較大，后期水化程度影響較小。

3 結論

1)持續的負溫(－3℃)環境對水泥凈漿的水化特性產生了較大的影響，對3種水灰比水泥凈漿在不同齡期下的放熱量有明顯的抑制作用。

2)持續的負溫(－3℃)環境下，前12 d內水灰比為0.38的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.31者次之，水灰比為0.24者最小;12 d之后水灰比為0.31的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.38者次之，水灰比為0.24者最小。負溫(－3℃)環境下，并非水灰比越大，水化程度就最大，也不是水灰比越小，水化程度就越大，而是存在著該溫度范圍內的最優水灰比。

3)3種水灰比水泥凈漿在前12 d內水化程度增長較快，隨著齡期的增加水化程度增長變緩。負溫(－3℃)對不同水灰比水泥凈漿早期水化程度影響較大，后期水化程度影響較小。

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