高性能路面水泥砼熱學(xué)性能與孔結(jié)構(gòu)特征分析

呂強(qiáng)，胡建中

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410004）

高性能路面水泥砼熱學(xué)性能與孔結(jié)構(gòu)特征分析

呂強(qiáng)，胡建中

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410004）

對配制的不同配合比高性能路面砼進(jìn)行試驗(yàn)，比較分析其熱學(xué)性能參數(shù)和孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。結(jié)果表明，礦物摻合料的加入可較大幅度降低水泥水化熱，加入礦物摻合料后早期水泥水化放熱速率降低；相對于單摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦粉不利于推遲水泥水化溫峰，單摻礦粉、雙摻礦粉及粉煤灰只對降低砼早期水化溫升有用，對后期無明顯作用；采用低用水量配置砼可取得較好的孔結(jié)構(gòu)。

公路；水泥砼；熱學(xué)性能；水化熱；孔結(jié)構(gòu)

相較于普通砼，高性能水泥砼具有強(qiáng)度高、耐久性好、工作性能優(yōu)良及體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在路面工程中的經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。高性能砼與普通砼的區(qū)別在于配合比設(shè)計、原材料和外加劑選用等不同。

砼路面澆筑后，凝結(jié)硬化過程中會產(chǎn)生水化熱導(dǎo)致溫度升高，在砼內(nèi)部積蓄大量熱量。由于砼本身的導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量在短時間內(nèi)不容易散發(fā)，造成砼內(nèi)部溫度越來越高，與砼外表形成溫度梯度，當(dāng)溫度應(yīng)力大于砼的抗拉強(qiáng)度時將產(chǎn)生裂縫，影響路面的使用性能。此外，砼路面在澆筑過程中不可避免地會融入空氣，在砼內(nèi)部形成孔隙，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特性對砼的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性等性能有著重要影響。鑒于此，該文開展不同配合比高性能路面砼熱學(xué)性能和孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析，為路面水泥砼強(qiáng)度等因素測試及施工提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料

水泥為安徽巢湖東關(guān)水泥廠生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用淮南礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的粉煤灰，細(xì)度10%，燒失量1.79%，三氧化硫含量0.83%，氧化鈣含量5.32%；外加劑采用TK-PCA聚羧酸高效能減水劑；骨料采用石灰?guī)r二級配碎石，骨料最大粒徑25mm；細(xì)集料采用安徽巢湖生產(chǎn)的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.78。

2 砼熱學(xué)性能分析

砼的溫升會影響路面材料的耐久性。伴隨溫度升降砼會發(fā)生脹縮變形，其變形主要取決于砼的熱脹系數(shù)和溫度變化量，其中溫度變化量是主要因素。水泥用量和水泥水化放熱速率決定砼的溫度，砼水化放熱能力的評價指標(biāo)主要為絕熱溫升，砼的溫差則取決于散熱或保溫效率。因此，砼的熱學(xué)性能是砼的一項(xiàng)重要性質(zhì)。

2.1水泥水化熱

采用差分量熱儀測量不同膠凝材料組合的水化放熱情況，推薦水膠比為0.30～0.50，配合比見表1。摻合料對水泥水化熱和放熱速率的影響見圖1。

表1　水泥水化熱試驗(yàn)配合比

圖1　水泥水化熱和放熱速率試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可見，膠凝材料中摻加粉煤灰和礦粉等礦物摻合料后，水泥水化熱反生了較大變化，表現(xiàn)在以下方面：

（1）礦物摻合料的加入較大幅度降低了水泥水化熱，2號、3號配合比的水化熱降低幅度比1號大，水化熱降低程度隨水泥用量減少而增大。說明礦物摻合料的加入能有效降低砼的水化升溫，對降低由于溫度應(yīng)力引起的砼裂縫能起較好的作用。

（2）礦物摻合料加入后，早期水泥水化放熱速率降低，水泥水化放熱速率達(dá)到最大值的時間后移。2號和3號配合比的水化放熱速率均小于1號。由于礦粉早期也參與水化反應(yīng)，早期3號配合比的水化放熱速率大于2號。

（3）相對于單摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦粉不利于推遲水泥水化溫峰。雖然雙摻后水泥的水化熱與單摻粉煤灰相比有所降低，但雙摻后溫峰處的水泥水化速率增大。

2.2砼絕熱溫升

通過砼的絕熱溫升試驗(yàn)研究礦物摻合料的摻入對砼放熱量和放熱速度的影響，砼配合比見表2，試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

表2　絕熱溫升試驗(yàn)配合比

從圖2可以看出：在早期的相同時刻，砼中心溫度由高到低依次為純水泥砼（配合比1）、單摻礦粉砼（配合比3）、雙摻砼（配合比4）、單摻粉煤灰砼（配合比2）。48 h后雙摻砼的中心溫度逐漸超過單摻砼，最終達(dá)到純水泥砼的水平。

從圖3可以看出：單獨(dú)以大摻量粉煤灰代替水泥確實(shí)可以降低砼的水化熱溫升，砼中心溫度大約平均降低5℃。單摻量礦粉、雙摻礦粉和粉煤灰只對降低砼早期水化溫升起作用，對后期無明顯作用。

圖2　砼中心溫度隨時間變化曲線

圖3　砼絕熱溫升曲線

3 砼結(jié)構(gòu)孔隙特性分析

砼的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特性對砼的強(qiáng)度、抗?jié)B性能、抗凍性能、收縮性能、徐變等有著重要影響。下面對不同水膠比砼的孔隙分布及不同含氣量砼的氣泡特征進(jìn)行試驗(yàn)分析，砼配合比見表3。

表3　各類型配合比砼及含氣量、坍落度試驗(yàn)結(jié)果

3.1壓汞法測量砼的空隙結(jié)構(gòu)特征

采用ASPE-730自動壓汞儀測量砼孔結(jié)構(gòu)的微觀組成，結(jié)果見圖4。

由圖4可知3組砼配合比中的孔隙分為兩部分：一部分是孔徑小于50 nm的毛細(xì)孔，屬于無害孔或少害孔；另一部分是孔徑在100μm左右的由引氣劑引入的微孔，這類孔使砼的抗凍性有所提高，只是對強(qiáng)度會產(chǎn)生影響。配合比B1的水膠比比B2和B3大，B1在孔徑為100～1 000 nm時含有的有害孔比B2和B3多，這種孔不但對砼強(qiáng)度不利，也對耐久性不利。說明采用低用水量配置砼可取得較好的孔結(jié)構(gòu)。

圖4　壓汞法測砼孔隙率試驗(yàn)結(jié)果

3.2砼氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)測砼孔隙結(jié)構(gòu)

3種配合比砼中孔隙的存在形式有兩類：一是毛細(xì)孔，孔徑為納米級別；另一種為微孔，孔徑為微米級別。壓汞法對于微米級別孔隙的測量較為準(zhǔn)確，但對納米級別孔隙的測量只能作出定性分析，不能進(jìn)行定量分析。鑒于此，對于砼孔隙結(jié)構(gòu)的測量采用氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)方法，該方法能較為準(zhǔn)確地測量硬化砼中微孔的尺寸和分布情況。

砼氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)采用MIC-840型砼孔隙測定儀，其測量范圍為9～2 200μm，移動范圍為±60mm，最小移動單位為0.001μm，能測定的最小孔隙直徑為5μm。測試結(jié)果見表4，氣泡在砼中的分布情況見圖5。

表4　氣泡間距系數(shù)測試結(jié)果

圖5　硬化砼中氣泡分布

由表5可知：3種配合比砼硬化后的氣泡平均間距都在300μm以下，其中B1和B3小于200 μm，說明砼的抗凍性較好。除B2外，B1和B3硬化砼中的氣泡孔徑都在100μm左右，說明試驗(yàn)中采用的引氣劑品質(zhì)較好，引入的氣泡質(zhì)量較高。

4 結(jié)論

（1）礦物摻合料的加入可較大幅度地降低水泥水化熱。

（2）加入礦物摻合料后，早期水泥水化放熱速率降低，水泥水化放熱速率達(dá)到最大值的時間后移。

（3）相對于單摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦粉不利于推遲水泥水化溫峰。

（4）單摻礦粉、雙摻礦粉及粉煤灰均只對降低砼早期水化溫升有用，對后期無明顯作用。

（5）采用低用水量配置砼可取得較好的孔結(jié)構(gòu)；氣泡間距系數(shù)試驗(yàn)可較為準(zhǔn)確地測量硬化砼中微孔的尺寸和分布情況。

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2016-04-13