水泥溫度對混凝土性能的影響研究

雷萬康

（九江市粵鑫混凝土有限公司，江西 九江 332005）

0 前言

混凝土材料可模性好、強度和耐久性好，在工民建、交通工程、市政工程等諸多領域廣泛應用，成為最重要的建筑結構材料之一。混凝土質量受原材料、配合比、施工方式等因素影響，其中作為主要膠凝材料的水泥質量尤其重要[1]。當前基礎設施投資巨大，混凝土需求居高不下，導致水泥、砂石等原材料供應緊張，導致入庫水泥來不及冷卻就被直接應用到混凝土生產中。熱水泥由于儲存了較高的熱量，水化速率加快，往往會帶來混凝土需水量高、緩凝劑和外加劑摻量高且使用效率降低等問題[2]，同時也增大了混凝土工程塑性開裂的風險，因此需要對熱水泥帶來的影響重點關注。

本文研究了不同溫度的水泥對水泥及混凝土性能的影響，通過實際數據揭示熱水泥對水泥混凝土帶來的負面影響，以期為混凝土生產提供技術參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥為海螺 P·O42.5 水泥，性能指標見表1。粉煤灰為 Ⅱ 級灰，需水比為 99%。

表1 試驗水泥性能指標結果

（2）試驗用機制砂為中砂，細度模數為 2.6，MB 值為 1.5，石粉含量為 10%。細砂為河砂，細度模數為 1.2，含泥量 2.0%。

（3）石子為碎石，連續級配，由 5～10mm 小石和 10～25mm 的大石按照一定比例混合而成，壓碎指標為 9.0%。

（4）外加劑為聚羧酸高性能減水劑，含固 14%，推薦摻量為 1.0%，具體以實際生產為準。

1.2 試驗方法

（1）將冷卻的水泥放入烘箱內進行烘干，并不定時測試水泥的溫度，獲得內部溫度分別為 30℃、50℃、70℃、90℃、110℃ 的水泥。

（2）將水泥和水按照 0.4 的水灰比進行制樣，采用美國 TAM air 八通道微量熱儀進行水泥水化熱的測定。

（3）水泥標準稠度和凝結時間測試參照 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》進行試驗。

（4）混凝土工作性能試驗按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。混凝土抗壓強度參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，成型 100mm×100mm×100mm 立方體試塊，24h 后拆模，測試設定養護條件下的混凝土抗壓強度。

（5）試驗混凝土配合比：以 C30 為例，混凝土配合比及各原材料用量見表2。

表2 C30 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果及討論

2.1 水泥溫度對水泥標準稠度用水量的影響

將不同溫度的水泥加水拌和，測試標準稠度用水量，結果見表3 和圖1。

表3 不同溫度水泥的標準稠度用水量

從表3 和圖1 可以看出，水泥溫度升高，水泥標準稠度用水量越高，溫度為 110℃ 的水泥比 30℃ 的水泥標準稠度用水量增加超過 8%，熱水泥需水量顯著提高。溫度越高，水泥熟料礦物的反應越活躍，水泥水化速率提高，對水分的需求就越大。

2.2 水泥溫度對水泥凝結時間的影響

凝結時間是混凝土重要的施工指標之一，保持合適的凝結時間能夠有助于水泥水化和強度發展，降低水化熱。水泥溫度提高，熟料礦物水化加快，對水泥凝結時間會產生一定影響。表4、圖2 為不同溫度的水泥凝結時間測試結果。

圖1 水泥溫度對水泥標準稠度的影響

表4 溫度對水泥凝結時間的影響

圖2 不同溫度的水泥凝結時間

表4 和圖2 結果顯示，水泥溫度從 30℃ 增加至 110℃，水泥的初凝時間和終凝時間都明顯縮短，且水泥入庫溫度越高，水泥初凝時間和終凝時間的間隔也相應減少，用于施工時混凝土的凝結時間也會縮短。水泥的凝結是水泥礦物進行復雜反應均勻成核的過程，水泥溫度高，水泥水化反應加快，水化熱增加[3]，又進一步促進了水泥進一步水化，從而使得水泥水化生成硅酸鈣凝膠和鈣礬石等水化產物的數量增加，時間提前，水泥初凝和終凝時間都出現降低。

2.3 水泥溫度對水泥水化放熱速率的影響

水泥溫度高，參與反應所需要突破的能壘較小，在水泥水化過程中能起到促進作用[4]。對不同溫度的水泥 24h 水化放熱速率進行測試，結果見圖3。

為了加強對本課時知識的鞏固，我要求學生構建本框題知識網絡，拍照上傳至云課堂平臺，互相點評與改進。在云平臺的“分享區”，我還建議學生上網查找“韓國樂天事件”的后繼報道并上傳，供同學們進一步學習，培養學生關注生活和關注時事的意識。當然，學生也可以在線分享本課時的感悟與收獲。

圖3 水泥溫度對水化放熱速率的影響

從圖3 結果可以發現，水泥溫度較高，水泥水化周期提前，2h 以內隨著水泥溫度的提高，水泥水化速率加快，之后隨著水化反應的繼續，在 6～12h 水化反應出現分化，常溫水泥反應生成的水化硅酸鈣和鈣礬石等水化產物均勻分布，水泥顆粒突破反應產物進行后續反應所需能量相對較低，二次反應時間提前，高溫水泥由于前期反應速率較快，生成的水化產物對后續水泥粉體顆粒形成堅硬包裹，突破能壘進行二次反應的時間也要相應推遲[5]。高溫水泥水化反應較快，給混凝土凝結時間和保坍性能帶來了極大挑戰。

2.4 水泥溫度對混凝土工作性能的影響

有些混凝土生產企業在水泥入庫后不經冷卻均化就投入使用，這種情況在停產和限產時段更加常見。熱水泥會使得自身凝結時間縮短，對混凝土工作性能帶來負面影響。采用基準配合比，調整外加劑摻量，使得出機混凝土擴展度在 (580±10)mm，并測試混凝土 1h 經時損失，結果見表5。

表5 水泥溫度對 C30 混凝土工作性能的影響

表5 結果顯示，熱水泥會增加外加劑的用量，水泥溫度從 30℃ 提高至 110℃，達到相同混凝土流動性的外加劑摻量從 2.0% 提高至 3.1%，熱水泥對外加劑的吸附顯著增加。水泥溫度增加又會顯著提高混凝土的坍落度損失，當水泥溫度達到 110℃ 時，1h 混凝土擴展度損失超過 30%。

2.5 水泥溫度對混凝土抗壓強度的影響

表6 和圖4 為以表2 混凝土配合比拌和出的混凝土抗壓強度結果。

表6 水泥溫度對混凝土抗壓強度的影響

圖4 水泥溫度對各齡期混凝土抗壓強度的影響

圖4 結果顯示，隨著水泥溫度增加，混凝土 3d 和 7d 抗壓強度增加，這是因為水泥溫度高，水泥水化較快，生成較多的水化產物，使得水泥早期強度增長較快。但高溫水泥又會使得混凝土 28d 和 60d 強度降低，且溫度越高，混凝土后期強度增長幅度越低。熱水泥促進水泥水泥速率，提高水泥早期強度的同時，后期由于熟料礦物降低，且生成的水化產物的不均勻分布[6]使得混凝土強度增長乏力。

3 結論

（2）高溫水泥使得水泥水化反應提前，反應速率加快，給水泥混凝土凝結時間和保坍性能帶來負面影響。

（3）水泥溫度高，混凝土達到相同流動性時，會增加外加劑的用量，且水泥溫度越高，混凝土坍落度和擴展度經時損失越快。

（4）隨著水泥溫度升高，水泥早期水化快，生成的水化產物增多，混凝土 3d 和 7d 強度有所增加， 28d 和 60d 強度增長乏力。