活化摻合料對低溫混凝土性能的影響

李志遠，李立輝，張 斌

(交通運輸部公路科學研究所，北京 100888)

混凝土在低溫條件下的強度發展決定了冬季混凝土工程的施工進度和施工質量，其中，水泥的水化受溫度的影響很大，冬季低溫條件下，混凝土的強度發展速率會變得很緩慢[1-4]，甚至在負溫條件下水泥不會進行水化。混凝土的早期凍害對后期強度和耐久性影響很大，因此如何提高低溫下混凝土的早期強度是學者們一直研究的問題。在混凝土中摻入活性摻合料可以改善混凝土內部結構，提高密實度，從而提高混凝土的早期強度[5-8]。本試驗選用兩種不同類型的活性摻合料，通過比較摻入兩種材料后混凝土工作性、水化放熱量和三種不同養護制度下的強度規律，確定更適合在低溫條件下使用的活性摻合料。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥選用北京琉璃河P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，高貝利特水泥為唐山北極熊生產；粉煤灰選用唐山F類Ⅰ級粉煤灰；碎石選用河北5～20 mm 連續級配的石灰巖質碎石；細骨料采用河北三河天然中砂，細度模數為2.9；外加劑為江蘇蘇博特聚羧酸高性能減水劑；混凝土活化材料主要成分見表1，其中ONE@和BE@為日本電氣化學社生產，CAH@為交通運輸部公路科學研究所自研。

表1 活化材料 kg·t-1

1.2 配合比

混凝土配合比見表2。

表2 試驗配合比

1.3 塑性黏度試驗方法

在5 ℃環境下，使用時打開ICAR軟件，取約25 L新拌混凝土，緩慢倒入容器，旋轉振動3～5下后抹平，將葉輪插入新拌混凝土，進行不同設置速度的旋轉。作用于葉輪上的相應于不同速度的扭力被記錄下來，用于計算基本單位下的Bingham流變參數：塑性黏度和屈服應力。實驗操作全部自動化，可在60 s內完成，外觀詳見圖1。

2 結果與討論

2.1 工作性

表3為5 ℃環境下，不同經時混凝土拌合物的塑性黏度、屈服應力、坍落度和擴展度值。

由表3可知，隨著活化材料ONE@-10和活化材料CAH@-10的摻入，水泥混凝土拌合物的初始塑性黏度略有增加(15%～30%)，初始坍落度和坍落擴展度減少，但均可滿足施工要求。混凝土拌合物的黏度增加，使用性能下降，其中摻活化材料CAH@-10混凝土拌合物的工作性下降顯著，漿體稠化，流動性降低，然而，摻活化材料ONE@-10混凝土拌合物的黏度和坍落度與空白組幾乎相當，塑性黏度在130～140 Pa·s，坍落度損失20 mm以內，具有較良好的流動性和工作性。

圖1 ICAR流變儀

表3 混凝土拌合物性能

2.2 不同溫度下水化

圖2和圖3分別為恒定5 ℃和-10 ℃條件下，活化材料ONE@-10和活化材料CAH@-10的水化溫升曲線。

圖2 在5 ℃下摻活化材料的混凝土內部溫度變化

圖3 在-10 ℃下摻活化材料的混凝土內部溫度變化

由圖2可知，在環境溫度恒定5 ℃條件下，以降低鈣礬石成核類型活化材料ONE@-10的水化溫升峰值比提供鋁酸鈣的活化材料CAH@-10高，且摻量越高現象越突顯。此外，按照時間和溫度圍成面積——累計溫度計算，相同摻量下ONE@-10活化材料其在5 ℃條件下的累計溫度面積大于CAH@-10活化材料，即ONE@-10活化材料的低溫持續自放熱量大于CAH@-10活化材料。

由圖3可知，在恒-10 ℃條件下，摻入一定劑量活化材料ONE@-10和CAH@-10均使混凝土內部溫度呈上升趨勢，這一趨勢水化加速期①持續時間約120 min，溫度上升約5～7 ℃，達到峰值后開始緩慢下降，即水化減速期。②反應放熱量小于熱交換，并在0 ℃附近出現一個相對較長的零點平臺，活化材料的放熱量越高，零點平臺維持時間越長。由圖3可知，活化材料ONE@-10在恒-10 ℃下的放熱量高于活化材料CAH@-10，有利于在恒低溫下水化活化應用。綜上可知，在恒負溫條件下以降低鈣礬石成核結晶的活化材料ONE@-10比以提供鋁酸鈣的活化材料CAH@-10具有更高的自放熱量性能。

2.3 抗壓強度

圖4和圖5分別為在5 ℃和-10 ℃環境下養護不同齡期水泥混凝土的抗壓強度。

圖4 在5 ℃下養護，摻活化材料混凝土在不同齡期的抗壓強度

圖5 在-10 ℃下養護，摻活化材料混凝土在不同齡期的抗壓強度

由圖4可知，恒5 ℃條件下養護，摻入低溫活化材料ONE@-10和CAH@-10均有效提高了水泥混凝土的早期強度，其中摻10%ONE@-101d抗壓強度提高了44%，摻10%CAH@-101d抗壓強度提高了101%；但是，摻入活化材料CAH@-10試件28d強度均出現倒縮現象(倒縮12%)，這與其水化產物有關，由于提供大量的鋁酸鈣，產生的CAH10和C2AH8等片狀、針狀晶體相互交叉搭接，形成的骨架結構空隙率高不穩定，且這些水化產物不穩定容易發生晶形轉變引起強度衰減。

結合圖3和圖5可知，在恒-10 ℃條件下，未摻任何活化材料的普通硅酸鹽水泥混凝土幾乎停止水化，而摻入活化材料的均有水化強度形成。雖然活化材料CAH@-10的累計溫度面積小于活化材料ONE@-10，但是相同齡期內的強度卻更高，尤其1d強度更強勁，這也是CAH@-10常被應用在負溫條件下快速修補材料的原因。

圖6 在5 ℃和-10 ℃下交變養護，摻活化材料混凝土在不同齡期的抗壓強度

從圖6可知，在-10 ℃條件下養護一定齡期后轉正溫(5 ℃)養護，未摻任何防凍劑或活化材料的空白組強度僅為恒5 ℃條件下養護的27%。由負溫轉正溫，摻一定量活化材料ONE@-10的水泥混凝土的強度幾乎可恢復到正溫養護水平，而摻活化材料CAH@-10則強度增長略低。綜述可知，活化材料CAH@-10在負溫下具有比活化材料ONE@-10更強的強度發展和更小的水化放熱量，但是，活化材料CAH@-10所形成的水化產物不穩定，后期強度發生倒縮現象，不利于重要結構部位使用。

3 結 論

(1)活化材料ONE@-10和CAH@-10的摻入均會使混凝土的塑性黏度增加，坍落度和坍落擴展度減少，但摻活化材料CAH@-10混凝土拌合物的工作性下降顯著，而摻活化材料ONE@-10混凝土拌合物的塑性黏度在130～140 Pa·s，坍落度損失20 mm以內，具有較良好的流動性和工作性。

(2)活化材料ONE@-10混凝土的低溫持續自放熱量大，在低溫條件下(5 ℃)早期強度提高，1d抗壓強度提高了44%，且由負溫養護轉變為正溫養護后，水泥混凝土的強度幾乎可恢復到正溫養護水平，有利于在恒低溫下水化活化應用。

(3)摻活化材料CAH@-10混凝土的低溫持續自放熱量小于ONE@-10，在低溫條件下(5 ℃)早期強度提高卻更顯著，1d抗壓強度提高了101%，但由于CAH10和C2AH8等片狀、針狀水化產物空間結構不穩定，后期28d出現了強度倒縮現象，由負溫養護轉變未正溫養護后，水泥混凝土的強度較低，不利于重要結構部位使用。