水泥溫度對(duì)混凝土性能及早期開(kāi)裂影響研究*

何凱，林喜華，路東義，趙士豪，李馨慧，顧青山，何欣

（中建西部建設(shè)貴州有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 前言

水泥是預(yù)拌混凝土中非常重要的組成材料，水泥質(zhì)量會(huì)直接影響混凝土性能[1]。水泥溫度對(duì)水泥本身性能及該溫度水泥拌制混凝土性能都有不同程度的影響。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥溫度都有嚴(yán)格的限制，其中 GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》要求用于生產(chǎn)混凝土的水泥溫度不宜高于 60℃，DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》要求運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的散裝水泥入罐溫度不宜高于65℃。但多數(shù)情況下，商品混凝土攪拌站水泥進(jìn)廠溫度都達(dá)到 80℃ 以上。夏季高溫季節(jié)，很多時(shí)候進(jìn)廠的水泥溫度，甚至高達(dá) 100℃ 以上。

水泥溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能都有不利的影響[2]。高溫水泥導(dǎo)致混凝土工作性不佳、坍損加快，難以滿足施工要求；同時(shí)水化加快，水泥溫度應(yīng)力的不均勻使混凝土缺陷增加，導(dǎo)致力學(xué)性能變差[3]；又易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生干縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生會(huì)減弱混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)，減少使用壽命[4]。但由于目前攪拌站對(duì)水泥的需求量大，使用高溫水泥已經(jīng)成為許多混凝土企業(yè)的常態(tài)，研究不同溫度水泥對(duì)水泥性能的影響顯得至關(guān)重要。

1 原材料

（1）水泥：選用海螺 P·O42.5 水泥，具體性能見(jiàn)表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

（2）硅灰：選用貴州信達(dá)生產(chǎn)的硅灰，含水率0.12%，燒失量 2.3%，活性 120%，需水量比 119%。

（3）礦粉：由貴州某商家生產(chǎn)，含水率 0.14%，流動(dòng)度比 105%，燒失量 2.3%，活性 96%。

（4）粉煤灰：由貴州某生產(chǎn)廠家提供，含水率0.12%，燒失量 8.3%，細(xì)度 24%，活性 70%，需水量比98%。

（5）減水劑：選用中建新材料高性能減水劑，減水率 26%，固含量 13%，pH 值 6.2%，28d 抗壓強(qiáng)度比138%。

（6）水：選用試驗(yàn)室自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法采用控制變量法。設(shè)置水泥溫度為單一變量，統(tǒng)一其余參數(shù)。調(diào)整烘箱溫度，試驗(yàn)水泥放入烘箱恒溫 2h 以上，用溫度計(jì)測(cè)量水泥溫度，待水泥溫度恒定為設(shè)定溫度時(shí)取出水泥進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)置 60℃、70℃、80℃、90℃、100℃ 五個(gè)變量。配合比、試驗(yàn)室溫濕度、原材料種類等參數(shù)保持一致，采用 C50 配合比進(jìn)行試驗(yàn)，單方配合比信息見(jiàn)表2。

表2 C50 混凝土配合比 kg/m3

2.1 水泥性能試驗(yàn)

研究水泥溫度對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間的影響，其中水泥凈漿流動(dòng)度分為固定外加劑摻量 1%，飽和外加劑摻量分別為 1.20%、1.30%、1.47%、1.53%、1.67%、2.0% 兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3～5 和圖1～4。

表3 固定外加劑摻量的不同溫度水泥凈漿流動(dòng)度

由表3 和圖1 可知，當(dāng)保持外加劑摻量固定為1.0% 時(shí)，使用外加劑水泥凈漿試驗(yàn)外加劑均有緩釋，相同經(jīng)停時(shí)間，凈漿流動(dòng)度隨著水泥溫度上升而減小，100℃ 水泥凈漿無(wú)流動(dòng)性；從 3h 的損失情況看，當(dāng)水泥溫度高于 90℃ 時(shí)水泥凈漿流動(dòng)度損失比較明顯。由圖2 可知，當(dāng)外加劑摻至飽和狀態(tài)時(shí)，外加劑摻量隨著水泥的溫度的升高而增加，相同經(jīng)停時(shí)間的凈漿流動(dòng)度隨水泥溫度的升高而減小，但各不同溫度水泥凈漿流動(dòng)度 3h 基本無(wú)損失。由圖3 可知，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨著水泥溫度的增加而增加。由圖4 可知，凝結(jié)時(shí)間隨水泥溫度的增加而減小。

圖3 不同溫度水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

圖4 不同溫度水泥凝結(jié)時(shí)間

表4 外加劑飽和摻量的不同溫度水泥凈漿流動(dòng)度

表5 不同溫度水泥標(biāo)稠用水量和凝結(jié)時(shí)間

圖1 固定外加劑摻量的不同溫度水泥凈漿流動(dòng)度

圖2 飽和外加劑摻量的不同溫度水泥凈漿流動(dòng)度

2.2 混凝土性能試驗(yàn)

2.2.1 不同水泥溫度對(duì)混凝土工作性影響

以基準(zhǔn)組外加劑摻量為固定摻量，與試驗(yàn)組對(duì)比混凝土拌合物性能，具體結(jié)果如表6 和圖5～8 所示。

表6 不同溫度混凝土拌合物性能

圖5 混凝土拌合物坍落度損失

由圖5 可以看出，隨著水泥溫度的升高，相同時(shí)間的混凝土拌合物坍落度基本呈下降趨勢(shì)，當(dāng)水泥溫度高于 80℃ 時(shí)，坍落度損失較為顯著，3h 后混凝土基本無(wú)工作性。由圖6 可知，新拌混凝土擴(kuò)展度損失趨勢(shì)與坍落度損失趨勢(shì)基本相同，當(dāng)水泥溫度高于 80℃ 時(shí)，擴(kuò)展度損失較為顯著，3h 后混凝土基本無(wú)工作性。由圖7 可知，新拌混凝土初始出機(jī)溫度隨水泥溫度升高而升高，但 2h 后基本穩(wěn)定在室溫。由圖8 可知，低于 80℃時(shí)，水泥升溫對(duì)混凝土初凝時(shí)間影響較小，高于 80℃時(shí)，混凝土初凝時(shí)間縮短明顯。

圖6 混凝土拌合物擴(kuò)展度損失

圖7 混凝土出機(jī)溫度隨時(shí)間變化

圖8 混凝土凝結(jié)時(shí)間

2.2.2 不同水泥溫度對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

通過(guò)檢驗(yàn)不同試驗(yàn)組 7d、28d 強(qiáng)度，其檢驗(yàn)結(jié)果如見(jiàn)表7 和圖9 所示，隨著水泥溫度的升高，混凝土7d、28d 強(qiáng)度逐漸降低，主要原因是水泥溫度過(guò)高，水化速率加快，破壞水泥水化曲線的平穩(wěn)狀態(tài)，使水泥溫度應(yīng)力集中，混凝土內(nèi)部缺陷增加，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能變差。

圖9 不同溫度混凝土抗壓強(qiáng)度

表7 不同溫度混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 早期抗裂試驗(yàn)

具體試驗(yàn)步驟參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。具體試驗(yàn)結(jié)果如表8 和圖10 所示。

表8 混凝土單位面積總開(kāi)裂面積

由圖10 可知，水泥溫度在 80℃ 以下時(shí)，隨著水泥溫度的上升，單位面積總開(kāi)裂面積呈增加趨勢(shì)，但增加量較少，水泥溫度超過(guò) 80℃ 后，單位面積總開(kāi)裂面積急劇增加，100℃ 時(shí)達(dá)到 1239mm2/m2，這說(shuō)明水泥溫度超過(guò) 80℃ 后，混凝土早期水化反應(yīng)較為劇烈，水分蒸發(fā)較多，混凝土硬化收縮加快。

圖10 混凝土單位面積總開(kāi)裂面積

3 結(jié)論

（1）隨水泥溫度的升高，使得水泥漿中部分吸附水和自由水散失，增加標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，水泥凈漿流動(dòng)度逐漸減小。水泥早期水化加快，導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間縮短。

（2）水泥溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能都有不利的影響。高溫水泥導(dǎo)致混凝土工作性不佳，損失加快，難以滿足施工要求。當(dāng)水泥溫度超過(guò) 80℃ 時(shí)，性能損失較為顯著，3h 后混凝土基本無(wú)工作性；低于 80℃ 時(shí)，水泥升溫對(duì)混凝土初凝時(shí)間影響較小，高于 80℃ 時(shí)，混凝土初凝時(shí)間縮短較大。同時(shí)水泥水化加快，水泥溫度應(yīng)力的不均勻使混凝土缺陷增加，導(dǎo)致力學(xué)性能變差，混凝土 7d、28d 強(qiáng)度逐漸降低。

（3）水泥溫度超過(guò) 80℃ 后，單位面積總開(kāi)裂面積急劇增加，100℃ 時(shí)達(dá)到 1239 mm2/m2，表明水泥溫度超過(guò) 80℃ 后，混凝土早期水化反應(yīng)較為劇烈，水分蒸發(fā)較多，混凝土硬化收縮加快。