水泥細度和溫度對混凝土性能的影響

黃文君，王誠

（1. 江山市安順商品混凝土有限公司，浙江 衢州 324100；2. 江山市耕讀節(jié)能建筑材料有限公司，浙江 衢州 324100）

0 前言

混凝土在基礎設施建設中不可或缺，作為重要的建筑結構材料，混凝土的性能對工程質量尤為重要。混凝土作為多組分材料，通過將膠凝材料、砂石等骨料用水拌和結合成牢固的整體，從而具有承擔荷載和抵抗環(huán)境侵蝕的能力。水泥是使用量最大的膠凝材料，水泥的性質對于混凝土性能的影響較為關鍵。為了適應工地施工進度，水泥也被粉磨得越來越細，甚至水泥比表面積達到 400m2/kg 以上，對混凝土強度增長和外加劑適應性帶來不良影響[1]。

水泥溫度也是影響混凝土性能的重要因素[2]，尤其是在夏季儲存罐溫度較高，或者水泥供應緊張，從水泥廠生產(chǎn)的水泥來不及陳放就直接應用于水泥生產(chǎn)，導致水泥溫度較高影響混凝土正常生產(chǎn)，造成混凝土坍落度損失快、入模溫度高、開裂風險增加等問題。針對水泥細度和溫度帶來的問題，不少學者開展了針對性的研 究[3-5]，但研究因素相對獨立，關聯(lián)性不強，比如水泥同時面臨細度較小和入庫溫度高所帶來的復合影響，需要進一步研究。

本項目取材于生產(chǎn)用普通硅酸鹽水泥，通過粉磨獲得不同細度的水泥，繼續(xù)加熱至一定溫度模擬水泥溫度，研究水泥性質變化對混凝土工作性能和強度兩個關鍵指標的影響，以期為混凝土生產(chǎn)提供技術支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

水泥采用市售 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用Ⅱ級灰，需水比為 99%，燒失量 3.5%。礦粉采用 S95 級礦粉，含水率 0.3%。表1 為水泥的性能指標。

表1 水泥的性能指標測試結果

（2）骨料

細骨料采用機制砂，細度模數(shù) 3.1，石粉含量 12%，MB 值 1.5%。

粗骨料為由石灰石母巖經(jīng)破碎后加工而成，壓碎指標 10%，粒徑分別為 0～5mm 和 5～25mm。

（3）外加劑為緩凝型聚羧酸外加劑，淡黃色液體，推薦摻量為 1.0%～3.0%。

1.2 不同細度水泥的制備

原裝水泥比表面積 330m2/kg，使用球磨機分別粉磨 10min、15min 及 22min，獲得的水泥比面表積分別為 330m2/kg、364m2/kg、397m2/kg、430m2/kg。

1.3 不同溫度水泥制備

取比面表積分別為 330m2/kg、397m2/kg 的水泥放置于烘箱（設定溫度為 25℃、60℃ 和 100℃）進行加熱，取出裝桶備用。

2 試驗結果及討論

2.1 水泥細度對混凝土性能的影響

水泥細度的混凝土試驗采用 C30 配合比，配合比參數(shù)見表2。

表2 摻入不同細度水泥的混凝土配合比 kg/m3

2.1.1 混凝土工作性能

混凝土要求良好的和易性、一定的坍落度保持能力和適當?shù)哪Y硬化時間，以確保施工工作的順利進行。當今水泥細度越來越小，一定程度上滿足了快速施工的需要，但也可能對混凝土工作性能造成一定影響。通過對水泥進行粉磨獲得以上比表面積，采用表2 配比，進行混凝土工作性能，結果見表3。

表3 結果結果顯示，水泥細度變細，混凝土初始坍落度和擴展度下降，1h 經(jīng)時坍損也增加。這是因為水泥比表面積增大，水泥顆粒的反應觸點增多，水泥水化反應速率增加[6]，對聚羧酸外加劑的吸附量也增加[7]，在相同聚羧酸減水劑用量下，保持混凝土分散流動的自由水減少，混凝土流動性下降。由于水泥反應速率加快，外加劑對混凝土的保坍能力減弱，混凝土保坍能力下降。

表3 不同比表面積水泥對混凝土工作性能的影響

水泥細度變小后混凝土含氣量逐步下降，這是因為水泥比表面積增加，對自由水的包裹力增強，裹入空氣的能力下降，造成混凝土含氣量下降。由于水泥比表面積增加使得水泥水化速率加快，混凝土初凝和終凝時間隨之縮短。

2.1.2 混凝土強度

抗壓強度是混凝土的重要指標之一，受到原材料性能、配合比及養(yǎng)護方式的影響，本項目在研究水泥比表面積對混凝土強度影響的同時，也考慮了養(yǎng)護方式的因素作用。設定干燥養(yǎng)護（濕度 RH≤60%，溫度 (20±2)℃）、標準養(yǎng)護（相對濕度≥95%，溫度 (20± 2)℃）、水中養(yǎng)護（水溫 (20±2)℃），混凝土強度測試結果見表4 和圖 1。

圖1 水泥細度對混凝土抗壓強度的影響

表4 不同細度水泥和養(yǎng)護方式對混凝土強度的影響 MPa

表4 結果表明，混凝土強度的發(fā)展受水泥細度的影響，同時也受所處養(yǎng)護環(huán)境的影響。相同細度的水泥，在干燥養(yǎng)護條件下，由于水分供應不足，無法為水泥水化提供持續(xù)的水分，削弱了水泥繼續(xù)水化的動力，使得混凝土各齡期強度均低于標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護，在外部水分供應充足的情況下，同細度水泥成型的混凝土標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護差別不大。

在干燥養(yǎng)護時，水泥比表面積增加，混凝土 7d、28d、60d 抗壓強度均出現(xiàn)先增加后降低，這是因為水泥細度變小，與水分接觸面積增加，水泥水化反應的位點增多，水泥早期強度增加，但隨著水泥進一步變細，水分不足使得混凝土內部孔隙增多，混凝土流動性下降且混凝土密實度下降，混凝土強度反而下降。對于標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護時，水泥細度變小對混凝土造成的影響相對較小，且水泥比表面積適當增加有利于混凝土強度提升。

2.2 水泥溫度對混凝土性能的影響

研究了水泥溫度對混凝土性能的影響，試驗采用比表面積分別為 330m2/kg 和 397m2/kg 的水泥，經(jīng)過烘箱加熱至 25℃、60℃ 和 100℃，外加劑采用混凝土初始擴展度為 (580±10)mm 的摻量，以評估水泥細度和溫度對外加劑使用的影響。試驗配合比見表5。

2.2.1 混凝土工作性能

試驗采用表5 配合比，測試的混凝土工作性能結果見表6。

表5 不同溫度水泥拌合的混凝土試驗配合比 kg/m3

表6 水泥溫度對混凝土工作性能的影響

表6 結果可以看出，當水泥比表面積為 330m2/kg，水泥溫度逐步升高至 100℃，對外加劑的吸附也越高，外加劑摻量由 2.0% 升高至 2.5%，混凝土初始流動度相當?shù)那闆r下，1h 坍損也隨水泥溫度升高而增大。這是因為水泥溫度升高，對外加劑吸附能力加強，因此外加劑摻量增加。并且水泥溫度高，水泥水化速率加快，混凝土中的自由水含量減少，因此混凝土保坍能力減弱，凝結時間縮短。

當水泥比表面積增大至 397m2/kg，隨著水泥溫度升高，達到相同初始流動性的混凝土外加劑摻量從 2.0% 增加至 3.0%，相比 100℃ 的 330m2/kg 的水泥外加劑用量升高 0.5%，混凝土坍落度損失相比 330m2/kg 的水泥更大，混凝土凝結時間進一步縮短。說明在細度進一步變小時，水泥溫度會加速混凝土坍落度損失和凝結硬化。

2.2.2 混凝土強度

采用表5 所示混凝土配合比攪拌成型，24h 脫模后采用干燥養(yǎng)護（濕度 RH≤60%，溫度 (20±2)℃）、標準養(yǎng)護（相對濕度≥95%，溫度 (20±2)℃），測試混凝土 7d、28d 和 60d 的抗壓強度。

從表7 和圖 2 結果可知，水泥細度一定時，水泥溫度的升高使得混凝土 7d 抗壓強度增加，且標準養(yǎng)護下混凝土強度增長比干燥養(yǎng)護更為明顯，這是因為水泥溫度升高，水泥水化反應加快，所需的自由水增多，標準養(yǎng)護下對混凝土強度增長作用更為顯著。

表7 水泥溫度對混凝土強度的影響 MPa

圖2 水泥溫度對混凝土強度的影響

同時可以看出，水泥溫度在 25℃ 和 60℃ 時，水泥比表面積增加時，水泥 7d 至 28d 的強度增長均高于 100℃，且標準養(yǎng)護優(yōu)于干燥養(yǎng)護。

3 結論

（1）水泥細度越細，相同材料用量下對混凝土初始流動性和保坍性能的影響越大，同時混凝土含氣量下降，混凝土凝結時間縮短。

（2）相同細度的水泥，在干燥養(yǎng)護條件下，混凝土各齡期強度均低于標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護，而標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護的混凝土強度差別不大。受養(yǎng)護環(huán)境影響，水分對于較細水泥的混凝土強度增長較為重要。

（3）水泥細度相同時，外加劑摻量隨水泥溫度升高而升高，混凝土坍損也加快，造成混凝土凝結加快，且水泥細度變小會擴大溫度對混凝土工作性能帶來的影響。

（4）相同細度的水泥隨著溫度升高，混凝土 7d 抗壓強度增加，且標準養(yǎng)護比干燥養(yǎng)護對混凝土更為有利，同時較細水泥溫度升高后混凝土強度增長更快，且受環(huán)境濕度影響更大。