白色硅酸鹽水泥在大體積混凝土中的應用研究*

楊 棟，曹長偉，夏京亮，周永祥，王 偉，關青鋒

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011； 2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013； 3.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 100013)

0 引言

白色混凝土是采用白色硅酸鹽水泥、白色礦物摻合料、淺色骨料和不染色的外加劑配制而成的混凝土。其中，白色硅酸鹽水泥是指在白色硅酸鹽水泥熟料中加入適量的石膏和混合材料磨細制成的水硬性膠凝材料。雖然對彩色混凝土有一定研究[1-2]，但關于白色混凝土的報道很少，夏江南，王國勛等[3-4]以池州長江大橋主塔建設為例，研究了白色“皮膚”混凝土，認為采用白色硅酸鹽水泥可配制工作性能良好、力學性能滿足設計要求的白色混凝土。程智龍等[5]認為白色透水混凝土抗壓強度與透水性間存在對立關系，水膠比為0.32，設計孔隙率為15% 時，混凝土的綜合性能最佳。

綜上，目前白色混凝土研究主要集中在其配制、工作性能和力學性能等方面，缺乏對白色大體積混凝土水化熱和絕熱溫升的討論。大體積混凝土是指混凝土結構物實體最小尺寸≥1m的大體量混凝土，大體積混凝土內部易因水泥水化產生大量熱量，形成溫度梯度，使混凝土產生裂縫[6-7]。科科迪大橋主塔屬于大體積混凝土，由于科特迪瓦當地混凝土摻合料匱乏，白色大體積混凝土應用經驗少，溫度控制難度大。本文通過研究水化熱、絕熱溫升、匹配養護混凝土抗壓強度等，探討白色硅酸鹽水泥在大體積混凝土中的應用，為科科迪大橋混凝土質量提供技術支持，同時推進白色混凝土在工程中的應用。

1 工程概況

科科迪大橋位于科特迪瓦阿比讓市Cocody灣，主線總長約1.63km，包含1座全長630m、主跨200m的鋼槽梁單塔斜拉橋；主引橋為預應力簡支T梁橋，全長258.15m；主線路基長710m；B匝道含4條支線，其中B5匝道為預應力混凝土梁橋，全長147.5m；A，C匝道路基線路共長3.7km。主跨斜拉橋塔高108.6m，混凝土用量約3.2萬m3，根據科科迪橋專用技術條款CCTP1.3.7要求，索塔需采用初步設計單位選擇的白色混凝土，如圖1所示。該工程地處西非中心科特迪瓦首都和經濟中心阿比讓市，影響力大，為地標性工程，不僅對實體質量要求高，對外觀質量要求更高，旨在打造藝術品景觀橋，因此，白色混凝土質量對工程質量起決定性作用。

圖1 科特迪瓦科科迪大橋

2 試驗

2.1 原材料

1)白色硅酸鹽水泥 CEMⅠ52.5，白度91，初凝時間172min，終凝時間270min，比表面積410m2/kg， 3，28d抗壓強度分別為36.5，61.8MPa，密度為3.08g/cm3。

2)普通水泥 P·O52.5水泥，初凝時間235min，終凝時間310min，比表面積385m2/kg，3，28d抗壓強度分別為31.5，62.3MPa，密度為2.99g/cm3。

3)礦粉 日本進口白色礦粉，白度87，密度2.81g/cm3，比表面積405m2/kg，7，28d活性指數分別為83%，102%，流動度比為98.3%。

4)砂 科特迪瓦當地河砂，細度模數為2.5。

5)碎石 項目部自產5～25mm碎石，巖性為片麻巖，顏色較淺。

6)減水劑 西卡聚羧酸高性能減水劑，含固量21.3%，減水率27.5%。

2.2 試驗方法

1)水化熱試驗 分別測量純白色硅酸鹽水泥(WC)、普通水泥(PC)、70%白色硅酸鹽水泥+30%礦粉(WCF)的水化放熱速率和水化熱。采用TAM Air等溫微量熱儀進行水化熱試驗。TAM Air通過調節系統保證溫度的穩定，波動在±0.02K，測量膠凝材料水化140h的放熱速率及放熱量，水化溫度為298K，膠凝材料配合比如表1所示。

表1 水化熱試驗膠凝材料配合比

2)絕熱溫升試驗 試驗混凝土配合比如表2所示，膠凝材料體系設置純白色硅酸鹽水泥(WC-1)、70%白色硅酸鹽水泥+30%礦粉(WC-2)、70%普通硅酸鹽水泥+30%礦粉(PC-1)，水膠比為0.33，膠凝材料用量484kg/m3，礦物摻合料占膠凝材料總量的30%。試驗過程中嚴格控制混凝土溫度，混凝土進入絕熱溫升測試桶時的溫度約為17℃，采用ATC/JR-50L型混凝土絕熱溫升測試儀測定。

表2 試驗混凝土配合比 kg·m-3

3)抗壓強度試驗 按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土抗壓強度，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，測試齡期為3，7，28，56d。

2.3 混凝土匹配養護

根據表2配合比成型混凝土試件，收面后覆蓋塑料薄膜防止失水，連模具一起放入養護箱中養護，養護箱溫度根據試驗混凝土絕熱溫升調整，匹配養護后移入標準養護室內繼續養護至試驗齡期。

3 試驗結果與分析

3.1 不同膠凝材料體系水化熱

水膠比為0.4的情況下，不同膠凝材料體系水化放熱速率和放熱量試驗曲線如圖2所示。

圖2 不同膠凝材料體系水化放熱速率和放熱量試驗曲線

由圖2a可知，純白色硅酸鹽水泥存在一個水化放熱速率高的尖銳鋒，時間大約在加水后的5～10h，加入30%礦粉后水化放熱速率高的尖銳鋒消失，水化放熱速率曲線相對平緩，說明加入礦粉減緩了白色硅酸鹽水泥的放熱速率。白色硅酸鹽水泥水化放熱速率在11h左右時出現第3放熱峰，這可能是由于該膠凝材料體系中的石膏已消耗完畢，鈣礬石(AFt)向單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)轉化所引起，從這個角度分析白色硅酸鹽水泥中石膏量相對較少，這也是其水化放熱速率較快的原因之一；從凝結時間上也可印證這一現象，白色硅酸鹽水泥初凝時間為172min，比普通水泥初凝時間235min早了63min。另外，雖然水化早期白色硅酸鹽水泥水化放熱速率較快，但在約13h后普通水泥放熱速率一直比白色硅酸鹽水泥高。由圖2b可知，水化早期白色硅酸鹽水泥水化放熱量較高，但約35h后較普通水泥水化放熱量低。

復合膠凝材料水化熱試驗結果如表3所示。

表3 復合膠凝材料水化熱試驗結果

由表3可知，30%磨細礦渣粉摻入可降低白色硅酸鹽水泥放熱速率，推遲最大放熱速率出現時間，純白色硅酸鹽水泥最大放熱速率為13.82J/(g·h)， 時間為加水后的7.6h；70%白色硅酸鹽水泥+30%磨細礦渣粉組最大放熱速率為8.32J/(g·h)， 時間為11.7h，最大放熱速率降低約40%，出現時間推遲4.1h。加入礦粉在各測試齡期均能降低水化放熱量，WCF組各齡期累積水化放熱量較純WC組分別下降了15.6%，14.5%，13.4%，13.4%，14.0%，14.6%。出現上述規律的原因可能為：①摻入礦粉能延長白色硅酸鹽水泥的水化誘導期，使摻入礦粉組水化放熱速率降低，最大放熱速率出現時間延遲；②摻入礦粉降低了參與水化的水泥量，但礦粉可與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，放出一定量的水化熱。PC組1，2，3，4，5，6d累積水化放熱量分別為124.7，210.4，243.1，265.7，282.5，295.4J/g，較WC組分別高-18.8%，3.9%，7.6%，9.6%，10.4%，10.6%。綜上，白色硅酸鹽水泥與普通水泥相比，開始水化反應早，水化速度快，水化放熱速率高，但最終水化放熱量低。

WCF組放熱量與WC組放熱量的關系如圖3所示。兩者線性相關，直線擬合優度>99%。

圖3 WCF組放熱量與WC組放熱量的關系

3.2 不同膠凝材料體系混凝土絕熱溫升

不同膠凝材料體系混凝土絕熱溫升試驗結果如圖4所示。

圖4 不同膠凝材料體系混凝土絕熱溫升

由圖4可知，白色硅酸鹽水泥混凝土和普通水泥混凝土一樣，絕熱溫升最活躍的時期均為混凝土澆筑最初的24h，溫度基本呈線性增長規律，之后溫度增長速率逐漸變緩，混凝土澆筑48h后，絕熱溫升逐漸趨于穩定。因此，對于白色硅酸鹽水泥大體積混凝土，從開始澆筑到48h是溫度控制的關鍵時期，白色硅酸鹽水泥混凝土施工時應特別關注前48h的溫度上升情況，并采取有效措施降低溫峰和推遲溫峰出現時間。同時，在這一溫控關鍵期應加強對混凝土表面的保護，避免因氣溫驟降引起混凝土表面急劇降溫，導致混凝土內、外部產生較大的溫度梯度，溫度應力增大，從而產生溫度裂縫。

摻入30%磨細礦渣粉可有效降低白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升速度和最終絕熱溫升溫度，摻入30%磨細礦渣粉混凝土在1，2，3，5d絕熱溫升溫度分別為59.0，64.3，65.8，67.5℃，較純白色硅酸鹽水泥混凝土1，2，3，5d絕熱溫升溫度63.6，67.8，69.2，71.0℃分別降低了7.2%，5.2%，4.9%，4.9%，說明摻入礦粉作為礦物摻合料可在一定程度上降低白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升，從而降低白色硅酸鹽水泥混凝土出現溫度裂縫的風險。

試驗對比普通水泥混凝土和白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升，2種混凝土分別摻入了30%磨細礦渣粉。白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升比普通水泥混凝土上升更快，最終絕熱溫升溫度相差不大，普通水泥混凝土1，2，3，5d絕熱溫升溫度分別為53.7，62.6，64.5，67.0℃，較白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升溫度分別低9.0%，2.6%，2.0%，0.7%。這與2種水泥水化熱對比情況類似，白色硅酸鹽水泥開始水化反應早，水化放熱速率高，但最終水化放熱量低，2種混凝土最終絕熱溫升相差不大，可能是由于礦粉在白色硅酸鹽水泥混凝土中二次水化放熱相對較少造成的。

3.3 匹配養護對白色混凝土強度的影響

采用匹配養護不同膠凝材料體系混凝土抗壓強度曲線如圖5所示。

圖5 不同膠凝材料體系混凝土抗壓強度曲線

由圖5可知，3組混凝土抗壓強度在早期增長較高，3d齡期之后強度增長速度迅速放緩。就白色硅酸鹽水泥混凝土而言，摻入30%磨細礦渣粉的復合膠凝材料配制的混凝土在匹配養護條件下3，7，28d齡期抗壓強度均超過純白色硅酸鹽水泥混凝土，56d齡期時略低于純白色硅酸鹽水泥混凝土，其中3d齡期時WC-2組抗壓強度達到63.5MPa，超過WC-1組5.0%。這主要是因為匹配養護條件是模擬大體積混凝土內部溫度情況，養護溫度變化與圖5中的溫度曲線基本一致，可見在混凝土成型早期施加了逐漸升高的溫度養護，直至溫度升至接近70℃時對混凝土進行養護，雖然礦粉的反應活性低于水泥熟料，但高溫養護會對復合膠凝材料體系中的礦粉起到明顯的熱激發作用，極大地提高其早期反應程度，增加水化產物量，使漿體結構更加致密，強度更高；較高的溫度養護同樣能提高水泥的早期反應速率，但水化早期迅速反應生成的大量凝膠會包覆在水泥顆粒表面阻礙其進一步水化，降低后期水化反應程度；另外，高溫條件下水泥早期迅速生成的水化產物結構疏松[8-9]，也是其抗壓強度低于摻入礦粉混凝土的原因。

PC-1組和WC-2組混凝土在各齡期抗壓強度均相差不大，3d齡期時PC-1組抗壓強度為64.5MPa，比WC-2組大1MPa，而56d齡期時PC-1組抗壓強度為72.4MPa，比WC-2組小1.2MPa。這主要是由于2種混凝土配合比一致，僅水泥種類不同，2種水泥28d抗壓強度相差不大，在匹配養護條件下，高溫養護對水泥水化的促進作用也基本相當。

匹配養護條件下不同膠凝材料體系混凝土劈裂抗拉強度曲線如圖6所示。

圖6 不同膠凝材料體系混凝土劈裂抗拉強度曲線

由圖6可知，2組白色硅酸鹽水泥配制的混凝土劈裂抗拉強度相差不大，主要原因和抗壓強度的影響一致，雖然礦粉的水化活性比水泥低，但匹配養護條件下的高溫使礦粉活性得到很大的發揮，彌補了其活性的不足。對比PC-1，WC-2組可以看出，普通水泥混凝土劈裂抗拉強度在各齡期均略低于白色硅酸鹽水泥混凝土，在對混凝土劈裂抗拉強度的貢獻上，白色硅酸鹽水泥表現更好。

采用WC-2組分析其抗壓強度和劈裂抗拉強度的關系，如圖7所示。兩者呈線性相關，直線擬合優度為91.5%，相關性較好，白色硅酸鹽水泥混凝土抗壓強度約是劈裂抗拉強度的14倍。

圖7 白色硅酸鹽水泥混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度的關系

4 結語

1) 摻入30%磨細礦渣粉可降低白色硅酸鹽水泥放熱速率，推遲最大放熱速率出現時間；白色硅酸鹽水泥與普通水泥相比，開始水化反應早，水化速度快，水化放熱速率高，但最終水化放熱量低。

2) 摻入30%磨細礦渣粉可有效降低白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升速度和最終絕熱溫升溫度；白色硅酸鹽水泥混凝土絕熱溫升比普通水泥混凝土上升更快，最終絕熱溫升溫度相差不大。

3)匹配養護對復合膠凝材料體系中礦粉具明顯的熱激發作用，可提高其早期反應程度，摻入30%磨細礦渣粉復合膠凝材料配制的混凝土在匹配養護條件下早期抗壓強度超過純白色硅酸鹽水泥混凝土；白色硅酸鹽水泥混凝土抗壓強度約是劈裂抗拉強度的14倍。