水泥细度对碾压混凝土性能的影响

蔡跃波,石 泉,丁建彤,陈 波,龚 英

(1.南京水利科学研究院,江苏南京 210029;2.新疆维吾尔自治区水利厅,新疆乌鲁木齐 830000)

为避免温度裂缝的产生,大型水利水电工程大体积混凝土施工,除在结构设计和施工工艺方面进行改进外,还希望水泥的水化热尽量低。龙滩、锦屏、官地等水电站工程[1-2]均采用限制比表面积的中热硅酸盐水泥。GB 200—2003规定,中热硅酸盐水泥熟料要求硅酸三钙(3CaO◦SiO2)的质量分数应不超过55%,铝酸三钙(3CaO◦A12O3)的质量分数应不超过6%,游离氧化钙的质量分数应不超过1%。除规定抗压及抗折强度要求外,还要求3d水化热小于或等于251 kJ/kg,7 d水化热小于或等于293kJ/kg。受水泥原材料成分及生产工艺的限制,一般水泥厂均需经过专门的工艺研究和试验,才能生产合格的中热硅酸盐水泥,使水化热相对较低的中热硅酸盐水泥的应用受到了制约。因此,有必要找到一种水化热低、生产工艺简单的水泥。

西北地区某水利枢纽碾压混凝土坝由于地处高寒、高温差地区,昼夜温差和年较差大,施工期间会带来25～60℃的坝体内外温差。在现有的温控防裂措施基础上,如何进一步提高混凝土的抗裂性是一个迫切需要解决的问题。采用水泥熟料直接生产细度较大、比表面积小的粗磨水泥来配制低热混凝土是一个具有良好技术经济性的方案[3]。在兼顾力学性能要求的同时,直接通过细度来控制水泥的水化热,不必像中热硅酸盐水泥那样,考虑水泥熟料的矿物成分及其比例。粗磨水泥不仅能降低早龄期混凝土的开裂风险,而且有利于提高混凝土的耐久性[4-6]。同时也扩大了水泥原材料的来源,简化了生产工艺,降低了能耗。

本文针对工程需要,研究了普通硅酸盐水泥及采用水泥熟料磨制的粗磨水泥对碾压混凝土的工作性、力学性能、耐久性及绝热温升等性能的影响,论证采用粗磨水泥配制碾压混凝土的技术可行性。

1 原材料及试验方法

水泥:某水泥厂专门试生产的2种细度的粗磨水泥(水泥熟料磨细后加5%的石膏),比表面积分别为304m2/kg和336m2/kg;某工程采用的比表面积为398m2/kg(典型细度)的P◦O 42.5水泥。水泥的化学成分及基本性能指标,见表1和表2。

粉煤灰:细度 6.0%,需水量比 99%,烧失量5.70%,密度2.26g/cm3。

水洗天然砂:饱和面干吸水率1.14%,表观密度2610kg/m3,细度模数2.44。

粗骨料:5～20mm,20～40mm,40～80mm三级配片麻黄岗岩。饱和面干吸水率分别为1.40%,1.10%,0.84%,表观密度分别为 2 640 kg/m3,2660kg/m3,2660kg/m3。

石粉:石灰石粉,0.080mm筛余量为6%～9%。

外加剂:聚羧酸系缓凝型高效减水剂及引气剂。

按照SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行碾压混凝土配合比设计及相关性能试验。按照GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》溶解热法进行水化热测试。

2 水泥的水化热及物理力学性能

2.1 水泥水化热

水化热测试采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的SHR-650Ⅱ型水化热测定仪进行。3种水泥的水化热见表3。

从表3可以看出,C304和C336水泥的水化热明显降低。与较细的PO398普通硅酸盐水泥相比,C304水泥各龄期的水化热分别降低了12%,7%,16%和14%;C336水泥的水化热分别降低了11%,1%,10%和9%。应注意到,普通硅酸盐水泥已掺加了9%的混合材,但它的水化热依然较熟料磨制的粗磨水泥高出10%左右。在熟料矿物成分大致相同的情况下,减小水泥的比表面积是降低水化热的有效措施。同时还可以看出,以28d龄期的放热量为基准时,粗磨水泥的放热速率与普通硅酸盐水泥基本相当,因此,不会出现早期放热量低、后期放热量高的现象。

2.2 水泥的物理力学性能

比较3种水泥3d,7d,28d和90d龄期的力学性能指标,如表4所示。C304和C336水泥28 d龄期的胶砂抗压强度分别为37.4MPa和39.8MPa,均小于42.5MPa。2种粗磨水泥各龄期的胶砂抗压强度虽小于PO398水泥,但粗磨水泥的后期强度仍有较大增长空间。2种粗磨水泥3d和7d胶砂抗折强度明显小于PO398水泥,但28d和90d龄期的胶砂抗折强度已接近于PO398水泥。水泥细度对28d之内的强度有较大影响,但对抗折强度的影响小于对抗压强度的影响。

表1 水泥的化学成分%

表2 水泥的基本性能指标

表3 3种水泥的水化热

表4 水泥的力学性能指标

人们对粗磨水泥应用的担心主要来自于其较低的早期强度。对于内部碾压混凝土而言,实际温度场下,混凝土的温度长期处在高于标准养护的20℃的状态,在这种情况下,混凝土强度的发展要比标准养护试件的强度快[7]。这有助于消除对早期强度不足的担忧。

3 混凝土试验

3.1 混凝土配合比

某水利枢纽内部碾压混凝土设计要求:强度等级为R18015W4F50,强度保证率为80%,极限拉伸值大于0.70×10-4,VC值为5～8s。

试验所用碾压混凝土配合比见表5。考虑到普通硅酸盐水泥中掺有9%的混合料,以保证水泥熟料和胶凝材料的质量相同为原则,设计混凝土配合比。通过试拌发现,当P304混凝土采用的减水剂和引气剂掺量与PO和P336混凝土相同时,混凝土已有坍落度,因此适当降低该配合比外加剂的量。

3.2 试验结果及分析

3.2.1混凝土力学、变形及耐久性能

混凝土工作性、抗压强度、轴拉性能、抗冻及抗渗性能试验结果见表6。

P304混凝土在减水剂用量比PO混凝土低0.1%的情况下,VC值仍明显降低、含气量增大,主要是因为粗磨水泥比表面积小、需水量低。在骨料级配相同的情况下,粗磨水泥会明显改善碾压混凝土的工作性能,加速液化泛浆,降低VC值,提高施工性能。

粗磨水泥尽管会降低抗压强度,但仍然能够配制满足要求的碾压混凝土。P304和P336混凝土180d龄期的强度分别为24.5MPa和27.8MPa,明显大于180d龄期的配制强度要求(17.9MPa)。强度富余程度高达37%和55%。这从另外一个方面消除了人们对粗磨水泥在28d龄期强度低于42.5MPa的担忧。

在180 d龄期时,P304混凝土轴心抗拉强度比P336混凝土的略高,且与PO混凝土基本相当;P304和P336混凝土的极限拉伸值均与PO混凝土的基本相当,且均满足180d龄期的极限拉伸值设计要求(0.70×10-4);P304混凝土的抗拉弹性模量比P336混凝土的略高,与PO混凝土的差异不大。可见,虽然粗磨水泥配制的混凝土90d龄期的轴拉性能稍逊于PO混凝土,但在180d龄期时已基本相当。

3组混凝土在90d龄期时,抗冻及抗渗性能均已满足设计要求的F50和 W4,耐久性满足设计要求。

综合考虑混凝土各项设计指标值,当水泥比表面积降至304m2/kg时,所配制的混凝土充分满足设计要求。文献[8]表明,当水泥比表面积降至260m2/kg左右时,依然能满足混凝土的设计要求,因此要根据不同水泥的矿物成分来确定合适的细度。

3.2.2混凝土绝热温升

应用粗磨水泥的最终目的是降低混凝土的绝热温升,提高混凝土的抗裂性。为考察粗磨水泥对混凝土绝热温升的降低效果,采用HR-2型混凝土热物理参数测定仪测定了3组混凝土的绝热温升(图1)。

图1 水泥细度对碾压混凝土绝热温升的降低效果

表5 碾压混凝土配合比

表6 水泥细度对混凝土性能的影响

表7 RCC绝热温升实测值及最终温升预测值

由图1可知,在潜伏期内,3组混凝土温升基本接近;快速升温阶段,PO混凝土的温升速度明显快于P304和P336混凝土。以3d,7d,14d和28d等4个龄期为例,与PO混凝土相比,P304混凝土的温升值分别降低了2.8℃,6.3℃,9.5℃和11.8℃;P336混凝土分别降低了 3.2℃,5.8℃,7.8℃,8.6℃。由表7给出的拟合结果可知,与PO混凝土相比,P304混凝土的最终温升值降低了 12.3℃,P336混凝土的最终温升值降低了8.3℃。采用粗磨水泥降低绝热温升的效果非常显著。

4 结 语

目前,在工程实践中,为了提高混凝土的抗裂性,往往采取预冷骨料、冰水拌和、预埋冷却水管、外部保温等技术措施。这些措施有效可行,但其经济成本高昂,增加施工工序。采用粗磨水泥有效地降低了水泥的水化热和混凝土绝热温升,能够配制满足力学、变形及耐久性要求的碾压混凝土。粗磨水泥降低了水泥磨制的能耗,不增加任何施工工序,改善了混凝土的施工性能,提高了混凝土的抗裂性。在碾压混凝土中应用粗磨水泥是可行的技术措施。

[1]陆海,刘品洪,向开伟,等.龙滩工程中热水泥的研制与生产[EB/OL].[2009-01-19].http:www.gxsti.net.cn.

[2]中国电力工程招标中心.四川省雅砻江官地水电站中热硅酸盐水泥采购招标公告[EB/OL].[2008-07-14].http:www.cnbidding.com.

[3]龚英.水泥细度对碾压混凝土抗裂性的影响[D].南京:南京水利科学研究院,2008.

[4]DALE P B,GAURAV S,JASON W.Early-age properties of cement-based materialsⅠ:influence of cement fineness[J].J Mat in Civ Engrg,2008,20(7):502-508.

[5]DALE P B,EDWARD J G,CLAUS J H,et al.Effects of cement particle size distribution on performance properties of Portland cement-based materials[J].Cement and Concrete Research,1999,29:1663-1671.

[6]HAROLD W B,RICHARD W B.Coarse-ground cement makes more durable concrete[J].Journal of the American Concrete Instituete,1951,1:353-360.

[7]钱文勋,张燕迟,蔡跃波,等.考虑内部温度历史的大坝混凝土强度发展[J].水利水运工程学报,2008(4):50-53.

[8]石泉,龚英,蔡跃波,等.水泥比表面积对碾压混凝土力学性能的影响[J].水利水运工程学报,2008(4):44-49.

[9]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.