高性能路面水泥砼热学性能与孔结构特征分析

2016-11-29吕强胡建中

公路与汽运 2016年5期

关键词：矿粉高性能气泡

吕强，胡建中

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410004）

高性能路面水泥砼热学性能与孔结构特征分析

吕强，胡建中

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410004）

对配制的不同配合比高性能路面砼进行试验，比较分析其热学性能参数和孔结构特征参数。结果表明，矿物掺合料的加入可较大幅度降低水泥水化热，加入矿物掺合料后早期水泥水化放热速率降低；相对于单掺粉煤灰，双掺粉煤灰和矿粉不利于推迟水泥水化温峰，单掺矿粉、双掺矿粉及粉煤灰只对降低砼早期水化温升有用，对后期无明显作用；采用低用水量配置砼可取得较好的孔结构。

公路；水泥砼；热学性能；水化热；孔结构

相较于普通砼，高性能水泥砼具有强度高、耐久性好、工作性能优良及体积稳定性好等优点，在路面工程中的经济效益较为显著。高性能砼与普通砼的区别在于配合比设计、原材料和外加剂选用等不同。

砼路面浇筑后，凝结硬化过程中会产生水化热导致温度升高，在砼内部积蓄大量热量。由于砼本身的导热系数较低，热量在短时间内不容易散发，造成砼内部温度越来越高，与砼外表形成温度梯度，当温度应力大于砼的抗拉强度时将产生裂缝，影响路面的使用性能。此外，砼路面在浇筑过程中不可避免地会融入空气，在砼内部形成孔隙，内部孔隙结构特性对砼的强度、抗渗性、抗冻性等性能有着重要影响。鉴于此，该文开展不同配合比高性能路面砼热学性能和孔结构试验分析，为路面水泥砼强度等因素测试及施工提供依据。

1 试验原材料

水泥为安徽巢湖东关水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用淮南矿业集团生产的粉煤灰，细度10%，烧失量1.79%，三氧化硫含量0.83%，氧化钙含量5.32%；外加剂采用TK-PCA聚羧酸高效能减水剂；骨料采用石灰岩二级配碎石，骨料最大粒径25mm；细集料采用安徽巢湖生产的天然河砂，细度模数2.78。

2 砼热学性能分析

砼的温升会影响路面材料的耐久性。伴随温度升降砼会发生胀缩变形，其变形主要取决于砼的热胀系数和温度变化量，其中温度变化量是主要因素。水泥用量和水泥水化放热速率决定砼的温度，砼水化放热能力的评价指标主要为绝热温升，砼的温差则取决于散热或保温效率。因此，砼的热学性能是砼的一项重要性质。

2.1水泥水化热

采用差分量热仪测量不同胶凝材料组合的水化放热情况，推荐水胶比为0.30～0.50，配合比见表1。掺合料对水泥水化热和放热速率的影响见图1。

表1　水泥水化热试验配合比

图1　水泥水化热和放热速率试验结果

从图1可见，胶凝材料中掺加粉煤灰和矿粉等矿物掺合料后，水泥水化热反生了较大变化，表现在以下方面：

（1）矿物掺合料的加入较大幅度降低了水泥水化热，2号、3号配合比的水化热降低幅度比1号大，水化热降低程度随水泥用量减少而增大。说明矿物掺合料的加入能有效降低砼的水化升温，对降低由于温度应力引起的砼裂缝能起较好的作用。

（2）矿物掺合料加入后，早期水泥水化放热速率降低，水泥水化放热速率达到最大值的时间后移。2号和3号配合比的水化放热速率均小于1号。由于矿粉早期也参与水化反应，早期3号配合比的水化放热速率大于2号。

（3）相对于单掺粉煤灰，双掺粉煤灰和矿粉不利于推迟水泥水化温峰。虽然双掺后水泥的水化热与单掺粉煤灰相比有所降低，但双掺后温峰处的水泥水化速率增大。

2.2砼绝热温升

通过砼的绝热温升试验研究矿物掺合料的掺入对砼放热量和放热速度的影响，砼配合比见表2，试验结果见图2、图3。

表2　绝热温升试验配合比

从图2可以看出：在早期的相同时刻，砼中心温度由高到低依次为纯水泥砼（配合比1）、单掺矿粉砼（配合比3）、双掺砼（配合比4）、单掺粉煤灰砼（配合比2）。48 h后双掺砼的中心温度逐渐超过单掺砼，最终达到纯水泥砼的水平。

从图3可以看出：单独以大掺量粉煤灰代替水泥确实可以降低砼的水化热温升，砼中心温度大约平均降低5℃。单掺量矿粉、双掺矿粉和粉煤灰只对降低砼早期水化温升起作用，对后期无明显作用。

图2　砼中心温度随时间变化曲线

图3　砼绝热温升曲线

3 砼结构孔隙特性分析

砼的内部孔隙结构特性对砼的强度、抗渗性能、抗冻性能、收缩性能、徐变等有着重要影响。下面对不同水胶比砼的孔隙分布及不同含气量砼的气泡特征进行试验分析，砼配合比见表3。

表3　各类型配合比砼及含气量、坍落度试验结果

3.1压汞法测量砼的空隙结构特征

采用ASPE-730自动压汞仪测量砼孔结构的微观组成，结果见图4。

由图4可知3组砼配合比中的孔隙分为两部分：一部分是孔径小于50 nm的毛细孔，属于无害孔或少害孔；另一部分是孔径在100μm左右的由引气剂引入的微孔，这类孔使砼的抗冻性有所提高，只是对强度会产生影响。配合比B1的水胶比比B2和B3大，B1在孔径为100～1 000 nm时含有的有害孔比B2和B3多，这种孔不但对砼强度不利，也对耐久性不利。说明采用低用水量配置砼可取得较好的孔结构。