水泥温度对混凝土性能的影响研究

2019-12-02雷万康

商品混凝土 2019年11期

雷万康

（九江市粤鑫混凝土有限公司，江西九江 332005）

0 前言

混凝土材料可模性好、强度和耐久性好，在工民建、交通工程、市政工程等诸多领域广泛应用，成为最重要的建筑结构材料之一。混凝土质量受原材料、配合比、施工方式等因素影响，其中作为主要胶凝材料的水泥质量尤其重要[1]。当前基础设施投资巨大，混凝土需求居高不下，导致水泥、砂石等原材料供应紧张，导致入库水泥来不及冷却就被直接应用到混凝土生产中。热水泥由于储存了较高的热量，水化速率加快，往往会带来混凝土需水量高、缓凝剂和外加剂掺量高且使用效率降低等问题[2]，同时也增大了混凝土工程塑性开裂的风险，因此需要对热水泥带来的影响重点关注。

本文研究了不同温度的水泥对水泥及混凝土性能的影响，通过实际数据揭示热水泥对水泥混凝土带来的负面影响，以期为混凝土生产提供技术参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥为海螺 P·O42.5 水泥，性能指标见表1。粉煤灰为 Ⅱ 级灰，需水比为 99%。

表1 试验水泥性能指标结果

（2）试验用机制砂为中砂，细度模数为 2.6，MB 值为 1.5，石粉含量为 10%。细砂为河砂，细度模数为 1.2，含泥量 2.0%。

（3）石子为碎石，连续级配，由 5～10mm 小石和 10～25mm 的大石按照一定比例混合而成，压碎指标为 9.0%。

（4）外加剂为聚羧酸高性能减水剂，含固 14%，推荐掺量为 1.0%，具体以实际生产为准。

1.2 试验方法

（1）将冷却的水泥放入烘箱内进行烘干，并不定时测试水泥的温度，获得内部温度分别为 30℃、50℃、70℃、90℃、110℃ 的水泥。

（2）将水泥和水按照 0.4 的水灰比进行制样，采用美国 TAM air 八通道微量热仪进行水泥水化热的测定。

（3）水泥标准稠度和凝结时间测试参照 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》进行试验。

（4）混凝土工作性能试验按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。混凝土抗压强度参照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，成型 100mm×100mm×100mm 立方体试块，24h 后拆模，测试设定养护条件下的混凝土抗压强度。

（5）试验混凝土配合比：以 C30 为例，混凝土配合比及各原材料用量见表2。

表2 C30 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及讨论

2.1 水泥温度对水泥标准稠度用水量的影响

将不同温度的水泥加水拌和，测试标准稠度用水量，结果见表3 和图1。

表3 不同温度水泥的标准稠度用水量

从表3 和图1 可以看出，水泥温度升高，水泥标准稠度用水量越高，温度为 110℃ 的水泥比 30℃ 的水泥标准稠度用水量增加超过 8%，热水泥需水量显著提高。温度越高，水泥熟料矿物的反应越活跃，水泥水化速率提高，对水分的需求就越大。

2.2 水泥温度对水泥凝结时间的影响

凝结时间是混凝土重要的施工指标之一，保持合适的凝结时间能够有助于水泥水化和强度发展，降低水化热。水泥温度提高，熟料矿物水化加快，对水泥凝结时间会产生一定影响。表4、图2 为不同温度的水泥凝结时间测试结果。

图1 水泥温度对水泥标准稠度的影响

表4 温度对水泥凝结时间的影响

图2 不同温度的水泥凝结时间

表4 和图2 结果显示，水泥温度从 30℃ 增加至 110℃，水泥的初凝时间和终凝时间都明显缩短，且水泥入库温度越高，水泥初凝时间和终凝时间的间隔也相应减少，用于施工时混凝土的凝结时间也会缩短。水泥的凝结是水泥矿物进行复杂反应均匀成核的过程，水泥温度高，水泥水化反应加快，水化热增加[3]，又进一步促进了水泥进一步水化，从而使得水泥水化生成硅酸钙凝胶和钙矾石等水化产物的数量增加，时间提前，水泥初凝和终凝时间都出现降低。

2.3 水泥温度对水泥水化放热速率的影响

水泥温度高，参与反应所需要突破的能垒较小，在水泥水化过程中能起到促进作用[4]。对不同温度的水泥 24h 水化放热速率进行测试，结果见图3。

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图3 水泥温度对水化放热速率的影响

从图3 结果可以发现，水泥温度较高，水泥水化周期提前，2h 以内随着水泥温度的提高，水泥水化速率加快，之后随着水化反应的继续，在 6～12h 水化反应出现分化，常温水泥反应生成的水化硅酸钙和钙矾石等水化产物均匀分布，水泥颗粒突破反应产物进行后续反应所需能量相对较低，二次反应时间提前，高温水泥由于前期反应速率较快，生成的水化产物对后续水泥粉体颗粒形成坚硬包裹，突破能垒进行二次反应的时间也要相应推迟[5]。高温水泥水化反应较快，给混凝土凝结时间和保坍性能带来了极大挑战。

2.4 水泥温度对混凝土工作性能的影响

有些混凝土生产企业在水泥入库后不经冷却均化就投入使用，这种情况在停产和限产时段更加常见。热水泥会使得自身凝结时间缩短，对混凝土工作性能带来负面影响。采用基准配合比，调整外加剂掺量，使得出机混凝土扩展度在 (580±10)mm，并测试混凝土 1h 经时损失，结果见表5。

表5 水泥温度对 C30 混凝土工作性能的影响

表5 结果显示，热水泥会增加外加剂的用量，水泥温度从 30℃ 提高至 110℃，达到相同混凝土流动性的外加剂掺量从 2.0% 提高至 3.1%，热水泥对外加剂的吸附显著增加。水泥温度增加又会显著提高混凝土的坍落度损失，当水泥温度达到 110℃ 时，1h 混凝土扩展度损失超过 30%。

2.5 水泥温度对混凝土抗压强度的影响

表6 和图4 为以表2 混凝土配合比拌和出的混凝土抗压强度结果。

表6 水泥温度对混凝土抗压强度的影响

图4 水泥温度对各龄期混凝土抗压强度的影响

图4 结果显示，随着水泥温度增加，混凝土 3d 和 7d 抗压强度增加，这是因为水泥温度高，水泥水化较快，生成较多的水化产物，使得水泥早期强度增长较快。但高温水泥又会使得混凝土 28d 和 60d 强度降低，且温度越高，混凝土后期强度增长幅度越低。热水泥促进水泥水泥速率，提高水泥早期强度的同时，后期由于熟料矿物降低，且生成的水化产物的不均匀分布[6]使得混凝土强度增长乏力。