水灰温度对寒区水泥物理力学性能影响的试验研究

2020-03-13肖欧辉赵宁宁蒋新雨刘任傅金阳

水泥技术 2020年1期

肖欧辉，赵宁宁，蒋新雨，刘任，傅金阳

1 引言

随着我国基础建设规模的不断扩大，水泥的消耗量也随之增大，据中国产业信息网统计，2017年中国全年累计水泥产量达23.16亿吨。目前工程建设用水泥在使用前均需贮藏在水泥罐中，规范[1]规定入罐温度≯65℃，但受工期条件制约，水泥的使用温度也不尽相同，极易因温度变化而造成拌和物物理力学性能下降，严重时可导致结构物开裂，因此有必要依据工程需要研究温度对水泥物理力学性能的影响。

水泥温度对拌和物早期物理力学性能影响，目前已有微观和宏观的研究。徐琳玲等[2]分析了环境温度对“铝酸盐水泥—硅酸盐水泥—无水石膏”三元体系水化早期的相组成、抛光断面微观结构和孔结构等微结构演变的影响，发现当环境温度升高时，所生成的钙矾石越易向单硫型水化硫铝酸钙转变；韩方晖等[3]研究了温度对水泥—矿渣复合胶凝材料硬化浆体微观结构及净浆和砂浆后期强度的影响，发现温度对纯水泥的水化程度影响很小，但高温（60℃）降低了纯水泥净浆的后期抗压强度；韩玉等[4]研究了不同温度对掺减水剂的矿渣—水泥浆体水化放热性能的影响规律，发现温度升高时（35℃、50℃）水化反应动力学主要由NG—D过程控制；杨永民[5]、张秀洁[6]、姜雅峰[7]等分别基于试验研究了水泥温度对标准稠度用水量、水泥试件强度的影响，发现随着水泥温度升高，水泥早期物理力学性能都有不同程度的降低。

上文所述均未从工程角度研究水泥温度对早期物理力学性能的影响，并缺乏相应的保障水泥性能的工程措施。本文的研究依托青海莫兰台岭隧道项目。项目隧道区属大陆性高原半干旱气候，地面年平均温度9.7℃，冬季地面温度大致为-15℃，极端最低地面温度-27.5℃，隧道施工中使用大量硅酸盐水泥，实际测得水泥出罐使用温度为52～73℃，所在寒区地下水水温稳定在（5±1）℃。为了解施工阶段中水泥温度对早期物理力学性能的影响，寻找合适的工程措施保障水泥性能，我们通过试验研究了不同水泥出罐使用温度、不同拌和用水温度对水泥试件早期物理力学性能的影响，为工程项目建设提供参考。

2 原材料与试验方法

2.1 试验用原材料

试验用水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5级，由青海祁连山水泥有限公司生产，物理力学性能如表1所示，试验用拌和用水为地下水，预先放置于试验室，使水温与环境温度相同，水质指标如表2所示，符合规范要求。

2.2 试验样品制备

水泥物理力学性能主要包括标准稠度用水量、抗折强度和抗压强度等。依据寒区工程水泥出罐使用温度分布区间，本试验所用水泥采用干燥烘箱将其分别加热成20℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃六个温度等级，模拟不同使用温度时的水泥，采用冷藏室将水温降至5℃、17℃两个等级，模拟不同温度时的拌和用水。如表3所示，将不同温度水泥、不同温度拌和用水组合使用形成试验组，称取500g水泥测试标准稠度用水量，用湿布擦拭搅拌锅和叶片，先后倒入水与水泥，启动搅拌机，低速搅拌、刮去叶片粘附水泥浆，高速搅拌后制得试样；测试力学性能时，按照“水泥：标准砂：水=450g：1 350g：225ml”的配合比制备水泥胶砂，胶砂由行星搅拌机搅拌，倒入40mm×40mm×160mm试模振动成型，试体连模一起在标准养护箱中养护24h，随后在水中养护至强度试验，标准养护箱温度为20±1℃，湿度＞90%。不同温度下水泥及拌和用水制备见图1。

表1 普通硅酸盐水泥的物理力学性能

表2 拌和用水水质指标

2.3 试验方法

普通硅酸盐水泥P·O42.5测试标准稠度用水量时依据GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行，测试抗折强度、抗压强度时依据规范GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）》进行，试验中使用建仪NJ-160A水泥净浆搅拌机、建仪JJ-5水泥胶砂搅拌机、建仪ZS-15型水泥胶砂振实台、SBY-64B型水泥试件恒温水养护箱、三宇HYE-300型微机电液伺服压力试验机、标准维卡仪、水泥胶砂试模、YPB10002型电子天平等，以上仪器设备均已经过检定/校准，实验室温度为20±2℃，湿度＞50%。水泥物理及力学性能测试见图2。

图1 不同温度下水泥及拌和用水制备

3 试验结果及分析

3.1 温度对标准稠度用水量的影响

水泥标准稠度用水量表征水泥净浆的稠度，对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性都有一定影响[8]。拌和水温影响的水泥标准稠度的水灰比随水泥温度变化趋势如图3所示，采用常温水（17℃）与冷水（5℃）拌和时，随着水泥出罐温度的升高，达到标准稠度的水灰比也随之增大，但使用常温水时，80℃水泥比20℃水泥增加用水量达9.12%，使用冷水时，80℃水泥比20℃水泥增加用水量为5.42%，且冷水拌和、水泥温度为80℃时与常温水拌和、水泥温度为40℃时的标准稠度用水量相当；在水泥温度均为20℃时，冷水拌和与常温水拌和具有相近的水灰比。测试表明，水泥温度较低时，拌和水温对标准稠度用水量影响较小，当水泥温度升高、采用较低温度拌和水时，可明显降低水泥的标准稠度用水量。

表3 水-灰温度组合下的试样分组*

图2 水泥物理及力学性能测试

图3 温度对水泥标准稠度用水量的影响

3.2 温度对水泥早期力学性能的影响

抗折强度与抗压强度是水泥力学性能的重要指标，本试验所测定的不同温度下水泥标准胶砂3d抗折强度、抗压强度结果如图4所示。由图4a可以看出，当水泥温度升高时，不同拌和水温下水泥胶砂3d抗折强度均下降，但使用冷水拌和后抗折强度显著高于对应温度的常温水拌和试件，在水泥温度为80℃时，相对常温水拌和，采用冷水拌和可使抗折强度增加8.3%，由图4b可知抗压强度也具有类似规律，在对水泥早期力学性能要求较高或水泥出罐温度较高的工程中，可采用冷水拌和增强水泥早期力学性能。

3.3 温度对水泥长期力学性能的影响

在特定工程实践中，对水泥长期力学性能的要求比较严格，本试验所测定的不同温度下水泥胶砂28d抗折强度、抗压强度结果如图5所示。由图5a可以看出，采用常温水拌和的水泥胶砂抗折强度随温度变化具有波动趋势，未表现出随温度变化的相关性，采用冷水拌和的水泥胶砂抗折强度分布在7.5～8.2MPa之间，且部分温度下抗折强度小于常温水拌和的水泥胶砂强度；两种拌和水温下水泥胶砂的抗压强度随温度变化的趋势也表现为不规律。试验中水泥胶砂试件均放置于养护箱，并浸润于水中，当水泥胶砂试件长期养护下（试验中为28d），水分子可运动于试件中，使水泥充分水化。因此，不同拌和水温、不同水泥使用温度对水泥长期力学性能影响较小，水泥在工程实际使用时，通过对结构物合理养护（如结构表面覆以土工布，并定期洒水养护），也可以消除水泥不同使用温度对结构物长期力学性能的影响。