水泥温度对混凝土性能及早期开裂影响研究*

何凯，林喜华，路东义，赵士豪，李馨慧，顾青山，何欣

（中建西部建设贵州有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 前言

水泥是预拌混凝土中非常重要的组成材料，水泥质量会直接影响混凝土性能[1]。水泥温度对水泥本身性能及该温度水泥拌制混凝土性能都有不同程度的影响。各标准对水泥温度都有严格的限制，其中 GB 50164—2011《混凝土质量控制标准》要求用于生产混凝土的水泥温度不宜高于 60℃，DL/T 5144—2015《水工混凝土施工规范》要求运至现场的散装水泥入罐温度不宜高于65℃。但多数情况下，商品混凝土搅拌站水泥进厂温度都达到 80℃ 以上。夏季高温季节，很多时候进厂的水泥温度，甚至高达 100℃ 以上。

水泥温度过高时，对混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能都有不利的影响[2]。高温水泥导致混凝土工作性不佳、坍损加快，难以满足施工要求；同时水化加快，水泥温度应力的不均匀使混凝土缺陷增加，导致力学性能变差[3]；又易导致混凝土产生干缩裂缝，裂缝的产生会减弱混凝土对钢筋的保护，减少使用寿命[4]。但由于目前搅拌站对水泥的需求量大，使用高温水泥已经成为许多混凝土企业的常态，研究不同温度水泥对水泥性能的影响显得至关重要。

1 原材料

（1）水泥：选用海螺 P·O42.5 水泥，具体性能见表1。

表1 水泥性能指标

（2）硅灰：选用贵州信达生产的硅灰，含水率0.12%，烧失量 2.3%，活性 120%，需水量比 119%。

（3）矿粉：由贵州某商家生产，含水率 0.14%，流动度比 105%，烧失量 2.3%，活性 96%。

（4）粉煤灰：由贵州某生产厂家提供，含水率0.12%，烧失量 8.3%，细度 24%，活性 70%，需水量比98%。

（5）减水剂：选用中建新材料高性能减水剂，减水率 26%，固含量 13%，pH 值 6.2%，28d 抗压强度比138%。

（6）水：选用试验室自来水。

2 试验方法

试验方法采用控制变量法。设置水泥温度为单一变量，统一其余参数。调整烘箱温度，试验水泥放入烘箱恒温 2h 以上，用温度计测量水泥温度，待水泥温度恒定为设定温度时取出水泥进行试验，共设置 60℃、70℃、80℃、90℃、100℃ 五个变量。配合比、试验室温湿度、原材料种类等参数保持一致，采用 C50 配合比进行试验，单方配合比信息见表2。

表2 C50 混凝土配合比 kg/m3

2.1 水泥性能试验

研究水泥温度对水泥净浆流动度、标准稠度用水量和凝结时间的影响，其中水泥净浆流动度分为固定外加剂掺量 1%，饱和外加剂掺量分别为 1.20%、1.30%、1.47%、1.53%、1.67%、2.0% 两种方式进行试验，试验结果如表3～5 和图1～4。

表3 固定外加剂掺量的不同温度水泥净浆流动度

由表3 和图1 可知，当保持外加剂掺量固定为1.0% 时，使用外加剂水泥净浆试验外加剂均有缓释，相同经停时间，净浆流动度随着水泥温度上升而减小，100℃ 水泥净浆无流动性；从 3h 的损失情况看，当水泥温度高于 90℃ 时水泥净浆流动度损失比较明显。由图2 可知，当外加剂掺至饱和状态时，外加剂掺量随着水泥的温度的升高而增加，相同经停时间的净浆流动度随水泥温度的升高而减小，但各不同温度水泥净浆流动度 3h 基本无损失。由图3 可知，水泥标准稠度用水量随着水泥温度的增加而增加。由图4 可知，凝结时间随水泥温度的增加而减小。

图3 不同温度水泥标准稠度用水量

图4 不同温度水泥凝结时间

表4 外加剂饱和掺量的不同温度水泥净浆流动度

表5 不同温度水泥标稠用水量和凝结时间

图1 固定外加剂掺量的不同温度水泥净浆流动度

图2 饱和外加剂掺量的不同温度水泥净浆流动度

2.2 混凝土性能试验

2.2.1 不同水泥温度对混凝土工作性影响

以基准组外加剂掺量为固定掺量，与试验组对比混凝土拌合物性能，具体结果如表6 和图5～8 所示。

表6 不同温度混凝土拌合物性能

图5 混凝土拌合物坍落度损失

由图5 可以看出，随着水泥温度的升高，相同时间的混凝土拌合物坍落度基本呈下降趋势，当水泥温度高于 80℃ 时，坍落度损失较为显著，3h 后混凝土基本无工作性。由图6 可知，新拌混凝土扩展度损失趋势与坍落度损失趋势基本相同，当水泥温度高于 80℃ 时，扩展度损失较为显著，3h 后混凝土基本无工作性。由图7 可知，新拌混凝土初始出机温度随水泥温度升高而升高，但 2h 后基本稳定在室温。由图8 可知，低于 80℃时，水泥升温对混凝土初凝时间影响较小，高于 80℃时，混凝土初凝时间缩短明显。

图6 混凝土拌合物扩展度损失

图7 混凝土出机温度随时间变化

图8 混凝土凝结时间

2.2.2 不同水泥温度对混凝土力学性能影响

通过检验不同试验组 7d、28d 强度，其检验结果如见表7 和图9 所示，随着水泥温度的升高，混凝土7d、28d 强度逐渐降低，主要原因是水泥温度过高，水化速率加快，破坏水泥水化曲线的平稳状态，使水泥温度应力集中，混凝土内部缺陷增加，导致混凝土力学性能变差。

图9 不同温度混凝土抗压强度

表7 不同温度混凝土抗压强度

2.3 早期抗裂试验

具体试验步骤参照标准 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。具体试验结果如表8 和图10 所示。

表8 混凝土单位面积总开裂面积

由图10 可知，水泥温度在 80℃ 以下时，随着水泥温度的上升，单位面积总开裂面积呈增加趋势，但增加量较少，水泥温度超过 80℃ 后，单位面积总开裂面积急剧增加，100℃ 时达到 1239mm2/m2，这说明水泥温度超过 80℃ 后，混凝土早期水化反应较为剧烈，水分蒸发较多，混凝土硬化收缩加快。

图10 混凝土单位面积总开裂面积

3 结论

（1）随水泥温度的升高，使得水泥浆中部分吸附水和自由水散失，增加标准稠度用水量，水泥净浆流动度逐渐减小。水泥早期水化加快，导致凝结时间缩短。

（2）水泥温度过高时，对混凝土的工作性能、力学性能都有不利的影响。高温水泥导致混凝土工作性不佳，损失加快，难以满足施工要求。当水泥温度超过 80℃ 时，性能损失较为显著，3h 后混凝土基本无工作性；低于 80℃ 时，水泥升温对混凝土初凝时间影响较小，高于 80℃ 时，混凝土初凝时间缩短较大。同时水泥水化加快，水泥温度应力的不均匀使混凝土缺陷增加，导致力学性能变差，混凝土 7d、28d 强度逐渐降低。

（3）水泥温度超过 80℃ 后，单位面积总开裂面积急剧增加，100℃ 时达到 1239 mm2/m2，表明水泥温度超过 80℃ 后，混凝土早期水化反应较为剧烈，水分蒸发较多，混凝土硬化收缩加快。