水泥细度和温度对混凝土性能的影响

黄文君，王诚

（1. 江山市安顺商品混凝土有限公司，浙江 衢州 324100；2. 江山市耕读节能建筑材料有限公司，浙江 衢州 324100）

0 前言

混凝土在基础设施建设中不可或缺，作为重要的建筑结构材料，混凝土的性能对工程质量尤为重要。混凝土作为多组分材料，通过将胶凝材料、砂石等骨料用水拌和结合成牢固的整体，从而具有承担荷载和抵抗环境侵蚀的能力。水泥是使用量最大的胶凝材料，水泥的性质对于混凝土性能的影响较为关键。为了适应工地施工进度，水泥也被粉磨得越来越细，甚至水泥比表面积达到 400m2/kg 以上，对混凝土强度增长和外加剂适应性带来不良影响[1]。

水泥温度也是影响混凝土性能的重要因素[2]，尤其是在夏季储存罐温度较高，或者水泥供应紧张，从水泥厂生产的水泥来不及陈放就直接应用于水泥生产，导致水泥温度较高影响混凝土正常生产，造成混凝土坍落度损失快、入模温度高、开裂风险增加等问题。针对水泥细度和温度带来的问题，不少学者开展了针对性的研 究[3-5]，但研究因素相对独立，关联性不强，比如水泥同时面临细度较小和入库温度高所带来的复合影响，需要进一步研究。

本项目取材于生产用普通硅酸盐水泥，通过粉磨获得不同细度的水泥，继续加热至一定温度模拟水泥温度，研究水泥性质变化对混凝土工作性能和强度两个关键指标的影响，以期为混凝土生产提供技术支持。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）胶凝材料

水泥采用市售 P·O42.5 普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用Ⅱ级灰，需水比为 99%，烧失量 3.5%。矿粉采用 S95 级矿粉，含水率 0.3%。表1 为水泥的性能指标。

表1 水泥的性能指标测试结果

（2）骨料

细骨料采用机制砂，细度模数 3.1，石粉含量 12%，MB 值 1.5%。

粗骨料为由石灰石母岩经破碎后加工而成，压碎指标 10%，粒径分别为 0～5mm 和 5～25mm。

（3）外加剂为缓凝型聚羧酸外加剂，淡黄色液体，推荐掺量为 1.0%～3.0%。

1.2 不同细度水泥的制备

原装水泥比表面积 330m2/kg，使用球磨机分别粉磨 10min、15min 及 22min，获得的水泥比面表积分别为 330m2/kg、364m2/kg、397m2/kg、430m2/kg。

1.3 不同温度水泥制备

取比面表积分别为 330m2/kg、397m2/kg 的水泥放置于烘箱（设定温度为 25℃、60℃ 和 100℃）进行加热，取出装桶备用。

2 试验结果及讨论

2.1 水泥细度对混凝土性能的影响

水泥细度的混凝土试验采用 C30 配合比，配合比参数见表2。

表2 掺入不同细度水泥的混凝土配合比 kg/m3

2.1.1 混凝土工作性能

混凝土要求良好的和易性、一定的坍落度保持能力和适当的凝结硬化时间，以确保施工工作的顺利进行。当今水泥细度越来越小，一定程度上满足了快速施工的需要，但也可能对混凝土工作性能造成一定影响。通过对水泥进行粉磨获得以上比表面积，采用表2 配比，进行混凝土工作性能，结果见表3。

表3 结果结果显示，水泥细度变细，混凝土初始坍落度和扩展度下降，1h 经时坍损也增加。这是因为水泥比表面积增大，水泥颗粒的反应触点增多，水泥水化反应速率增加[6]，对聚羧酸外加剂的吸附量也增加[7]，在相同聚羧酸减水剂用量下，保持混凝土分散流动的自由水减少，混凝土流动性下降。由于水泥反应速率加快，外加剂对混凝土的保坍能力减弱，混凝土保坍能力下降。

表3 不同比表面积水泥对混凝土工作性能的影响

水泥细度变小后混凝土含气量逐步下降，这是因为水泥比表面积增加，对自由水的包裹力增强，裹入空气的能力下降，造成混凝土含气量下降。由于水泥比表面积增加使得水泥水化速率加快，混凝土初凝和终凝时间随之缩短。

2.1.2 混凝土强度

抗压强度是混凝土的重要指标之一，受到原材料性能、配合比及养护方式的影响，本项目在研究水泥比表面积对混凝土强度影响的同时，也考虑了养护方式的因素作用。设定干燥养护（湿度 RH≤60%，温度 (20±2)℃）、标准养护（相对湿度≥95%，温度 (20± 2)℃）、水中养护（水温 (20±2)℃），混凝土强度测试结果见表4 和图 1。

图1 水泥细度对混凝土抗压强度的影响

表4 不同细度水泥和养护方式对混凝土强度的影响 MPa

表4 结果表明，混凝土强度的发展受水泥细度的影响，同时也受所处养护环境的影响。相同细度的水泥，在干燥养护条件下，由于水分供应不足，无法为水泥水化提供持续的水分，削弱了水泥继续水化的动力，使得混凝土各龄期强度均低于标准养护和水中养护，在外部水分供应充足的情况下，同细度水泥成型的混凝土标准养护和水中养护差别不大。

在干燥养护时，水泥比表面积增加，混凝土 7d、28d、60d 抗压强度均出现先增加后降低，这是因为水泥细度变小，与水分接触面积增加，水泥水化反应的位点增多，水泥早期强度增加，但随着水泥进一步变细，水分不足使得混凝土内部孔隙增多，混凝土流动性下降且混凝土密实度下降，混凝土强度反而下降。对于标准养护和水中养护时，水泥细度变小对混凝土造成的影响相对较小，且水泥比表面积适当增加有利于混凝土强度提升。

2.2 水泥温度对混凝土性能的影响

研究了水泥温度对混凝土性能的影响，试验采用比表面积分别为 330m2/kg 和 397m2/kg 的水泥，经过烘箱加热至 25℃、60℃ 和 100℃，外加剂采用混凝土初始扩展度为 (580±10)mm 的掺量，以评估水泥细度和温度对外加剂使用的影响。试验配合比见表5。

2.2.1 混凝土工作性能

试验采用表5 配合比，测试的混凝土工作性能结果见表6。

表5 不同温度水泥拌合的混凝土试验配合比 kg/m3

表6 水泥温度对混凝土工作性能的影响

表6 结果可以看出，当水泥比表面积为 330m2/kg，水泥温度逐步升高至 100℃，对外加剂的吸附也越高，外加剂掺量由 2.0% 升高至 2.5%，混凝土初始流动度相当的情况下，1h 坍损也随水泥温度升高而增大。这是因为水泥温度升高，对外加剂吸附能力加强，因此外加剂掺量增加。并且水泥温度高，水泥水化速率加快，混凝土中的自由水含量减少，因此混凝土保坍能力减弱，凝结时间缩短。

当水泥比表面积增大至 397m2/kg，随着水泥温度升高，达到相同初始流动性的混凝土外加剂掺量从 2.0% 增加至 3.0%，相比 100℃ 的 330m2/kg 的水泥外加剂用量升高 0.5%，混凝土坍落度损失相比 330m2/kg 的水泥更大，混凝土凝结时间进一步缩短。说明在细度进一步变小时，水泥温度会加速混凝土坍落度损失和凝结硬化。

2.2.2 混凝土强度

采用表5 所示混凝土配合比搅拌成型，24h 脱模后采用干燥养护（湿度 RH≤60%，温度 (20±2)℃）、标准养护（相对湿度≥95%，温度 (20±2)℃），测试混凝土 7d、28d 和 60d 的抗压强度。

从表7 和图 2 结果可知，水泥细度一定时，水泥温度的升高使得混凝土 7d 抗压强度增加，且标准养护下混凝土强度增长比干燥养护更为明显，这是因为水泥温度升高，水泥水化反应加快，所需的自由水增多，标准养护下对混凝土强度增长作用更为显著。

表7 水泥温度对混凝土强度的影响 MPa

图2 水泥温度对混凝土强度的影响

同时可以看出，水泥温度在 25℃ 和 60℃ 时，水泥比表面积增加时，水泥 7d 至 28d 的强度增长均高于 100℃，且标准养护优于干燥养护。

3 结论

（1）水泥细度越细，相同材料用量下对混凝土初始流动性和保坍性能的影响越大，同时混凝土含气量下降，混凝土凝结时间缩短。

（2）相同细度的水泥，在干燥养护条件下，混凝土各龄期强度均低于标准养护和水中养护，而标准养护和水中养护的混凝土强度差别不大。受养护环境影响，水分对于较细水泥的混凝土强度增长较为重要。

（3）水泥细度相同时，外加剂掺量随水泥温度升高而升高，混凝土坍损也加快，造成混凝土凝结加快，且水泥细度变小会扩大温度对混凝土工作性能带来的影响。

（4）相同细度的水泥随着温度升高，混凝土 7d 抗压强度增加，且标准养护比干燥养护对混凝土更为有利，同时较细水泥温度升高后混凝土强度增长更快，且受环境湿度影响更大。