白色硅酸盐水泥在大体积混凝土中的应用研究*

2022-06-18曹长伟夏京亮周永祥关青锋

施工技术(中英文) 2022年10期

杨栋，曹长伟，夏京亮，周永祥，王伟，关青锋

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011； 2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013； 3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013)

0 引言

白色混凝土是采用白色硅酸盐水泥、白色矿物掺合料、浅色骨料和不染色的外加剂配制而成的混凝土。其中，白色硅酸盐水泥是指在白色硅酸盐水泥熟料中加入适量的石膏和混合材料磨细制成的水硬性胶凝材料。虽然对彩色混凝土有一定研究[1-2]，但关于白色混凝土的报道很少，夏江南，王国勋等[3-4]以池州长江大桥主塔建设为例，研究了白色“皮肤”混凝土，认为采用白色硅酸盐水泥可配制工作性能良好、力学性能满足设计要求的白色混凝土。程智龙等[5]认为白色透水混凝土抗压强度与透水性间存在对立关系，水胶比为0.32，设计孔隙率为15% 时，混凝土的综合性能最佳。

综上，目前白色混凝土研究主要集中在其配制、工作性能和力学性能等方面，缺乏对白色大体积混凝土水化热和绝热温升的讨论。大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小尺寸≥1m的大体量混凝土，大体积混凝土内部易因水泥水化产生大量热量，形成温度梯度，使混凝土产生裂缝[6-7]。科科迪大桥主塔属于大体积混凝土，由于科特迪瓦当地混凝土掺合料匮乏，白色大体积混凝土应用经验少，温度控制难度大。本文通过研究水化热、绝热温升、匹配养护混凝土抗压强度等，探讨白色硅酸盐水泥在大体积混凝土中的应用，为科科迪大桥混凝土质量提供技术支持，同时推进白色混凝土在工程中的应用。

1 工程概况

科科迪大桥位于科特迪瓦阿比让市Cocody湾，主线总长约1.63km，包含1座全长630m、主跨200m的钢槽梁单塔斜拉桥；主引桥为预应力简支T梁桥，全长258.15m；主线路基长710m；B匝道含4条支线，其中B5匝道为预应力混凝土梁桥，全长147.5m；A，C匝道路基线路共长3.7km。主跨斜拉桥塔高108.6m，混凝土用量约3.2万m3，根据科科迪桥专用技术条款CCTP1.3.7要求，索塔需采用初步设计单位选择的白色混凝土，如图1所示。该工程地处西非中心科特迪瓦首都和经济中心阿比让市，影响力大，为地标性工程，不仅对实体质量要求高，对外观质量要求更高，旨在打造艺术品景观桥，因此，白色混凝土质量对工程质量起决定性作用。

图1 科特迪瓦科科迪大桥

2 试验

2.1 原材料

1)白色硅酸盐水泥 CEMⅠ52.5，白度91，初凝时间172min，终凝时间270min，比表面积410m2/kg， 3，28d抗压强度分别为36.5，61.8MPa，密度为3.08g/cm3。

2)普通水泥 P·O52.5水泥，初凝时间235min，终凝时间310min，比表面积385m2/kg，3，28d抗压强度分别为31.5，62.3MPa，密度为2.99g/cm3。

3)矿粉日本进口白色矿粉，白度87，密度2.81g/cm3，比表面积405m2/kg，7，28d活性指数分别为83%，102%，流动度比为98.3%。

4)砂科特迪瓦当地河砂，细度模数为2.5。

5)碎石项目部自产5～25mm碎石，岩性为片麻岩，颜色较浅。

6)减水剂西卡聚羧酸高性能减水剂，含固量21.3%，减水率27.5%。

2.2 试验方法

1)水化热试验分别测量纯白色硅酸盐水泥(WC)、普通水泥(PC)、70%白色硅酸盐水泥+30%矿粉(WCF)的水化放热速率和水化热。采用TAM Air等温微量热仪进行水化热试验。TAM Air通过调节系统保证温度的稳定，波动在±0.02K，测量胶凝材料水化140h的放热速率及放热量，水化温度为298K，胶凝材料配合比如表1所示。

表1 水化热试验胶凝材料配合比

2)绝热温升试验试验混凝土配合比如表2所示，胶凝材料体系设置纯白色硅酸盐水泥(WC-1)、70%白色硅酸盐水泥+30%矿粉(WC-2)、70%普通硅酸盐水泥+30%矿粉(PC-1)，水胶比为0.33，胶凝材料用量484kg/m3，矿物掺合料占胶凝材料总量的30%。试验过程中严格控制混凝土温度，混凝土进入绝热温升测试桶时的温度约为17℃，采用ATC/JR-50L型混凝土绝热温升测试仪测定。

表2 试验混凝土配合比 kg·m-3

3)抗压强度试验按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土抗压强度，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，测试龄期为3，7，28，56d。

2.3 混凝土匹配养护

根据表2配合比成型混凝土试件，收面后覆盖塑料薄膜防止失水，连模具一起放入养护箱中养护，养护箱温度根据试验混凝土绝热温升调整，匹配养护后移入标准养护室内继续养护至试验龄期。

3 试验结果与分析

3.1 不同胶凝材料体系水化热

水胶比为0.4的情况下，不同胶凝材料体系水化放热速率和放热量试验曲线如图2所示。

图2 不同胶凝材料体系水化放热速率和放热量试验曲线

由图2a可知，纯白色硅酸盐水泥存在一个水化放热速率高的尖锐锋，时间大约在加水后的5～10h，加入30%矿粉后水化放热速率高的尖锐锋消失，水化放热速率曲线相对平缓，说明加入矿粉减缓了白色硅酸盐水泥的放热速率。白色硅酸盐水泥水化放热速率在11h左右时出现第3放热峰，这可能是由于该胶凝材料体系中的石膏已消耗完毕，钙矾石(AFt)向单硫型水化硫铝酸钙(AFm)转化所引起，从这个角度分析白色硅酸盐水泥中石膏量相对较少，这也是其水化放热速率较快的原因之一；从凝结时间上也可印证这一现象，白色硅酸盐水泥初凝时间为172min，比普通水泥初凝时间235min早了63min。另外，虽然水化早期白色硅酸盐水泥水化放热速率较快，但在约13h后普通水泥放热速率一直比白色硅酸盐水泥高。由图2b可知，水化早期白色硅酸盐水泥水化放热量较高，但约35h后较普通水泥水化放热量低。

复合胶凝材料水化热试验结果如表3所示。

表3 复合胶凝材料水化热试验结果

由表3可知，30%磨细矿渣粉掺入可降低白色硅酸盐水泥放热速率，推迟最大放热速率出现时间，纯白色硅酸盐水泥最大放热速率为13.82J/(g·h)，时间为加水后的7.6h；70%白色硅酸盐水泥+30%磨细矿渣粉组最大放热速率为8.32J/(g·h)，时间为11.7h，最大放热速率降低约40%，出现时间推迟4.1h。加入矿粉在各测试龄期均能降低水化放热量，WCF组各龄期累积水化放热量较纯WC组分别下降了15.6%，14.5%，13.4%，13.4%，14.0%，14.6%。出现上述规律的原因可能为：①掺入矿粉能延长白色硅酸盐水泥的水化诱导期，使掺入矿粉组水化放热速率降低，最大放热速率出现时间延迟；②掺入矿粉降低了参与水化的水泥量，但矿粉可与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，放出一定量的水化热。PC组1，2，3，4，5，6d累积水化放热量分别为124.7，210.4，243.1，265.7，282.5，295.4J/g，较WC组分别高-18.8%，3.9%，7.6%，9.6%，10.4%，10.6%。综上，白色硅酸盐水泥与普通水泥相比，开始水化反应早，水化速度快，水化放热速率高，但最终水化放热量低。

WCF组放热量与WC组放热量的关系如图3所示。两者线性相关，直线拟合优度>99%。

图3 WCF组放热量与WC组放热量的关系

3.2 不同胶凝材料体系混凝土绝热温升

不同胶凝材料体系混凝土绝热温升试验结果如图4所示。

图4 不同胶凝材料体系混凝土绝热温升

由图4可知，白色硅酸盐水泥混凝土和普通水泥混凝土一样，绝热温升最活跃的时期均为混凝土浇筑最初的24h，温度基本呈线性增长规律，之后温度增长速率逐渐变缓，混凝土浇筑48h后，绝热温升逐渐趋于稳定。因此，对于白色硅酸盐水泥大体积混凝土，从开始浇筑到48h是温度控制的关键时期，白色硅酸盐水泥混凝土施工时应特别关注前48h的温度上升情况，并采取有效措施降低温峰和推迟温峰出现时间。同时，在这一温控关键期应加强对混凝土表面的保护，避免因气温骤降引起混凝土表面急剧降温，导致混凝土内、外部产生较大的温度梯度，温度应力增大，从而产生温度裂缝。

掺入30%磨细矿渣粉可有效降低白色硅酸盐水泥混凝土绝热温升速度和最终绝热温升温度，掺入30%磨细矿渣粉混凝土在1，2，3，5d绝热温升温度分别为59.0，64.3，65.8，67.5℃，较纯白色硅酸盐水泥混凝土1，2，3，5d绝热温升温度63.6，67.8，69.2，71.0℃分别降低了7.2%，5.2%，4.9%，4.9%，说明掺入矿粉作为矿物掺合料可在一定程度上降低白色硅酸盐水泥混凝土绝热温升，从而降低白色硅酸盐水泥混凝土出现温度裂缝的风险。

试验对比普通水泥混凝土和白色硅酸盐水泥混凝土绝热温升，2种混凝土分别掺入了30%磨细矿渣粉。白色硅酸盐水泥混凝土绝热温升比普通水泥混凝土上升更快，最终绝热温升温度相差不大，普通水泥混凝土1，2，3，5d绝热温升温度分别为53.7，62.6，64.5，67.0℃，较白色硅酸盐水泥混凝土绝热温升温度分别低9.0%，2.6%，2.0%，0.7%。这与2种水泥水化热对比情况类似，白色硅酸盐水泥开始水化反应早，水化放热速率高，但最终水化放热量低，2种混凝土最终绝热温升相差不大，可能是由于矿粉在白色硅酸盐水泥混凝土中二次水化放热相对较少造成的。

3.3 匹配养护对白色混凝土强度的影响

采用匹配养护不同胶凝材料体系混凝土抗压强度曲线如图5所示。

图5 不同胶凝材料体系混凝土抗压强度曲线

由图5可知，3组混凝土抗压强度在早期增长较高，3d龄期之后强度增长速度迅速放缓。就白色硅酸盐水泥混凝土而言，掺入30%磨细矿渣粉的复合胶凝材料配制的混凝土在匹配养护条件下3，7，28d龄期抗压强度均超过纯白色硅酸盐水泥混凝土，56d龄期时略低于纯白色硅酸盐水泥混凝土，其中3d龄期时WC-2组抗压强度达到63.5MPa，超过WC-1组5.0%。这主要是因为匹配养护条件是模拟大体积混凝土内部温度情况，养护温度变化与图5中的温度曲线基本一致，可见在混凝土成型早期施加了逐渐升高的温度养护，直至温度升至接近70℃时对混凝土进行养护，虽然矿粉的反应活性低于水泥熟料，但高温养护会对复合胶凝材料体系中的矿粉起到明显的热激发作用，极大地提高其早期反应程度，增加水化产物量，使浆体结构更加致密，强度更高；较高的温度养护同样能提高水泥的早期反应速率，但水化早期迅速反应生成的大量凝胶会包覆在水泥颗粒表面阻碍其进一步水化，降低后期水化反应程度；另外，高温条件下水泥早期迅速生成的水化产物结构疏松[8-9]，也是其抗压强度低于掺入矿粉混凝土的原因。

PC-1组和WC-2组混凝土在各龄期抗压强度均相差不大，3d龄期时PC-1组抗压强度为64.5MPa，比WC-2组大1MPa，而56d龄期时PC-1组抗压强度为72.4MPa，比WC-2组小1.2MPa。这主要是由于2种混凝土配合比一致，仅水泥种类不同，2种水泥28d抗压强度相差不大，在匹配养护条件下，高温养护对水泥水化的促进作用也基本相当。

匹配养护条件下不同胶凝材料体系混凝土劈裂抗拉强度曲线如图6所示。

图6 不同胶凝材料体系混凝土劈裂抗拉强度曲线

由图6可知，2组白色硅酸盐水泥配制的混凝土劈裂抗拉强度相差不大，主要原因和抗压强度的影响一致，虽然矿粉的水化活性比水泥低，但匹配养护条件下的高温使矿粉活性得到很大的发挥，弥补了其活性的不足。对比PC-1，WC-2组可以看出，普通水泥混凝土劈裂抗拉强度在各龄期均略低于白色硅酸盐水泥混凝土，在对混凝土劈裂抗拉强度的贡献上，白色硅酸盐水泥表现更好。

采用WC-2组分析其抗压强度和劈裂抗拉强度的关系，如图7所示。两者呈线性相关，直线拟合优度为91.5%，相关性较好，白色硅酸盐水泥混凝土抗压强度约是劈裂抗拉强度的14倍。