蔡躍波,石 泉,丁建彤,陳 波,龔 英

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210029;2.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳,新疆烏魯木齊 830000)

為避免溫度裂縫的產(chǎn)生,大型水利水電工程大體積混凝土施工,除在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝方面進(jìn)行改進(jìn)外,還希望水泥的水化熱盡量低。龍灘、錦屏、官地等水電站工程[1-2]均采用限制比表面積的中熱硅酸鹽水泥。GB 200—2003規(guī)定,中熱硅酸鹽水泥熟料要求硅酸三鈣(3CaO?SiO2)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過55%,鋁酸三鈣(3CaO?A12O3)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過6%,游離氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過1%。除規(guī)定抗壓及抗折強(qiáng)度要求外,還要求3d水化熱小于或等于251 kJ/kg,7 d水化熱小于或等于293kJ/kg。受水泥原材料成分及生產(chǎn)工藝的限制,一般水泥廠均需經(jīng)過專門的工藝研究和試驗(yàn),才能生產(chǎn)合格的中熱硅酸鹽水泥,使水化熱相對(duì)較低的中熱硅酸鹽水泥的應(yīng)用受到了制約。因此,有必要找到一種水化熱低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的水泥。

西北地區(qū)某水利樞紐碾壓混凝土壩由于地處高寒、高溫差地區(qū),晝夜溫差和年較差大,施工期間會(huì)帶來25～60℃的壩體內(nèi)外溫差。在現(xiàn)有的溫控防裂措施基礎(chǔ)上,如何進(jìn)一步提高混凝土的抗裂性是一個(gè)迫切需要解決的問題。采用水泥熟料直接生產(chǎn)細(xì)度較大、比表面積小的粗磨水泥來配制低熱混凝土是一個(gè)具有良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的方案[3]。在兼顧力學(xué)性能要求的同時(shí),直接通過細(xì)度來控制水泥的水化熱,不必像中熱硅酸鹽水泥那樣,考慮水泥熟料的礦物成分及其比例。粗磨水泥不僅能降低早齡期混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn),而且有利于提高混凝土的耐久性[4-6]。同時(shí)也擴(kuò)大了水泥原材料的來源,簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝,降低了能耗。

本文針對(duì)工程需要,研究了普通硅酸鹽水泥及采用水泥熟料磨制的粗磨水泥對(duì)碾壓混凝土的工作性、力學(xué)性能、耐久性及絕熱溫升等性能的影響,論證采用粗磨水泥配制碾壓混凝土的技術(shù)可行性。

1 原材料及試驗(yàn)方法

水泥:某水泥廠專門試生產(chǎn)的2種細(xì)度的粗磨水泥(水泥熟料磨細(xì)后加5%的石膏),比表面積分別為304m2/kg和336m2/kg;某工程采用的比表面積為398m2/kg(典型細(xì)度)的P?O 42.5水泥。水泥的化學(xué)成分及基本性能指標(biāo),見表1和表2。

粉煤灰:細(xì)度 6.0%,需水量比 99%,燒失量5.70%,密度2.26g/cm3。

水洗天然砂:飽和面干吸水率1.14%,表觀密度2610kg/m3,細(xì)度模數(shù)2.44。

粗骨料:5～20mm,20～40mm,40～80mm三級(jí)配片麻黃崗巖。飽和面干吸水率分別為1.40%,1.10%,0.84%,表觀密度分別為 2 640 kg/m3,2660kg/m3,2660kg/m3。

石粉:石灰石粉,0.080mm篩余量為6%～9%。

外加劑:聚羧酸系緩凝型高效減水劑及引氣劑。

按照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)性能試驗(yàn)。按照GB/T 12959—2008《水泥水化熱測(cè)定方法》溶解熱法進(jìn)行水化熱測(cè)試。

2 水泥的水化熱及物理力學(xué)性能

2.1 水泥水化熱

水化熱測(cè)試采用無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SHR-650Ⅱ型水化熱測(cè)定儀進(jìn)行。3種水泥的水化熱見表3。

從表3可以看出,C304和C336水泥的水化熱明顯降低。與較細(xì)的PO398普通硅酸鹽水泥相比,C304水泥各齡期的水化熱分別降低了12%,7%,16%和14%;C336水泥的水化熱分別降低了11%,1%,10%和9%。應(yīng)注意到,普通硅酸鹽水泥已摻加了9%的混合材,但它的水化熱依然較熟料磨制的粗磨水泥高出10%左右。在熟料礦物成分大致相同的情況下,減小水泥的比表面積是降低水化熱的有效措施。同時(shí)還可以看出,以28d齡期的放熱量為基準(zhǔn)時(shí),粗磨水泥的放熱速率與普通硅酸鹽水泥基本相當(dāng),因此,不會(huì)出現(xiàn)早期放熱量低、后期放熱量高的現(xiàn)象。

2.2 水泥的物理力學(xué)性能

比較3種水泥3d,7d,28d和90d齡期的力學(xué)性能指標(biāo),如表4所示。C304和C336水泥28 d齡期的膠砂抗壓強(qiáng)度分別為37.4MPa和39.8MPa,均小于42.5MPa。2種粗磨水泥各齡期的膠砂抗壓強(qiáng)度雖小于PO398水泥,但粗磨水泥的后期強(qiáng)度仍有較大增長(zhǎng)空間。2種粗磨水泥3d和7d膠砂抗折強(qiáng)度明顯小于PO398水泥,但28d和90d齡期的膠砂抗折強(qiáng)度已接近于PO398水泥。水泥細(xì)度對(duì)28d之內(nèi)的強(qiáng)度有較大影響,但對(duì)抗折強(qiáng)度的影響小于對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

表1 水泥的化學(xué)成分%

表2 水泥的基本性能指標(biāo)

表3 3種水泥的水化熱

表4 水泥的力學(xué)性能指標(biāo)

人們對(duì)粗磨水泥應(yīng)用的擔(dān)心主要來自于其較低的早期強(qiáng)度。對(duì)于內(nèi)部碾壓混凝土而言,實(shí)際溫度場(chǎng)下,混凝土的溫度長(zhǎng)期處在高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的20℃的狀態(tài),在這種情況下,混凝土強(qiáng)度的發(fā)展要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度快[7]。這有助于消除對(duì)早期強(qiáng)度不足的擔(dān)憂。

3 混凝土試驗(yàn)

3.1 混凝土配合比

某水利樞紐內(nèi)部碾壓混凝土設(shè)計(jì)要求:強(qiáng)度等級(jí)為R18015W4F50,強(qiáng)度保證率為80%,極限拉伸值大于0.70×10-4,VC值為5～8s。

試驗(yàn)所用碾壓混凝土配合比見表5?？紤]到普通硅酸鹽水泥中摻有9%的混合料,以保證水泥熟料和膠凝材料的質(zhì)量相同為原則,設(shè)計(jì)混凝土配合比。通過試拌發(fā)現(xiàn),當(dāng)P304混凝土采用的減水劑和引氣劑摻量與PO和P336混凝土相同時(shí),混凝土已有坍落度,因此適當(dāng)降低該配合比外加劑的量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1混凝土力學(xué)、變形及耐久性能

混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度、軸拉性能、抗凍及抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

P304混凝土在減水劑用量比PO混凝土低0.1%的情況下,VC值仍明顯降低、含氣量增大,主要是因?yàn)榇帜ニ啾缺砻娣e小、需水量低。在骨料級(jí)配相同的情況下,粗磨水泥會(huì)明顯改善碾壓混凝土的工作性能,加速液化泛漿,降低VC值,提高施工性能。

粗磨水泥盡管會(huì)降低抗壓強(qiáng)度,但仍然能夠配制滿足要求的碾壓混凝土。P304和P336混凝土180d齡期的強(qiáng)度分別為24.5MPa和27.8MPa,明顯大于180d齡期的配制強(qiáng)度要求(17.9MPa)。強(qiáng)度富余程度高達(dá)37%和55%。這從另外一個(gè)方面消除了人們對(duì)粗磨水泥在28d齡期強(qiáng)度低于42.5MPa的擔(dān)憂。

在180 d齡期時(shí),P304混凝土軸心抗拉強(qiáng)度比P336混凝土的略高,且與PO混凝土基本相當(dāng);P304和P336混凝土的極限拉伸值均與PO混凝土的基本相當(dāng),且均滿足180d齡期的極限拉伸值設(shè)計(jì)要求(0.70×10-4);P304混凝土的抗拉彈性模量比P336混凝土的略高,與PO混凝土的差異不大?？梢?雖然粗磨水泥配制的混凝土90d齡期的軸拉性能稍遜于PO混凝土,但在180d齡期時(shí)已基本相當(dāng)。

3組混凝土在90d齡期時(shí),抗凍及抗?jié)B性能均已滿足設(shè)計(jì)要求的F50和 W4,耐久性滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合考慮混凝土各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)值,當(dāng)水泥比表面積降至304m2/kg時(shí),所配制的混凝土充分滿足設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[8]表明,當(dāng)水泥比表面積降至260m2/kg左右時(shí),依然能滿足混凝土的設(shè)計(jì)要求,因此要根據(jù)不同水泥的礦物成分來確定合適的細(xì)度。

3.2.2混凝土絕熱溫升

應(yīng)用粗磨水泥的最終目的是降低混凝土的絕熱溫升,提高混凝土的抗裂性。為考察粗磨水泥對(duì)混凝土絕熱溫升的降低效果,采用HR-2型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定了3組混凝土的絕熱溫升(圖1)。

圖1 水泥細(xì)度對(duì)碾壓混凝土絕熱溫升的降低效果

表5 碾壓混凝土配合比

表6 水泥細(xì)度對(duì)混凝土性能的影響

表7 RCC絕熱溫升實(shí)測(cè)值及最終溫升預(yù)測(cè)值

由圖1可知,在潛伏期內(nèi),3組混凝土溫升基本接近;快速升溫階段,PO混凝土的溫升速度明顯快于P304和P336混凝土。以3d,7d,14d和28d等4個(gè)齡期為例,與PO混凝土相比,P304混凝土的溫升值分別降低了2.8℃,6.3℃,9.5℃和11.8℃;P336混凝土分別降低了 3.2℃,5.8℃,7.8℃,8.6℃。由表7給出的擬合結(jié)果可知,與PO混凝土相比,P304混凝土的最終溫升值降低了 12.3℃,P336混凝土的最終溫升值降低了8.3℃。采用粗磨水泥降低絕熱溫升的效果非常顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前,在工程實(shí)踐中,為了提高混凝土的抗裂性,往往采取預(yù)冷骨料、冰水拌和、預(yù)埋冷卻水管、外部保溫等技術(shù)措施。這些措施有效可行,但其經(jīng)濟(jì)成本高昂,增加施工工序。采用粗磨水泥有效地降低了水泥的水化熱和混凝土絕熱溫升,能夠配制滿足力學(xué)、變形及耐久性要求的碾壓混凝土。粗磨水泥降低了水泥磨制的能耗,不增加任何施工工序,改善了混凝土的施工性能,提高了混凝土的抗裂性。在碾壓混凝土中應(yīng)用粗磨水泥是可行的技術(shù)措施。

[1]陸海,劉品洪,向開偉,等.龍灘工程中熱水泥的研制與生產(chǎn)[EB/OL].[2009-01-19].http:www.gxsti.net.cn.

[2]中國(guó)電力工程招標(biāo)中心.四川省雅礱江官地水電站中熱硅酸鹽水泥采購(gòu)招標(biāo)公告[EB/OL].[2008-07-14].http:www.cnbidding.com.

[3]龔英.水泥細(xì)度對(duì)碾壓混凝土抗裂性的影響[D].南京:南京水利科學(xué)研究院,2008.

[4]DALE P B,GAURAV S,JASON W.Early-age properties of cement-based materialsⅠ:influence of cement fineness[J].J Mat in Civ Engrg,2008,20(7):502-508.

[5]DALE P B,EDWARD J G,CLAUS J H,et al.Effects of cement particle size distribution on performance properties of Portland cement-based materials[J].Cement and Concrete Research,1999,29:1663-1671.

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[7]錢文勛,張燕遲,蔡躍波,等.考慮內(nèi)部溫度歷史的大壩混凝土強(qiáng)度發(fā)展[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2008(4):50-53.

[8]石泉,龔英,蔡躍波,等.水泥比表面積對(duì)碾壓混凝土力學(xué)性能的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2008(4):44-49.

[9]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.