持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥水化特性試驗(yàn)研究

段 運(yùn)，王起才，張戎令，鄧 曉，張 寧

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.中交一公局橋隧工程有限公司，河北 保定 074000)

青藏鐵路凍土區(qū)橋梁工程分為兩大類，一類是跨越流水河谷、湖塘的橋梁工程，另一類則是跨越溫度極不穩(wěn)定高含冰量凍土區(qū)的“以橋代路”橋梁工程，這些橋梁通常采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)［1-2］。青藏鐵路沿線凍土年平均地溫基本維持在－3.5～0℃［3］，而混凝土的入模溫度一般控制為2～10℃［4］，所以當(dāng)混凝土澆筑后，多年凍土?xí)掷m(xù)吸收灌注樁混凝土自身的熱量。樁徑相對較小的灌注樁在凍土作用下，其樁身混凝土?xí)L期處于持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下進(jìn)行水化反應(yīng)。負(fù)溫環(huán)境會明顯減緩灌注樁混凝土的水化速率［5］，進(jìn)而減少水化放熱量，降低水化程度，從而影響混凝土灌注樁強(qiáng)度的增長。目前，對持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥水化放熱量的定量分析、水化程度變化規(guī)律及樁身混凝土抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律等尚缺乏深入研究，因此無法預(yù)測凍土層中混凝土結(jié)構(gòu)物的微觀結(jié)構(gòu)缺陷以及樁身強(qiáng)度不足等安全質(zhì)量問題，而這些問題有可能導(dǎo)致沉降、晃車等病害。因此進(jìn)行持續(xù)負(fù)溫(－3℃)環(huán)境下水泥水化放熱特性試驗(yàn)研究，并進(jìn)行多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁水泥水化放熱量的定量分析顯得尤為重要。

本試驗(yàn)通過對持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥凈漿水化放熱量的測定和定量計(jì)算，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及影響因素，得到水泥水化程度及其增長規(guī)律，可為多年凍土區(qū)混凝土鉆孔灌注樁強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律提供一定的理論支撐。

1 持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥水化放熱特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥凈漿水化熱試驗(yàn)采用規(guī)范《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)［6］中的直接法。目前我國使用的水泥水化熱的測定方法有直接法與溶解熱法。溶解熱法是依據(jù)熱化學(xué)中的蓋斯定律，即化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只與體系的初態(tài)和終態(tài)有關(guān)而與反應(yīng)的途徑無關(guān)提出的。它是在熱量計(jì)周圍溫度一定的條件下，用未水化的水泥與水化一定齡期的水泥分別在一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)酸溶液中溶解，測得溶解熱之差，作為該水泥在該齡期內(nèi)所放出的水化熱。溶解熱法由于水化熱測定步驟比較繁瑣，試驗(yàn)條件要求高，因此試驗(yàn)結(jié)果通常誤差較大。本試驗(yàn)采用操作簡單、誤差較小、精度較高的直接法。其原理是:將恒溫瓶放置在持續(xù)的負(fù)溫環(huán)境下，用測溫元件測定恒溫瓶內(nèi)氯化鈉溶液、水泥漿體以及恒溫瓶內(nèi)外空氣的溫度隨齡期的變化值，再通過公式計(jì)算不同齡期下恒溫瓶內(nèi)氯化鈉溶液吸收的熱量和恒溫瓶內(nèi)外交換的熱量，可得出不同齡期下的水泥水化放熱量。

1.2 試驗(yàn)儀器和原材料

1.2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括環(huán)境模擬箱、恒溫瓶、溫度自動巡檢儀、溫度傳感器等。環(huán)境模擬箱如圖1所示，水化熱試驗(yàn)裝置示意如圖2。

環(huán)境模擬箱有效尺寸6.0 m×3.5 m×2.2 m。溫度范圍為－20～80℃，升/降溫最大速率≥1℃/min，溫度變化可通過編程實(shí)現(xiàn)溫度加載，溫度波動度≤±0.5℃，溫度均勻度≤2℃;濕度范圍為 10% ～90%，濕度偏差≤±5%。

圖1 環(huán)境模擬箱

1.2.2 試驗(yàn)原材料

圖2 水化熱試驗(yàn)裝置示意

水泥采用甘肅永登祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)原材料各項(xiàng)實(shí)測性能指標(biāo)如表1所示。

表1 原材料實(shí)測性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方案與步驟

1.3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)將水泥凈漿分為A，B，C 3組，水灰比分別為0.24，0.31，0.38，各組水泥用量均為500 g。水泥凈漿的入模溫度控制在3℃。恒溫瓶內(nèi)氯化鈉溶液初始溫度低于－3℃，以使水泥凈漿入模后的周圍環(huán)境溫度盡快降到－3℃。

1.3.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前，根據(jù)GB/T 12959－2008測定每組恒溫瓶的散熱常數(shù)K，并計(jì)算出每個(gè)恒溫瓶的總熱容量CP。水泥凈漿攪拌均勻后，灌入恒溫瓶中，然后用溫度自動巡檢儀測定A，B，C 3組恒溫瓶內(nèi)氯化鈉溶液、水泥漿體以及恒溫瓶內(nèi)外空氣的溫度隨齡期的變化值，算出不同齡期下恒溫瓶內(nèi)氯化鈉溶液吸收的熱量和恒溫瓶內(nèi)外交換的熱量，再通過式(1)計(jì)算得出不同齡期下的水泥水化熱量

式中:Qτ為τ齡期內(nèi)水泥水化放出的總熱量，J;Cp為澆注完成后的恒溫瓶總熱容量，J/℃;Tτ為τ時(shí)刻的水泥水化溫度，℃;T0為水泥水化的初始溫度，℃;K為恒溫瓶的散熱常數(shù)，J/(h·℃);Σ S0～τ為0～τ時(shí)間內(nèi)恒溫瓶內(nèi)外溫度曲線之間的面積，h·℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥水化放熱量計(jì)算

試驗(yàn)所采用的普通硅酸鹽水泥完全水化時(shí)的單位放熱量介于425～460 J/g之間［7］，本試驗(yàn)取水泥完全水化單位放熱量為454 J/g。由公式(1)計(jì)算出3種水灰比水泥凈漿在不同齡期下的水化放熱量。水泥的水化程度γτ為

式中:Qτ為τ齡期內(nèi)水泥水化放出的總熱量;Qmax為水泥完全水化放熱量;γτ為一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的水化作用放熱量和完全水化放熱量的比值。

表2和圖3分別為負(fù)溫下A，B，C 3組水泥凈漿在各齡期的水化放熱量及水化放熱量隨齡期的變化曲線。

表2 負(fù)溫下不同水灰比水泥水化放熱量

2.2 持續(xù)負(fù)溫環(huán)境下水泥水化放熱分析

通過表2和圖3可以看出，在試驗(yàn)齡期內(nèi)，入模溫度控制在3℃時(shí)，3種水灰比水泥凈漿在持續(xù)負(fù)溫下的水化放熱量隨著齡期的增加而持續(xù)增大，不同水灰比水泥凈漿在同一齡期下的水化放熱量不同，水化放熱量隨齡期增長的變化程度呈現(xiàn)出個(gè)體差異。

圖3 負(fù)溫下不同水灰比水化放熱量隨齡期的變化曲線

持續(xù)的負(fù)溫環(huán)境對水泥凈漿的水化特性產(chǎn)生了很大的影響，負(fù)溫環(huán)境下3種水灰比水泥凈漿在不同齡期下的放熱量都比常溫環(huán)境下水化放熱量［8］有很大程度的減少。通常我們認(rèn)為，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為0℃，但是當(dāng)外界氣壓發(fā)生變化時(shí)，水的冰點(diǎn)會發(fā)生改變，且當(dāng)水中溶有空氣時(shí)，其冰點(diǎn)也要下降［9］。硬化后的水泥漿體是非均質(zhì)、多相體系，水存在于水泥石的孔道結(jié)構(gòu)中，并與水泥發(fā)生水化反應(yīng)。水泥石中含有多種不同的鹽類，鹽類的加入也會使水的冰點(diǎn)降低［10］，且由于冰晶引起基模勢或滲透勢的變化，未凍水會向凍區(qū)運(yùn)動［11］，因此，在－3℃時(shí)，水泥漿體中的自由水并未全部結(jié)冰，依舊存在一部分液相水在繼續(xù)與水泥發(fā)生反應(yīng)，但部分結(jié)冰的自由水無法直接與水泥發(fā)生水化反應(yīng)。這與常溫情況相比，參與水化反應(yīng)的水量大大降低，反應(yīng)物總量相對變少，水化反應(yīng)變得緩慢，水化程度也就較低。

從表2和圖3還可看出，不同水灰比對負(fù)溫環(huán)境下的水化放熱量的影響也不同，前12 d內(nèi)水灰比為0.38的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.31的水泥凈漿放熱量次之，水灰比為0.24的水泥凈漿放熱量最小;12 d之后水灰比為0.31的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.38的水泥凈漿放熱量次之，水灰比為0.24的水泥凈漿放熱量最小。這是由于水泥凈漿的入模溫度是3℃，水泥凈漿在恒溫瓶中的初始水化溫度并沒有直接降到－3℃。初始水化溫度較高，促使水泥凈漿發(fā)生較大的初始水化反應(yīng)，而水泥水化反應(yīng)又屬于放熱反應(yīng)，隨著初始水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥漿體的放熱量不斷增加，進(jìn)一步加速了水化反應(yīng)速率。水灰比的不同，在水泥漿體中體現(xiàn)為單位水泥顆粒周圍自由水含量的不同，水灰比越大，自由水含量越多，進(jìn)而在負(fù)溫環(huán)境下，未結(jié)冰的自由水含量越多。這部分水可以直接與水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，因此水灰比越大，早期水化反應(yīng)越快，水化程度越大。但另一方面，隨著水灰比的增大，水泥漿體中自由水的含量增多，由于自由水遷移、泌出所造成的氣孔含量也相應(yīng)地增多。隨著氣孔含量的增多，小的氣孔會合并成大的氣孔［12］，而水分子在不同孔徑的氣孔中所受的壓力不相同，冰點(diǎn)自然也就不同，小孔中的冰點(diǎn)較低，大孔中的冰點(diǎn)較高，當(dāng)水化反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，水灰比較大導(dǎo)致水泥石中的大孔數(shù)量較多，未參加水化反應(yīng)的自由水在負(fù)溫環(huán)境下在大孔中更易結(jié)冰，進(jìn)而抑制了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，因此水灰比較大時(shí)，水泥凈漿后期的水化反應(yīng)變緩，水化程度降低。由此可知，負(fù)溫環(huán)境下，并不是水灰比越大，水化程度就最大，也不是水灰比越小，水化程度就越大，而是存在著該溫度范圍內(nèi)的最優(yōu)水灰比。

3種水灰比水泥凈漿在前12 d內(nèi)水化速率較快，水化程度增長較大，之后隨著齡期的增加水化速率變緩，水化程度增長變慢。負(fù)溫對不同水灰比水泥凈漿早期水化程度影響較大，后期水化程度影響較小。

3 結(jié)論

1)持續(xù)的負(fù)溫(－3℃)環(huán)境對水泥凈漿的水化特性產(chǎn)生了較大的影響，對3種水灰比水泥凈漿在不同齡期下的放熱量有明顯的抑制作用。

2)持續(xù)的負(fù)溫(－3℃)環(huán)境下，前12 d內(nèi)水灰比為0.38的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.31者次之，水灰比為0.24者最小;12 d之后水灰比為0.31的水泥凈漿的放熱量最大，水灰比為0.38者次之，水灰比為0.24者最小。負(fù)溫(－3℃)環(huán)境下，并非水灰比越大，水化程度就最大，也不是水灰比越小，水化程度就越大，而是存在著該溫度范圍內(nèi)的最優(yōu)水灰比。

3)3種水灰比水泥凈漿在前12 d內(nèi)水化程度增長較快，隨著齡期的增加水化程度增長變緩。負(fù)溫(－3℃)對不同水灰比水泥凈漿早期水化程度影響較大，后期水化程度影響較小。

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