兩種低熱與中熱硅酸鹽水泥混凝土熱力學(xué)特性對(duì)比分析

，，，，

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010)

1 研究進(jìn)展

大壩混凝土屬于大體積混凝土，水泥放熱量大、混凝土散熱條件差，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)混凝土因體積變化易產(chǎn)生溫度裂縫。水泥水化產(chǎn)生的水化熱是引起混凝土溫度裂縫的源頭，降低水泥水化熱是減小大體積混凝土溫度裂縫的最根本有效措施?？v觀國(guó)內(nèi)外高拱壩混凝土研究與應(yīng)用實(shí)踐，通常都是采取“中熱硅酸鹽水泥+I級(jí)粉煤灰”的技術(shù)方案，輔以埋設(shè)冷卻水管、預(yù)冷骨料、壩面保溫、加冰拌和混凝土等各種溫控措施，以降低大體積混凝土溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)，如錦屏一級(jí)(305 m)、小灣(294 m)、構(gòu)皮灘(232 m)、溪洛渡(286 m)、拉西瓦(250 m)、二灘(240 m)等[1-5]。白鶴灘屬于300 m級(jí)高拱壩，大壩混凝土性能試驗(yàn)和溫控分析成果表明，采用該技術(shù)方案雖然可以配制出滿足設(shè)計(jì)要求的大壩混凝土，但要達(dá)到大壩混凝土抗裂安全系數(shù)≥1.8的要求，目前推薦的溫控措施在現(xiàn)有技術(shù)水平下已達(dá)到極限，改進(jìn)余地較小。

20世紀(jì)30年代，美國(guó)丹佛的咨詢工程師Burton Lowther意識(shí)到低發(fā)熱水泥的優(yōu)越性并為墾務(wù)局進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究；隨后墾務(wù)局聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)局、加州大學(xué)伯克利分校、波特蘭水泥協(xié)會(huì)以及其他多家水泥廠商對(duì)水泥的生產(chǎn)制備過(guò)程、冷卻速率、化學(xué)成分、水化熱、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間和砂漿的物理力學(xué)性能特性及耐久性等方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)研究，確定了胡佛大壩用低熱水泥的主要礦物組成比例[6]。美國(guó)胡佛大壩(Hoover dam)施工中采用了標(biāo)準(zhǔn)水泥與低熱水泥拌制混凝土的技術(shù)方案，冬季低熱時(shí)段采用40%標(biāo)準(zhǔn)水泥和60%低熱水泥混合使用的技術(shù)方案，其低熱水泥的硅酸二鈣(C2S)含量達(dá)50%、硅酸三鈣(C3S)含量達(dá)23%，7 d和28 d齡期的水泥水化熱分別為230，267 kJ/kg；之后該低熱水泥還先后在美國(guó)的Bartlett(1939年建成)、Grand Coulee(1942年建成)、Shasta(1945年建成)、Detroit(1953年建成)等大壩中得到成功應(yīng)用，以此低熱水泥為基礎(chǔ)制定的ASTM IV型水泥(低水化熱水泥)一直沿用至今。

我國(guó)“九五”、“十五”期間在高貝利特水泥(亦即低熱水泥)生產(chǎn)和研究方面取得突破，解決了貝利特礦物的穩(wěn)定與活化關(guān)鍵技術(shù)[7-8]，在國(guó)內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了以硅酸二鈣為主導(dǎo)礦物的低熱水泥的工業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用，并于2003年正式納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》(GB/T 200—2003)[9]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低熱硅酸鹽水泥中硅酸二鈣(C2S)含量應(yīng)≥40%，7 d水化熱≤250 kJ/kg。

低熱水泥具有早期放熱速率緩慢、水化熱總量低、早期強(qiáng)度低但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而水工大體積混凝土一般設(shè)計(jì)齡期較長(zhǎng)，要求水化熱溫升越低越好，達(dá)到溫峰時(shí)間越長(zhǎng)越好，在這些應(yīng)用上正好能體現(xiàn)低熱水泥的優(yōu)勢(shì)，而且低熱水泥在后期的持續(xù)水化和活性發(fā)揮對(duì)混凝土由于各種原因出現(xiàn)的微裂縫的自愈效果更佳。因此，從大體積混凝土溫控防裂與長(zhǎng)期耐久性角度考慮，低熱水泥非常適用于大體積混凝土。

低熱水泥已先后在三峽工程三期圍堰、深溪溝電站大壩、瀑布溝水電站大壩防滲墻、溪洛渡水電站泄洪洞、向家壩水電站消力池、白鶴灘和烏東德水電站導(dǎo)流洞等部位得到初步應(yīng)用，也取得了較為豐富的研究成果，這些都為積極穩(wěn)妥推進(jìn)將低熱水泥應(yīng)用于高拱壩主體工程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cements

表4 混凝土配合比及拌和物性能Table 4 Mix proportions of concrete and properties of mixture

2 試驗(yàn)原材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)采用的水泥為華新水泥(昆明東川)有限公司生產(chǎn)的42.5中熱硅酸鹽水泥(以下簡(jiǎn)稱“華新中熱”)和四川嘉華企業(yè)(集團(tuán))股份有限公司嘉華水泥廠生產(chǎn)的42.5低熱硅酸鹽水泥(以下簡(jiǎn)稱“嘉華低熱”)。2種水泥的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1，水化熱試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。粉煤灰采用云南宣威電廠I級(jí)粉煤灰(以下簡(jiǎn)稱“宣威Ⅰ級(jí)”)，物理品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。骨料采用白鶴灘水電站巧家旱谷地灰?guī)r骨料，灰?guī)r砂細(xì)度模數(shù)3.05，飽和面干吸水率1.2%，4級(jí)配混凝土特大石、大石、中石、小石比例為30∶30∶20∶20。試驗(yàn)所用外加劑為江蘇蘇博特JM-II緩凝型高效減水劑和浙江ZB-1G引氣劑。

表2 水泥水化熱Table 2 Heat of hydration of cement

表3 粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of quality parameters of fly ash

2.2 試驗(yàn)配合比

采用嘉華低熱水泥、華新中熱水泥、宣威I級(jí)粉煤灰和灰?guī)r人工骨料拌制4級(jí)配混凝土，控制混凝土坍落度在30～50 mm、含氣量在4.5%～5.5%范圍內(nèi)，引氣劑摻量以達(dá)到控制范圍為準(zhǔn)。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表4。拌制的4級(jí)配混凝土拌和物分別經(jīng)過(guò)30 mm和40 mm方孔篩濕篩成型極限拉伸變形和強(qiáng)度、彈性模量、干縮、自生體積變形試件，絕熱溫升試件采用4級(jí)配混凝土拌和物，成型后的帶模試件在(20±5)℃室內(nèi)靜置48 h后拆模、編號(hào)，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度

中熱、低熱水泥混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，以混凝土28 d齡期強(qiáng)度為100%，計(jì)算強(qiáng)度增長(zhǎng)率。試樣編號(hào)：LH-0.5，LH-0.42分別表示水膠比為0.55，0.42的嘉華低熱水泥；MH-0.55,MH-0.42分別表示水膠比為0.55,0.42的華新中熱水泥。

圖1 中熱、低熱水泥混凝土的強(qiáng)度比較Fig.1 Comparison of strength between low-heat and medium-heat cement concrete

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：水膠比和粉煤灰摻量相同時(shí)，28 d齡期以前低熱水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度低于中熱水泥混凝土，90 d齡期時(shí)低熱水泥混凝土的強(qiáng)度略高于中熱水泥混凝土,180 d齡期時(shí)低熱水泥混凝土的強(qiáng)度均高于中熱水泥混凝土。

其他條件相同時(shí)，低熱水泥混凝土28 d齡期前的強(qiáng)度增長(zhǎng)率低于中熱水泥混凝土；90,180 d齡期的強(qiáng)度增長(zhǎng)率高于中熱水泥混凝土。

圖2 中熱、低熱水泥混凝土的彈性模量和極限拉伸值比較Fig.2 Comparison of elastic modulus and ultimate tension between low-heat and medium-heat cement concrete

3.2 彈性模量與極限拉伸變形

低熱與中熱水泥混凝土的彈性模量與極限拉伸值試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。水膠比和粉煤灰摻量相同時(shí)，7,28 d齡期低熱水泥混凝土的彈性模量與極限拉伸值均低于中熱水泥混凝土，28 d齡期兩者基本相當(dāng);90,180 d齡期時(shí)低熱水泥混凝土的極限拉伸值高于中熱水泥混凝土、彈性模量基本相當(dāng)。

3.3 干縮變形

低熱與中熱水泥混凝土的干縮性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，水膠比與齡期相同時(shí)，嘉華低熱水泥混凝土干縮率略低于華新中熱水泥混凝土干縮率。

圖3 中熱、低熱水泥混凝土的干縮率Fig.3 Comparison of drying shrinkage between low-heat and medium-heat cement concrete

3.4 自生體積變形

根據(jù)《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5150—2017)進(jìn)行了混凝土自生體積變形試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，表中數(shù)據(jù)正值表示膨脹，負(fù)值表示收縮。

圖4 中熱、低熱水泥混凝土自生體積變形Fig.4 Comparison of autogenous volumetric deformation between low-heat and medium-heat cement concrete

由試驗(yàn)結(jié)果可知，嘉華低熱、華新中熱水泥混凝土的自生體積變形均表現(xiàn)為膨脹，且膨脹值先增大后減小再增大，至100 d齡期時(shí)，混凝土的變形基本已穩(wěn)定，嘉華低熱水泥與華新中熱水泥混凝土28 d齡期的自生體積變形分別為(-1.4～7.6)×10-6和(-5.5～ 4.3)×10-6，90 d齡期的自生體積變形分別為(4.4～15.5)×10-6和(1.7～12.4)×10-6；其他條件相同時(shí)，嘉華低熱水泥混凝土的膨脹值略大于華新中熱水泥混凝土膨脹值。嘉華低熱水泥與華新中熱水泥均是高鎂水泥，其礦物組成中MgO含量達(dá)到4.2%～4.9%，在水化過(guò)程中MgO與水反應(yīng)固相體積增大，宏觀表現(xiàn)為自生體積變形呈微膨脹，這也是當(dāng)前應(yīng)用高鎂低收縮水泥補(bǔ)償大壩混凝土收縮變形的有效技術(shù)措施之一；值得注意的是，受結(jié)晶程度的影響，高鎂水泥中的MgO只有部分能產(chǎn)生有效膨脹。

3.5 絕熱溫升

低熱與中熱水泥混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，水膠比為0.42～0.55的4級(jí)配混凝土，嘉華低熱水泥混凝土的28 d絕熱溫升值在16.5～23.2 ℃之間，華新中熱水泥混凝土的絕熱溫升值在18.5～26.0 ℃之間；其他條件相同時(shí)，嘉華低熱水泥混凝土的絕熱溫升比華新中熱水泥混凝土低2.0～2.9 ℃。

圖5 中熱、低熱水泥混凝土的28 d絕熱溫升Fig.5 Comparison of 28 d adiabatic thermal risebetween low-heat and medium-heat cement concrete

3.6 熱學(xué)性能參數(shù)

參照規(guī)范DL/T 5150—2017相關(guān)規(guī)定，采用混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀(HR-3型)和數(shù)字式電橋(SQ-5)測(cè)試了混凝土導(dǎo)溫、導(dǎo)熱、線膨脹系數(shù)和比熱等參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，混凝土的線膨脹系數(shù)較小，其他條件相同時(shí)，嘉華低熱水泥混凝土與華新中熱水泥混凝土的導(dǎo)溫、導(dǎo)熱、線膨脹系數(shù)和比熱試驗(yàn)結(jié)果較接近。

3.7 抗裂性比較

基于混凝土抗裂能力指數(shù)[10](如式(1)所示)，對(duì)比分析了低熱與中熱水泥混凝土的抗裂能力。混凝土抗裂能力指數(shù)反映的是混凝土有利變形與不利變形的差值，差值愈大或剩余值越大，表明混凝土抗裂性能越好。

K=εp+RLC+G-αTr-εs。

(1)

式中：K為混凝土的抗裂能力指數(shù)(10-6)；εp為混凝土極限拉伸值(10-6)；RL為混凝土軸拉強(qiáng)度(MPa)；C為混凝土徐變度(10-6MPa-1)；G為混凝土自生體積變形(10-6，膨脹取正值，收縮取負(fù)值)；α為混凝土線膨脹系數(shù)(10-6℃-1)；Tr為混凝土絕熱溫升(℃)；εs為混凝土的干縮率(10-6)。

表5 混凝土熱學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of thermal parameters of concrete

按式(1)計(jì)算中熱、低熱水泥混凝土的抗裂能力指數(shù)，結(jié)果如圖6所示。比較不同水膠比、不同齡期的混凝土抗裂能力指數(shù)可知，嘉華低熱水泥混凝土的抗裂能力指數(shù)均高于華新中熱水泥混凝土的抗裂能力指數(shù)，即采用嘉華低熱水泥的混凝土抗裂能力更好。

圖6 中熱、低熱水泥混凝土抗裂能力指數(shù)比較Fig.6 Comparison of crack resistance indexbetween low-heat and medium-heat cement concrete

4 結(jié) 論

(1)相同水膠比和粉煤灰摻量時(shí)，低熱水泥混凝土的早期抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均低于中熱水泥混凝土，后期強(qiáng)度增幅更大，90 d齡期時(shí)兩者基本相當(dāng)，180 d齡期時(shí)低熱硅酸鹽水泥混凝土強(qiáng)度超過(guò)中熱水泥混凝土。

(2)低熱水泥混凝土與中熱水泥混凝土的極限拉伸值和抗壓彈性模量的發(fā)展規(guī)律與強(qiáng)度類似，低熱水泥混凝土早期極限拉伸值和抗壓彈模略低，90，180 d齡期時(shí)高于中熱水泥混凝土。

(3)2種低熱與中熱水泥混凝土的干縮率較接近，自生體積變形均表現(xiàn)為微膨脹，低熱水泥混凝土的28 d絕熱溫升比中熱水泥混凝土低2.0～3.5 ℃。

(4)基于抗裂能力指數(shù)比較，低熱水泥混凝土的綜合抗裂性能優(yōu)于中熱水泥混凝土。