水泥細(xì)度和溫度對(duì)混凝土性能的影響

黃文君，王誠(chéng)

（1. 江山市安順商品混凝土有限公司，浙江 衢州 324100；2. 江山市耕讀節(jié)能建筑材料有限公司，浙江 衢州 324100）

0 前言

混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺，作為重要的建筑結(jié)構(gòu)材料，混凝土的性能對(duì)工程質(zhì)量尤為重要?；炷磷鳛槎嘟M分材料，通過(guò)將膠凝材料、砂石等骨料用水拌和結(jié)合成牢固的整體，從而具有承擔(dān)荷載和抵抗環(huán)境侵蝕的能力。水泥是使用量最大的膠凝材料，水泥的性質(zhì)對(duì)于混凝土性能的影響較為關(guān)鍵。為了適應(yīng)工地施工進(jìn)度，水泥也被粉磨得越來(lái)越細(xì)，甚至水泥比表面積達(dá)到 400m2/kg 以上，對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)和外加劑適應(yīng)性帶來(lái)不良影響[1]。

水泥溫度也是影響混凝土性能的重要因素[2]，尤其是在夏季儲(chǔ)存罐溫度較高，或者水泥供應(yīng)緊張，從水泥廠生產(chǎn)的水泥來(lái)不及陳放就直接應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，導(dǎo)致水泥溫度較高影響混凝土正常生產(chǎn)，造成混凝土坍落度損失快、入模溫度高、開裂風(fēng)險(xiǎn)增加等問(wèn)題。針對(duì)水泥細(xì)度和溫度帶來(lái)的問(wèn)題，不少學(xué)者開展了針對(duì)性的研 究[3-5]，但研究因素相對(duì)獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，比如水泥同時(shí)面臨細(xì)度較小和入庫(kù)溫度高所帶來(lái)的復(fù)合影響，需要進(jìn)一步研究。

本項(xiàng)目取材于生產(chǎn)用普通硅酸鹽水泥，通過(guò)粉磨獲得不同細(xì)度的水泥，繼續(xù)加熱至一定溫度模擬水泥溫度，研究水泥性質(zhì)變化對(duì)混凝土工作性能和強(qiáng)度兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的影響，以期為混凝土生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

水泥采用市售 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)灰，需水比為 99%，燒失量 3.5%。礦粉采用 S95 級(jí)礦粉，含水率 0.3%。表1 為水泥的性能指標(biāo)。

表1 水泥的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

（2）骨料

細(xì)骨料采用機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù) 3.1，石粉含量 12%，MB 值 1.5%。

粗骨料為由石灰石母巖經(jīng)破碎后加工而成，壓碎指標(biāo) 10%，粒徑分別為 0～5mm 和 5～25mm。

（3）外加劑為緩凝型聚羧酸外加劑，淡黃色液體，推薦摻量為 1.0%～3.0%。

1.2 不同細(xì)度水泥的制備

原裝水泥比表面積 330m2/kg，使用球磨機(jī)分別粉磨 10min、15min 及 22min，獲得的水泥比面表積分別為 330m2/kg、364m2/kg、397m2/kg、430m2/kg。

1.3 不同溫度水泥制備

取比面表積分別為 330m2/kg、397m2/kg 的水泥放置于烘箱（設(shè)定溫度為 25℃、60℃ 和 100℃）進(jìn)行加熱，取出裝桶備用。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水泥細(xì)度對(duì)混凝土性能的影響

水泥細(xì)度的混凝土試驗(yàn)采用 C30 配合比，配合比參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 摻入不同細(xì)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適當(dāng)?shù)哪Y(jié)硬化時(shí)間，以確保施工工作的順利進(jìn)行。當(dāng)今水泥細(xì)度越來(lái)越小，一定程度上滿足了快速施工的需要，但也可能對(duì)混凝土工作性能造成一定影響。通過(guò)對(duì)水泥進(jìn)行粉磨獲得以上比表面積，采用表2 配比，進(jìn)行混凝土工作性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 結(jié)果結(jié)果顯示，水泥細(xì)度變細(xì)，混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度下降，1h 經(jīng)時(shí)坍損也增加。這是因?yàn)樗啾缺砻娣e增大，水泥顆粒的反應(yīng)觸點(diǎn)增多，水泥水化反應(yīng)速率增加[6]，對(duì)聚羧酸外加劑的吸附量也增加[7]，在相同聚羧酸減水劑用量下，保持混凝土分散流動(dòng)的自由水減少，混凝土流動(dòng)性下降。由于水泥反應(yīng)速率加快，外加劑對(duì)混凝土的保坍能力減弱，混凝土保坍能力下降。

表3 不同比表面積水泥對(duì)混凝土工作性能的影響

水泥細(xì)度變小后混凝土含氣量逐步下降，這是因?yàn)樗啾缺砻娣e增加，對(duì)自由水的包裹力增強(qiáng)，裹入空氣的能力下降，造成混凝土含氣量下降。由于水泥比表面積增加使得水泥水化速率加快，混凝土初凝和終凝時(shí)間隨之縮短。

2.1.2 混凝土強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是混凝土的重要指標(biāo)之一，受到原材料性能、配合比及養(yǎng)護(hù)方式的影響，本項(xiàng)目在研究水泥比表面積對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的同時(shí)，也考慮了養(yǎng)護(hù)方式的因素作用。設(shè)定干燥養(yǎng)護(hù)（濕度 RH≤60%，溫度 (20±2)℃）、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度≥95%，溫度 (20± 2)℃）、水中養(yǎng)護(hù)（水溫 (20±2)℃），混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4 和圖 1。

圖1 水泥細(xì)度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表4 不同細(xì)度水泥和養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響 MPa

表4 結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展受水泥細(xì)度的影響，同時(shí)也受所處養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響。相同細(xì)度的水泥，在干燥養(yǎng)護(hù)條件下，由于水分供應(yīng)不足，無(wú)法為水泥水化提供持續(xù)的水分，削弱了水泥繼續(xù)水化的動(dòng)力，使得混凝土各齡期強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)，在外部水分供應(yīng)充足的情況下，同細(xì)度水泥成型的混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)差別不大。

在干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)，水泥比表面積增加，混凝土 7d、28d、60d 抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)先增加后降低，這是因?yàn)樗嗉?xì)度變小，與水分接觸面積增加，水泥水化反應(yīng)的位點(diǎn)增多，水泥早期強(qiáng)度增加，但隨著水泥進(jìn)一步變細(xì)，水分不足使得混凝土內(nèi)部孔隙增多，混凝土流動(dòng)性下降且混凝土密實(shí)度下降，混凝土強(qiáng)度反而下降。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，水泥細(xì)度變小對(duì)混凝土造成的影響相對(duì)較小，且水泥比表面積適當(dāng)增加有利于混凝土強(qiáng)度提升。

2.2 水泥溫度對(duì)混凝土性能的影響

研究了水泥溫度對(duì)混凝土性能的影響，試驗(yàn)采用比表面積分別為 330m2/kg 和 397m2/kg 的水泥，經(jīng)過(guò)烘箱加熱至 25℃、60℃ 和 100℃，外加劑采用混凝土初始擴(kuò)展度為 (580±10)mm 的摻量，以評(píng)估水泥細(xì)度和溫度對(duì)外加劑使用的影響。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表5。

2.2.1 混凝土工作性能

試驗(yàn)采用表5 配合比，測(cè)試的混凝土工作性能結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 不同溫度水泥拌合的混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

表6 水泥溫度對(duì)混凝土工作性能的影響

表6 結(jié)果可以看出，當(dāng)水泥比表面積為 330m2/kg，水泥溫度逐步升高至 100℃，對(duì)外加劑的吸附也越高，外加劑摻量由 2.0% 升高至 2.5%，混凝土初始流動(dòng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，1h 坍損也隨水泥溫度升高而增大。這是因?yàn)樗鄿囟壬?，?duì)外加劑吸附能力加強(qiáng)，因此外加劑摻量增加。并且水泥溫度高，水泥水化速率加快，混凝土中的自由水含量減少，因此混凝土保坍能力減弱，凝結(jié)時(shí)間縮短。

當(dāng)水泥比表面積增大至 397m2/kg，隨著水泥溫度升高，達(dá)到相同初始流動(dòng)性的混凝土外加劑摻量從 2.0% 增加至 3.0%，相比 100℃ 的 330m2/kg 的水泥外加劑用量升高 0.5%，混凝土坍落度損失相比 330m2/kg 的水泥更大，混凝土凝結(jié)時(shí)間進(jìn)一步縮短。說(shuō)明在細(xì)度進(jìn)一步變小時(shí)，水泥溫度會(huì)加速混凝土坍落度損失和凝結(jié)硬化。

2.2.2 混凝土強(qiáng)度

采用表5 所示混凝土配合比攪拌成型，24h 脫模后采用干燥養(yǎng)護(hù)（濕度 RH≤60%，溫度 (20±2)℃）、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（相對(duì)濕度≥95%，溫度 (20±2)℃），測(cè)試混凝土 7d、28d 和 60d 的抗壓強(qiáng)度。

從表7 和圖 2 結(jié)果可知，水泥細(xì)度一定時(shí)，水泥溫度的升高使得混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度增加，且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)比干燥養(yǎng)護(hù)更為明顯，這是因?yàn)樗鄿囟壬?，水泥水化反?yīng)加快，所需的自由水增多，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)作用更為顯著。

表7 水泥溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響 MPa

圖2 水泥溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

同時(shí)可以看出，水泥溫度在 25℃ 和 60℃ 時(shí)，水泥比表面積增加時(shí)，水泥 7d 至 28d 的強(qiáng)度增長(zhǎng)均高于 100℃，且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)優(yōu)于干燥養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié)論

（1）水泥細(xì)度越細(xì)，相同材料用量下對(duì)混凝土初始流動(dòng)性和保坍性能的影響越大，同時(shí)混凝土含氣量下降，混凝土凝結(jié)時(shí)間縮短。

（2）相同細(xì)度的水泥，在干燥養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土各齡期強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度差別不大。受養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響，水分對(duì)于較細(xì)水泥的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較為重要。

（3）水泥細(xì)度相同時(shí)，外加劑摻量隨水泥溫度升高而升高，混凝土坍損也加快，造成混凝土凝結(jié)加快，且水泥細(xì)度變小會(huì)擴(kuò)大溫度對(duì)混凝土工作性能帶來(lái)的影響。

（4）相同細(xì)度的水泥隨著溫度升高，混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度增加，且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)比干燥養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土更為有利，同時(shí)較細(xì)水泥溫度升高后混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)更快，且受環(huán)境濕度影響更大。