礦渣硫鋁酸鹽水泥混凝土熱學(xué)與力學(xué)性能研究*

康雪彤 周 健 徐名鳳 李 輝 喻慶華 翟朝陽 林松濤 仲曉林

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.嘉華特種水泥股份有限公司，四川樂山 614003；3.唐山北極熊建材有限公司，河北唐山 063705；4.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

大體積混凝土的內(nèi)外溫差可能導(dǎo)致耐久性風(fēng)險，因此要求對水泥品種、用量、澆筑溫度等嚴(yán)格控制[1-3]。普通水泥中的硅酸三鈣(C3S)和鋁酸三鈣(C3A)生熱速率快、放熱量高，而硅酸二鈣(C2S)生熱速率慢、放熱量低[4-6]，因此常選擇中熱硅酸鹽水泥或低熱硅酸鹽水泥[7]，其C3S和C3A的含量較低，C2S的含量較高，因此水泥放熱速率慢、放熱總量，但早期強(qiáng)度偏低[8-10]。

近年來，科研人員研發(fā)出一種新型低熱水泥——礦渣硫鋁酸鹽水泥(簡稱“S-SAC”)，與普通硅酸鹽水泥(OPC)相比，其具有水化放熱總量低、放熱速率慢、后期強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度高等特點[11-13]。S-SAC水泥的3 d和7 d累計水化放熱量分別為148.3 J/g和193.3 J/g，遠(yuǎn)低于OPC的水化放熱量，也低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 200—2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》要求的3 d不大于230 J/g、7 d不大于260 J/g，同時也低于GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》對不同品種的硅酸鹽水泥的水化熱要求[14-15]。而其3 d齡期時強(qiáng)度為30.5 MPa，與同齡期OPC強(qiáng)度接近，7 d強(qiáng)度是OPC抗壓強(qiáng)度的1.8倍，28 d是OPC抗壓強(qiáng)度的1.3倍。

通過研究S-SAC水泥混凝土熱學(xué)和力學(xué)性能，分析其水化放熱與混凝土絕熱溫升的關(guān)系，為其在大體積混凝土中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

S-SAC 52.5水泥的比表面積為450 m2/kg；P·O 42.5水泥的比表面積為350 m2/kg；采用I級粉煤灰(FA)和S95級粒化高爐礦渣粉(GBFS)；骨料選擇粒徑為5～30 mm的碎石和細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂；拌和采用自來水。S-SAC 52.5、P·O 42.5、GBFS和FA的化學(xué)組成見表1。共設(shè)計12組混凝土試件，配合比見表2。

表1 S-SAC 52.5、P·O 42.5、GBFS和FA的化學(xué)組成

表2 S-SAC 和OPC混凝土配合比

1.2 試驗方法

水化熱分析。采用TAM Air微量熱儀，試驗持續(xù)7 d。絕熱溫升試驗參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行。使用絕熱溫升測定儀對混凝土溫升進(jìn)行測試，試驗前24 h將混凝土拌和用料放入室內(nèi)，保證溫度與室溫一致。試驗控制絕熱室溫度與試樣中心溫度相差不大于±0.1 ℃，每0.5 h記錄1次，試驗歷時5～9 d。

參照DL/T 5150—2001，試件尺寸選擇100 mm×100 mm×100 mm，每個配合比制作3個試件。試件成型后置于(20±2)℃，相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h，拆模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至第3，7，28，90天齡期，測試抗壓強(qiáng)度，考慮到本試驗所用試塊并非邊長為150 mm立方體，依據(jù)DLT 5150—2001將測試強(qiáng)度乘以換算系數(shù)0.95。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥水化放熱規(guī)律

OPC0和S-SAC0水泥7 d水化放熱曲線如圖1所示。可見：S-SAC0和OPC0分別在8.3 h和12.3 h達(dá)到水化熱峰值，分別為0.72 kW/m3和0.92 kW/m3，水化加速期持續(xù)時間為2.3 h和9.4 h，3 d和7 d累計水化放熱量分別為60.4，77.2 MJ/m3和103.2，118.0 MJ/m3。S-SAC0的3 d累計放熱量是OPC0的60%，7 d累計放熱量是OPC0的66.5%。S-SAC0混凝土水化放熱峰值低于OPC0，且持續(xù)時間更短。

圖1 S-SAC0和OPC0水泥水化熱

不同水膠比下的OPC與S-SAC水泥的水化熱曲線見圖2?？梢姡篛PC和S-SAC水泥的水化放熱速率峰值和放熱總量隨著水膠比增大而減小，同配比的S-SAC混凝土放熱量要低于OPC混凝土。水膠比為0.49時，OPC1和S-SAC1水泥的7 d放熱總量分為是91.5，59.8 MJ/m3；水膠比為0.41時，兩者的7 d放熱總量分別是92.7，61.7 MJ/m3；水膠比為0.35時，兩者的7 d放熱總量分別是106.1，65.6 MJ/m3。OPC水泥水化熱峰出現(xiàn)在24～30 h，S-SAC水泥的峰值出現(xiàn)在6～10 h，且放熱速率低于OPC。

圖2 不同水膠比下S-SAC和OPC水泥水化熱

不同礦物摻和料對S-SAC水泥水化熱的影響見圖3。采用50%GBFS替代水泥后的膠凝材料水化放熱總量高于采用50%GBFS和FA替代水泥的膠凝材料放熱總量，采用50%粉煤灰替代水泥后的膠凝材料放熱總量最低。放熱速率結(jié)果顯示單摻GBFS的放熱峰值最高可達(dá)0.52 kW/m3，雙摻FA和GBFS達(dá)到0.22 kW/m3，單摻FA放熱峰值為0.18 kW/m3。說明單摻FA對S-SAC水泥起到較好的降低水化熱效果，推遲第2個放熱峰的出現(xiàn)時間。摻入GBFS的水化熱降低比例低于摻入等量FA，雙摻等比例GBFS和FA的效果介于單摻兩種摻和料之間。

圖3 不同礦物摻合料對S-SAC水泥水化熱影響

不同F(xiàn)A摻量下S-SAC水泥水化熱曲線見圖4。摻入FA對S-SAC水泥水化速率曲線有明顯的削峰作用，也使水化放熱總量減小。FA摻量越高，膠凝材料水化放熱總量越低。FA摻量為0、25%、37.5%和50%的7 d水化放熱總量分別為76.0，70.5，66.1，52.3 MJ/m3，摻入FA后放熱總量的降低比例要低于摻量比例，第2個水化放熱峰的出現(xiàn)時間隨著FA含量的增加有所推遲。

圖4 FA摻量對S-SAC水泥水化熱的影響

2.2 混凝土絕熱溫升

S-SAC和OPC混凝土的絕熱溫升歷程見圖5?？梢姡篠-SAC2混凝土的絕熱溫升曲線發(fā)展較為平緩，第9天絕熱溫升為21 ℃。OPC2混凝土在初期升溫速率較快，第5天絕熱溫升高達(dá)45 ℃，是同配比S-SAC2溫升值的2.14倍。S-SAC0混凝土絕熱溫升僅為30 ℃，摻入25%FA后的絕熱溫升值為25 ℃。即隨著FA摻量的增加，混凝土的最終絕熱溫升值降低，達(dá)到峰值的時間也有所推遲，絕熱溫升的發(fā)展歷程與膠凝材料水化熱規(guī)律一致。

圖5 S-SAC和OPC混凝土絕熱溫升歷程

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度

S-SAC和OPC混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖6?？梢姡篠-SAC0混凝土除了在第3天早齡期時強(qiáng)度略低于OPC0混凝土抗壓強(qiáng)度，其他齡期均高于OPC0，在第28天齡期時強(qiáng)度甚至達(dá)到73.6 MPa，超過OPC0混凝土第28天強(qiáng)度的37.4%。

圖6 S-SAC和OPC混凝土抗壓強(qiáng)度

比較摻入礦物摻和料的不同水膠比的混凝土抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)S-SAC的強(qiáng)度雖然不及OPC，但是強(qiáng)度增長率高。水膠比為0.49的S-SAC1在第28天時強(qiáng)度增長率為118.3%，OPC1同齡期強(qiáng)度增長率僅為49.6%；水膠比為0.41的S-SAC2在第28天時強(qiáng)度增長率90.3%，OPC2同齡期強(qiáng)度增長率僅為50.1%；水膠比為0.35的S-SAC3在第28天時強(qiáng)度增長率87.2%，OPC3同齡期強(qiáng)度增長率僅為31.4%。

不同礦物摻和料對S-SAC混凝土強(qiáng)度的影響見圖7。加入50%GBFS和50%FA的第3天早齡期強(qiáng)度分別為10，6.9 MPa；摻入50%GBFS和50%FA的混凝土在第7天齡期時的強(qiáng)度分別為18.4 MPa和23.6 MPa；摻入GBFS的混凝土在第7天后強(qiáng)度一直低于摻入等量FA的強(qiáng)度。雙摻各25%的GBFS和FA的混凝土抗壓強(qiáng)度在各個齡期均高于單摻摻和料的混凝土強(qiáng)度，在第3天時略高于單摻GBFS的混凝土強(qiáng)度，在第7天和第28天可以達(dá)到和單摻FA相近的后期增長率。上述試驗結(jié)果說明GBFS在提升混凝土的早期強(qiáng)度方面比摻入FA更有效，但FA比GBFS更能刺激強(qiáng)度的后期增長率，雙摻可以綜合GBFS和FA的優(yōu)勢，在保持早期強(qiáng)度的同時提高后期強(qiáng)度增長率。這是因為雙摻時復(fù)合效應(yīng)顯現(xiàn)，水泥水化時GBFS水化產(chǎn)物聚集在FA玻璃體周圍，促進(jìn)FA的水化進(jìn)程，未水化的顆粒能填充水泥顆粒之間的空隙，減少體系孔隙率，提高混凝土硬化體強(qiáng)度[16-17]。雙摻的方式讓混凝土強(qiáng)度綜合了GBFS和FA的優(yōu)勢，對于大體積混凝土提高早期和后期強(qiáng)度有幫助，有利于提高大體積混凝土抗裂性能。

圖7 不同礦物摻和料對S-SAC混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

FA摻量對S-SAC混凝土強(qiáng)度的影響見圖8?？梢姡夯炷恋目箟簭?qiáng)度總體趨勢隨著FA等量取代水泥質(zhì)量的增加而降低；摻入FA后混凝土早期抗壓強(qiáng)度下降較為明顯，但對后期的混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，第7、28天強(qiáng)度增長率隨著摻量增加而增加。原因是隨著FA取代率的增加，F(xiàn)A水化生成的水化硅酸鈣凝膠體減少，故而抗壓強(qiáng)度隨著FA取代率的增加而逐漸減少[18]。

圖8 FA摻量對S-SAC混凝土強(qiáng)度的影響

3 討 論

OPC和S-SAC水泥7 d累計水化放熱量與第7天和第28天混凝土強(qiáng)度的線性擬合式見圖9。S-SAC混凝土表示水化熱-強(qiáng)度關(guān)系的數(shù)據(jù)點分布總體位于OPC數(shù)據(jù)點的左側(cè)，表示S-SAC水泥放熱低于OPC水泥。S-SAC趨勢線的斜率代表強(qiáng)度與第7天水化放熱總量的比值，圖9中S-SAC趨勢線斜率均高于OPC，說明當(dāng)累計水化放熱量發(fā)生相同變化時，S-SAC混凝土強(qiáng)度增長幅度要高于OPC混凝土。S-SAC混凝土第7天強(qiáng)度的趨勢線起點略低于OPC混凝土趨勢線，到第28天時S-SAC混凝土強(qiáng)度趨勢線起點與OPC混凝土的近乎持平。上述結(jié)論說明與OPC混凝土相比，S-SAC混凝土具有低熱高強(qiáng)度增長率的特點。

a—7 d強(qiáng)度；b—28 d強(qiáng)度。S-SAC;OPC。

水泥品種和入模溫度一定的情況下，絕熱溫升與混凝土比熱、密度、水泥用量和膠凝材料放熱量有關(guān)，同一配合比的混凝土膠凝材料水化放熱越多溫升值越高[19]。S-SAC混凝土較同配合比OPC混凝土水化熱低，絕熱溫升也低于OPC混凝土。S-SAC混凝土可以有效降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，利于大體積混凝土減小溫度應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能，同時后期強(qiáng)度增長率高，符合大體積混凝土設(shè)計齡期長的特點，在大體積混凝土工程應(yīng)用中具有廣泛前景。

4 結(jié)束語

1)S-SAC混凝土放熱速率低于OPC混凝土，且達(dá)到峰值的時間比OPC提前、持續(xù)時間短，7 d累計放熱總量低于OPC混凝土。S-SAC抗壓強(qiáng)度在第3天早齡期時強(qiáng)度略低于OPC混凝土外，其他齡期均高于OPC。

2)不同水膠比的S-SAC混凝土均比同配比的OPC混凝土放熱低、放熱速率慢，且水膠比越高，S-SAC混凝土膠凝材料放熱越低。同配比的S-SAC混凝土絕熱溫升低于OPC混凝土，而后期強(qiáng)度增長率高于OPC混凝土。

3)S-SAC混凝土摻入GBFS后放熱總量高于摻入等量FA，放熱速率峰值高于單摻FA。GBFS對S-SAC混凝土的早期強(qiáng)度有利，F(xiàn)A對提高其后期強(qiáng)度增長率有利，兩者雙摻優(yōu)勢互補(bǔ)。

4)FA摻量越高，水化放熱峰值下降幅度越大，水化熱總量越低，S-SAC混凝土的絕熱溫升值越低，升溫速率越緩慢。S-SAC混凝土早期強(qiáng)度的損失隨著FA增加而增加，但對后期的混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，并且隨著齡期的增長，混凝土的抗壓強(qiáng)度增長幅度較高。

5)與OPC混凝土相比，S-SAC混凝土具有低水化熱、高后期強(qiáng)度增長率的優(yōu)勢，更利于提高大體積混凝土的抗裂性能。