摘 要:用超高強混凝土澆注了尺寸為1 m ×1 m ×1 m的4組大體積構件,所用混凝土最低水膠比為0. 16,最高膠凝材料用量達900 kg/m3 ,礦物摻料最高摻量為50%。分析了所用膠凝材料的水化熱,測試了混凝土的水化放熱溫升及構件內外溫差,試驗表明:礦物摻合料的加入,顯著降低了膠凝材料的水化熱。同時,由于混凝土水膠比極低,膠凝材料水化程度較小,文中制備的大體積混凝土水化放熱溫升最高為52 ℃,混凝土構件的內外溫差最高只有23 ℃。保溫層增加了大體積混凝土溫升的同時,對混凝土的降溫速度的控制及降低混凝土內外溫差是有利的。在有保溫層的條件下,超高強混凝土完全可以用于大體積工程。
關鍵詞:超高強大體積混凝土;水化溫升;溫差
中圖分類號: TU528. 31 文獻標志碼: A
近20年來,隨著建筑物向超高層、超大跨方向發展,高強、超高強高性能混凝土的應用越來越廣泛,混凝土工程體積越來越大。
高強高性能混凝土的配比主要特點之一是高膠凝材料用量。因此,水泥混凝土的水化放熱溫升就是一個值得注意的重要問題,并且這一問題已成為高強高性能混凝土在工程應用中的一個障礙。馮修吉[ 1 ]認為,高性能混凝土水泥用量多,水化熱大,絕熱溫升高,會使水泥混凝土的長期性能受影響。在《高強混凝土結構設計與施工指南》[ 2 ]中明確規定了C70與C80混凝土的水泥用量不宜超過500 kg/m3 ,膠凝材料總量不超過600 kg/m3。對膠凝材料用量加以限制,主要考慮的就是混凝土的溫升。
此外,高強高性能混凝土還有水膠比低的特點。混凝土水化溫升與水膠比有著直接的關系。水膠比越低,水化程度越小,水化溫升也越小。清華大學測定了高性能混凝土的水化熱,研究了不同水膠比條件下的水化放熱溫升問題[ 3 ] ,結果表明: 水膠比在0. 236～0. 400之間時,混凝土的最高溫升隨水膠比的降低而降低(試驗所用的膠凝材料用量為550 kg/m3 ) 。文獻[ 425 ]的結論也表明,水膠比越低,混凝土溫升也越低。
另外,對混凝土水化放熱溫升影響較大的因素還有膠凝材料的組成成分。在高強高性能混凝土的制備中,都要摻入硅灰、磨細礦渣或粉煤灰等活性礦物摻合料,由文獻[ 3 - 6 ]可知,硅灰、磨細礦渣、粉煤灰等摻合料可以大幅度降低水化熱及放熱溫升,而B. W. Langan[ 7 ]認為,高水膠比下硅灰加速了水泥的水化,而低水膠比下則降低了水泥的水化;劉連新的研究表明,硅灰部分取代水泥后,只增加了混凝土早期溫升。
控制溫升對大體積混凝土危害的技術之一,是加強混凝土的保溫保濕養護。D. S. Guo 等人[ 8 ]的工程應用分析結果表明,只要作好混凝土的保溫處理措施,即使混凝土中心溫度很高,混凝土內部的溫升并不會對混凝土產生致命性的破壞。
筆者所在課題組已經研制成功強度≥150 MPa的超高強高性能混凝土,其中膠凝材料用量最高達到800～900 kg/m3 ,水膠比0. 16[ 9 - 10 ] ,這樣的混凝土是否滿足實際工程要求,其水化放熱溫升是必須要考慮的重要指標之一。
1 原材料及配合比
1. 1 原材料
1)膠凝材料:水泥,重慶騰輝地維水泥有限公司生產的P. O52. 5水泥;硅灰,挪威埃肯公司提供的半聚集態硅微粉;磨細礦渣,重慶鋼鐵公司生產的水淬高爐礦渣,在振動磨中磨細2 h使用;石灰石粉,將重慶歌樂山機制砂在振動磨中磨細2 h使用。膠凝材料的化學成分、表觀密度及比表面積見表1。
2)集料:粗集料,重慶小泉石灰石碎石,最大粒徑20 mm;細集料,四川簡陽中砂,細度模數2. 3。
3)高效減水劑:氨基磺酸鹽系。
1. 2 試驗用配合比
試驗用混凝土配合比見表2。按試驗結果[ 9 ] ,混凝土28天抗壓強度均超過120MPa。
2 試驗用膠凝材料的水化熱分析
為制得放熱適度的超高強高性能混凝土,筆者在膠凝材料中降低了水泥用量,摻入了較多的礦物摻合料,除硅灰、磨細礦渣外,還摻入了相對來說是惰性摻合料的石灰石粉。在研究混凝土放熱溫升之前,首先測定了所用膠凝材料的水化熱。試驗委托重慶騰輝地維水泥有限公司完成,測定方法采用直接法(GB2022) 。試驗結果如圖1。
經過進一步分析計算,得到不同膠凝材料組成時的膠凝材料水化熱見表3中。
從表3及圖1中的結果來看,摻入礦物摻合料時,膠凝材料的水化熱(包括水泥水化與礦物摻合料的“二次水化”)顯著降低。
1)硅灰的摻入,膠凝材料的水化熱從純水泥的283 kJ /kg降低到261 kJ /kg。
2)再摻入磨細礦渣20%后,膠凝材料的水化熱從261 kJ /kg降低到231 kJ /kg。
3)石灰石粉對膠凝材料的水化熱降低也十分明顯。當再摻入20%的石灰石粉后,整個膠凝材料的水化熱降低到208 kJ /kg。
石灰石粉對水化熱的降低作用并不是隨摻量有比例的降低。配比H24中的膠凝材料在配比H23的基礎上,用20%的石灰石粉取代了水泥,但是其水化熱比配比H23僅下降了8. 1%。這說明石灰石粉還是有某種活性,至少,它對水泥水化及礦物摻合料的二次水化有促進作用。
3 混凝土水化放熱溫升
3. 1 測試方法
1)構件尺寸:試驗所用的混凝土構件尺寸為長、寬、高各1 m的立方體試件。根據JCJ /T55296的定義,大體積混凝土是得結構斷面最小尺寸≥1 m的混凝土,根據這一定義,研究所用的試件即是大體積混凝土。
2)測點布置:共有3個測溫點———中心點、混凝土表面點及模具外表面點,測點布置見圖2。
3)保溫層處理:有3組混凝土表面采用保溫材料進行保溫,保溫層主要由6. 0 cm厚的保溫泡沫板組成,最外層是1. 8 cm厚的木工板模板。保溫泡沫板導熱系數為0. 22 W /m·K,考慮到室內風速、混凝土表面等因素,根據文獻[ 9 ]介紹的方法,計算得到,保溫層相當于3. 6 m左右的混凝土虛厚度,加上混凝土原來的1. 0 m厚度,文中測試的混凝土相當
于4. 6 m的大體積混凝土。
為防止混凝土中的水分進入保溫層影響保溫效果,保溫層與混凝土之間用塑料薄膜隔離。
同時,為驗證保溫層對溫升的影響,另外準備了一套不加塑料泡沫的模具。
4)測溫裝置:熱電耦采用Pt100型,溫度顯示器為DMM2DT型數顯萬能表。
5)測溫熱電耦預埋:混凝土澆注前按測點布置先預埋測溫熱電耦,為保證檢測精度,熱電耦先進行防水密封處理、溫度校驗,并用鋼筋架綁扎牢固,固定在要求的位置,以免移位或損壞;測溫線也預先與鋼筋架綁扎牢固。
6)混凝土澆注:每次混凝土總澆注量為1 000 L,為保證設備的正常運轉,實驗室混凝土攪拌機每次最大攪拌容量只能為120 L,分9次攪拌、澆注,每次混凝土加料、攪拌、出料、澆注、密實時間不超過5 min,每次混凝土澆注工作限定在1 h內結束。
3. 2 測試結果及分析
混凝土澆注完畢后立即開始測溫,并作為溫度測試的基準點。在達到溫度最高點之前,測試頻率為2 h /次,開始降溫后,測試頻率為8 h /次,測試直到混凝土溫度接近室溫時結束。測試時環境溫度為20～29 ℃。圖3為結束測溫,混凝土拆模后的情形。
溫度測試結果見表4,并示于圖4 - 10。
1)不同配合比混凝土的溫升配合比參數中,對混凝土水化放熱溫升影響顯著的因素主要是膠凝材料用量和水膠比。
比較WS21、WS22及WS23三組混凝土配比的溫升結果(見圖4) ,配比WS22的膠凝材料最少( 540kg/m3 ) ,溫升最小,但因為其水膠比相對最大(W /B= 0. 21) ,因此溫升速度卻是最快的。并且因為水膠比相對較大,相對含水量也最多,因此,熱量傳遞速度也相對較快,這就是為什么配比WS22 的中心點溫度與外表溫度的溫差最小的原因。
根據文獻[ 9, 12 ]的試驗結果推斷,試驗所澆注的混凝土在測試齡期內的水化程度低于33%。由于水膠比極低,以及摻加了較多的礦物摻合料,因而研究所配制的超高強高性能混凝土的溫升并不是很高。即使是膠凝材料用量為900 kg/m3 (配比WS21)的中心最高點溫度也只有80 ℃,最大溫升溫度為52 ℃;而膠凝材料用量720 kg/m3 (配比WS23)時的最高溫度為78 ℃,最大溫升51 ℃;膠凝材料用量為540 kg/m3 (配比WS22)時的最高溫度為75 ℃,最大溫升為43 ℃。
超高強高性能混凝土的溫升速度比較快,膠凝材料用量為900 kg/m3 (配比WS21)快速溫升在20 h就已經開始,在36 h就已經達到最高溫度,膠凝材料用量為720 kg/m3 (配比WS23)快速溫升在20 h就已經開始,在44 h就已經達到最高溫度,而膠凝材料用量為540 kg/m3 (配比WS22)快速溫升在16 h就已經開始,在28 h時就已經達到最高溫度。
2)混凝土內外溫差分析
《塊體基礎大體積混凝土施工技術規程》(YBJ224291)中[ 11 ]規定,混凝土內外溫差只要不超過25 ℃,混凝土的溫升值就是安全的,不會因此對混凝土的耐久性產生大的影響,文中分別就表2的幾個不同配合比的混凝土的內外溫差進行了測試分析,試驗結果示于圖5 - 8。
從表4及圖5 - 8中可以得出以下結論:雖然溫升速度比較快,最大溫升值也達到52 ℃,但因為混凝土采用了保溫處理, 3個配合比中,混凝土中心點與表面點內外溫差最大值為15 ℃,即使是未進行保溫處理的混凝土(WS24) ,內外溫差最大值也只有23 ℃。
3)有無保溫層時溫升與內外溫差比較對保溫層不同的溫升結果進行分析(見圖9) ,很明顯,保溫層對混凝土溫升值影響較大。根據測算, 6. 0 cm厚度的保溫泡沫板相當于3. 6 m虛厚度的混凝土尺寸,試驗所用的WS23與WS24的配合比相同,因為WS23加做了6. 0 cm的保溫層,因此其溫度最高達到78 ℃,最大溫升為51 ℃,而WS24的最高溫度只有67 ℃,最大溫升值只有40 ℃,并且WS23加做保溫層后,溫升速度雖快于WS24,降溫速度則慢于WS24,而大體積混凝土工程實際施工時,往往要求其降溫速度不能過快,保溫層即可起到這樣的作用。
從圖10中可以看出,有保溫層的情況下(WS23) ,混凝土內外溫差最高值只有13 ℃,而不加保溫層時(WS24) ,混凝土內外溫差最大值為23 ℃。
由此可以看出,保溫層加大了混凝土水化放熱溫升,保溫層明顯可以降低混凝土內外的溫差。這一結論與大體積混凝土工程中必須加強混凝土保溫措施的原因是一致的。
因此,保溫層增加了大體積混凝土溫升的同時,對混凝土的降溫速度的控制及降低混凝土內外溫差是有利的。
4 結 論
1)礦物摻合料降低水化熱的作用非常明顯,硅灰的摻入,使膠凝材料的的水化熱從283 kJ /kg降低到261 kJ /kg;摻入磨細礦渣后,使得整個膠凝材料的水化熱從261 kJ /kg降低到231 kJ /kg;而石灰石粉對膠凝材料的水化熱降低最為明顯,再摻入20%的石灰石粉后,整個膠凝材料的水化熱降低到只有208 kJ /kg。
2)試驗制備的超高強高性能混凝土的膠凝材料用量雖然很大,但是,由于水膠比很低,水泥等膠凝材料水化程度小,以及礦物摻合料的加入,因此,大體積混凝土水化放熱溫升并不算很高,最高溫升為52 ℃。所有混凝土內外溫差均未超過25 ℃。
3)保溫層增加了大體積混凝土溫升的同時,對混凝土的降溫速度的控制及降低混凝土內外溫差是有利的。在有保溫層的條件下,超高強混凝土完全可用于大體積混凝土工程。
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