较高环境温度对水泥水化放热过程的影响研究

作者：牛丽坤

单位：中铁一局集团有限公司

随着我国交通和建筑业的快速发展, 混凝土结构的大型化及施工速度的加快, 使水泥水化热引起的温度变化和温度应力成为结构物产生裂缝的重要原因, 对结构物耐久性和稳定性产生重要影响。

水泥水化是一个放热反应, 影响水泥水化的因素有很多, 目前国内外许多学者对水泥水化热进行了大量研究^[1,2,3]。本文主要研究了环境温度改变时, 不同配合比水泥砂浆水化热温升与时间的关系, 以确定温峰值的高低和温峰出现时间的长短, 以此研究在不同环境温度下水泥水化热性能, 为解决实际工程问题中因水化热产生温度应力导致贯穿性裂缝提供理论依据, 保证混凝土结构的耐久性。

1 试验材料、仪器及试验方法

1.1 试验材料

1) 水泥

华新P·O42.5。

2) 砂

符合GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》标准要求的ISO标准砂。

3) 高效减水剂

HT-HPC聚羧酸高效减水剂, 减水率23.9%, 总碱含量 (Na₂O+0.658K₂O) 1.46%。

4) 粉煤灰

F类Ⅰ级粉煤灰, 细度0.045mm, 筛余9.6%, 需水量比94.5%, SO₃1.06%, Cl^-含量0.016%, 碱含量0.47%。

5) 缓凝剂

葡萄糖酸钠 (工业品) 。

6) 拌合水

自来水。

1.2 试验仪器

热量计, 保温箱, 0~50℃温度计, 6402型电子继电器;L80水泥胶砂搅拌仪;水化热测定仪为SHR-800水泥直接测温仪。

1.3 试验方法

依据GB/T2022—1980《水泥水化热试验方法 (直接法) 》标准, 使用SHR-800水泥水化热测定仪, 通过所测温度计算不同水泥胶砂的水化温峰T_max (℃) 、温峰出现时间t_max (h) 并且对比环境温度、配合比水化温度与时间关系。试验所用水胶比为0.3, 灰砂比为1∶3。

主要试验步骤:先测定及计算热量计的热密度C值和散热常数K值, 再测定水化温升, 最后绘图计算出水化热。

试验前, 先将称量好的原材料放入恒温室恒温24h, 并将保温箱恒温24h以上。然后将准备好的配合比砂浆原料先干拌1min, 再湿拌3min后, 将砂浆装进铝筒中, 用塑料膜密封完毕放入保温瓶, 盖上木塞并插上温度计。用石蜡密封后放入恒温箱中, 读初始温度。连续读数72h后拆模。

2 试验结果及分析

2.1 不同环境温度对相同配合比水泥胶砂水化特性的影响

试验环境温度分别为20, 33℃。试验分别测取了2种环境温度下3组试验样本的水化温升与时间关系。

第1组试验样本所用配合比为:水泥200g, 标准砂600g, 水60g。试验结果如图1所示, 在环境温度为20℃时, 水化放热曲线在初始的4h存在明显的诱导期, 对应图中AB段, 此段水化反应极其缓慢。BC段为加速期, 此阶段反应重新加快, 反应速率随时间而增长, 在C点, t_max=10h时出现最大温峰值T_max=33.6℃。CD段为减速期, 反应随时间而下降。D点以后为稳定期, 对应于D点后近似为与横坐标轴相平行的直线段, 此阶段反应过程趋于稳定。

图1 空白水泥砂浆的水化温度与时间关系Fig.1 The hydration temperature-time curves of cement mortar

对比环境温度33℃的曲线, 由于环境温度升高, 加速了水化进程, 不存在明显的诱导期, 且A'C'段的斜率明显比BC段斜率大, 在t_max=9h时出现最大温峰值T_max=47.2℃。可见, 随着环境温度的升高, 水化速率加快, 使得水化热最大温峰值提前1h出现, 最大温峰值相差13.6℃, 差距几乎与环境温差相同。

第2组试验样本所用配合比为:水泥142g, 标准砂600g, 粉煤灰58g, 水60g。试验结果如图2所示, 掺加粉煤灰的水泥砂浆水化放热曲线与空白水泥砂浆的水化放热曲线表现出几乎相同的规律, 但由于粉煤灰的加入明显降低了各反应阶段水化放热速率, 延长了诱导期, 加速期、减速期及最大温峰的出现发生了明显推迟, 使得最大温峰出现的时间相差4h, 最大温峰值相差13.5℃, 差距也几乎与环境温差相同。

图2 掺加粉煤灰的水泥砂浆的水化温度与时间关系Fig.2 The hydration temperature-time curves of cement mortar by adding fly ash

第3组试验样本所用配合比为:水泥142g, 工地砂600g, 粉煤灰58g, 水60g, 聚羧酸高效减水剂2g。掺加聚羧酸高效减水剂的水泥粉煤灰砂浆的水化放热曲线如图3所示, 相对于图2, 可以看到, 高效减水剂的加入使得诱导期进一步延长, 最大温峰出现的时间相差7.5h, 最大温峰值相差16.1℃, 高出环境温差。

图3 掺加聚羧酸减水剂和粉煤灰的水泥砂浆的水化温度与时间的关系Fig.3 The hydration temperature-time curves of cement mortar by adding poly carboxylic acid water reducing agent and fly ash

由以上3组试验样本得到的水化放热曲线可以看出, 对于空白水泥砂浆而言, 环境温度的升高对水泥水化放热速度的影响不是很大, 但是在掺加粉煤灰和聚羧酸高效减水剂后, 环境温度的升高对水化放热过程中最大温峰出现的时间影响较大。所以对需要考虑水化热影响的结构物而言, 降低环境温度或混凝土的入模温度对水化放热速率而言都会起到好的降低作用。

2.2 高温环境下配合比对水泥胶砂水化特性的影响

本组试验环境温度为33℃, 入模温度同为 (25±1) ℃, 5种配合比的砂浆如表1所示, 所得试验结果如图4所示。

表1 试验用水泥砂浆配合比Table 1 The mixture ratio of cement mortar for testing

图4 加缓凝剂的胶砂水化温度与时间关系Fig.4 The hydration temperature-time curves of glue sand by retarder

表2 不同配合比对水泥特性的影响Table 2 Effect of different mixture ratios on cement performance

注:t_max表示出现最高温度时间, T_max表示曲线的最高温度, Q (1d) 表示第1天放热量, Q (3d) 表示第3天放热量

由图4及表2可知, 在较高的环境温度下, 掺加一定量的粉煤灰能降低水化热的最大温峰, 添加聚羧酸高效减水剂及掺加少量的缓凝剂会使出现最大温峰值的时间推迟, 但是在缓凝剂达到一定掺量时, 水泥水化的速率降低, 即单位时间内放出的热量减少, 因此温峰会降低并延迟出现。

3 结语

在环境温度较低条件下, 掺加聚羧酸减水剂与粉煤灰的水泥砂浆, 与空白水泥砂浆相比, 其温峰出现时间推迟13~14h, 但若环境温度升高, 由于散热受阻, 其温峰出现时间有所提前, 粉煤灰与聚羧酸高效减水剂降低温峰及水化热、延迟温峰出现时间的作用减弱。所以降低环境温度或者降低混凝土拌合物的温度对水泥的水化过程有很大影响。

在高温环境下, 将适当缓凝剂与聚羧酸高效减水剂复合使用时, 可进一步延迟温峰出现时间, 降低水化热。

参考文献

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