作者:黄文君,王诚
混凝土在基础设施建设中不可或缺,作为重要的建筑结构材料,混凝土的性能对工程质量尤为重要。混凝土作为多组分材料,通过将胶凝材料、砂石等骨料用水拌和结合成牢固的整体,从而具有承担荷载和抵抗环境侵蚀的能力。水泥是使用量最大的胶凝材料,水泥的性质对于混凝土性能的影响较为关键。为了适应工地施工进度,水泥也被粉磨得越来越细,甚至水泥比表面积达到 400m2/kg以上,对混凝土强度增长和外加剂适应性带来不良影响[1]。
水泥温度也是影响混凝土性能的重要因素[2],尤其是在夏季储存罐温度较高,或者水泥供应紧张,从水泥厂生产的水泥来不及陈放就直接应用于水泥生产,导致水泥温度较高影响混凝土正常生产,造成混凝土坍落度损失快、入模温度高、开裂风险增加等问题。针对水泥细度和温度带来的问题,不少学者开展了针对性的研究[3-5],但研究因素相对独立,关联性不强,比如水泥同时面临细度较小和入库温度高所带来的复合影响,需要进一步研究。
本项目取材于生产用普通硅酸盐水泥,通过粉磨获得不同细度的水泥,继续加热至一定温度模拟水泥温度,研究水泥性质变化对混凝土工作性能和强度两个关键指标的影响,以期为混凝土生产提供技术支持。
(1)胶凝材料
原装水泥比表面积 330m2/kg,使用球磨机分别粉磨 10min、15min 及 22min,获得的水泥比面表积分别为 330m2/kg、364m2/kg、397m2/kg、430m2/kg。
取比面表积分别为 330m2/kg、397m2/kg 的水泥放置于烘箱(设定温度为 25℃、60℃ 和 100℃)进行加热,取出装桶备用。
水泥细度的混凝土试验采用 C30 配合比,配合比参数见表 2。
混凝土要求良好的和易性、一定的坍落度保持能力和适当的凝结硬化时间,以确保施工工作的顺利进行。当今水泥细度越来越小,一定程度上满足了快速施工的需要,但也可能对混凝土工作性能造成一定影响。通过对水泥进行粉磨获得以上比表面积,采用表 2 配比,进行混凝土工作性能,结果见表 3。
表 3 结果结果显示,水泥细度变细,混凝土初始坍落度和扩展度下降,1h 经时坍损也增加。这是因为水泥比表面积增大,水泥颗粒的反应触点增多,水泥水化反应速率增加[6],对聚羧酸外加剂的吸附量也增加[7],在相同聚羧酸减水剂用量下,保持混凝土分散流动的自由水减少,混凝土流动性下降。由于水泥反应速率加快,外加剂对混凝土的保坍能力减弱,混凝土保坍能力下降。
水泥细度变小后混凝土含气量逐步下降,这是因为水泥比表面积增加,对自由水的包裹力增强,裹入空气的能力下降,造成混凝土含气量下降。由于水泥比表面积增加使得水泥水化速率加快,混凝土初凝和终凝时间随之缩短。
抗压强度是混凝土的重要指标之一,受到原材料性能、配合比及养护方式的影响,本项目在研究水泥比表面积对混凝土强度影响的同时,也考虑了养护方式的因素作用。设定干燥养护(湿度 RH≤60%,温度 (20±2)℃)、标准养护(相对湿度≥95%,温度 (20± 2)℃)、水中养护(水温 (20±2)℃),混凝土强度测试结果见表 4 和图 1。
表 4 结果表明,混凝土强度的发展受水泥细度的影响,同时也受所处养护环境的影响。相同细度的水泥,在干燥养护条件下,由于水分供应不足,无法为水泥水化提供持续的水分,削弱了水泥继续水化的动力,使得混凝土各龄期强度均低于标准养护和水中养护,在外部水分供应充足的情况下,同细度水泥成型的混凝土标准养护和水中养护差别不大。
在干燥养护时,水泥比表面积增加,混凝土 7d、28d、60d 抗压强度均出现先增加后降低,这是因为水泥细度变小,与水分接触面积增加,水泥水化反应的位点增多,水泥早期强度增加,但随着水泥进一步变细,水分不足使得混凝土内部孔隙增多,混凝土流动性下降且混凝土密实度下降,混凝土强度反而下降。对于标准养护和水中养护时,水泥细度变小对混凝土造成的影响相对较小,且水泥比表面积适当增加有利于混凝土强度提升。
研究了水泥温度对混凝土性能的影响,试验采用比表面积分别为 330m2/kg和 397m2/kg 的水泥,经过烘箱加热至 25℃、60℃ 和 100℃,外加剂采用混凝土初始扩展度为 (580±10)mm 的掺量,以评估水泥细度和温度对外加剂使用的影响。试验配合比见表 5。
试验采用表 5 配合比,测试的混凝土工作性能结果见表 6。
表 6 结果可以看出,当水泥比表面积为 330m2/kg,水泥温度逐步升高至 100℃,对外加剂的吸附也越高,外加剂掺量由 2.0% 升高至 2.5%,混凝土初始流动度相当的情况下,1h 坍损也随水泥温度升高而增大。这是因为水泥温度升高,对外加剂吸附能力加强,因此外加剂掺量增加。并且水泥温度高,水泥水化速率加快,混凝土中的自由水含量减少,因此混凝土保坍能力减弱,凝结时间缩短。
当水泥比表面积增大至 397m2/kg,随着水泥温度升高,达到相同初始流动性的混凝土外加剂掺量从 2.0% 增加至 3.0%,相比 100℃ 的 330m2/kg 的水泥外加剂用量升高 0.5%,混凝土坍落度损失相比 330m2/kg的水泥更大,混凝土凝结时间进一步缩短。说明在细度进一步变小时,水泥温度会加速混凝土坍落度损失和凝结硬化。
采用表 5 所示混凝土配合比搅拌成型,24h 脱模后采用干燥养护(湿度 RH≤60%,温度 (20±2)℃)、标准养护(相对湿度≥95%,温度 (20±2)℃),测试混凝土 7d、28d 和 60d 的抗压强度。
从表 7 和图 2 结果可知,水泥细度一定时,水泥温度的升高使得混凝土 7d 抗压强度增加,且标准养护下混凝土强度增长比干燥养护更为明显,这是因为水泥温度升高,水泥水化反应加快,所需的自由水增多,标准养护下对混凝土强度增长作用更为显著。
同时可以看出,水泥温度在 25℃ 和 60℃ 时,水泥比表面积增加时,水泥 7d 至 28d 的强度增长均高于 100℃,且标准养护优于干燥养护。
(1)水泥细度越细,相同材料用量下对混凝土初始流动性和保坍性能的影响越大,同时混凝土含气量下降,混凝土凝结时间缩短。
(2)相同细度的水泥,在干燥养护条件下,混凝土各龄期强度均低于标准养护和水中养护,而标准养护和水中养护的混凝土强度差别不大。受养护环境影响,水分对于较细水泥的混凝土强度增长较为重要。
(3)水泥细度相同时,外加剂掺量随水泥温度升高而升高,混凝土坍损也加快,造成混凝土凝结加快,且水泥细度变小会扩大温度对混凝土工作性能带来的影响。
(4)相同细度的水泥随着温度升高,混凝土 7d 抗压强度增加,且标准养护比干燥养护对混凝土更为有利,同时较细水泥温度升高后混凝土强度增长更快,且受环境湿度影响更大。
联系客服