摘 要:用超高強(qiáng)混凝土澆注了尺寸為1 m ×1 m ×1 m的4組大體積構(gòu)件,所用混凝土最低水膠比為0. 16,最高膠凝材料用量達(dá)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(cè)試了混凝土的水化放熱溫升及構(gòu)件內(nèi)外溫差,試驗(yàn)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(shí),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(gòu)件的內(nèi)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(shí),對(duì)混凝土的降溫速度的控制及降低混凝土內(nèi)外溫差是有利的。在有保溫層的條件下,超高強(qiáng)混凝土完全可以用于大體積工程。
關(guān)鍵詞:超高強(qiáng)大體積混凝土;水化溫升;溫差
中圖分類號(hào): TU528. 31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
近20年來,隨著建筑物向超高層、超大跨方向發(fā)展,高強(qiáng)、超高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用越來越廣泛,混凝土工程體積越來越大。
高強(qiáng)高性能混凝土的配比主要特點(diǎn)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(gè)值得注意的重要問題,并且這一問題已成為高強(qiáng)高性能混凝土在工程應(yīng)用中的一個(gè)障礙。馮修吉[ 1 ]認(rèn)為,高性能混凝土水泥用量多,水化熱大,絕熱溫升高,會(huì)使水泥混凝土的長(zhǎng)期性能受影響。在《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》[ 2 ]中明確規(guī)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(duì)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(qiáng)高性能混凝土還有水膠比低的特點(diǎn)?；炷了瘻厣c水膠比有著直接的關(guān)系。水膠比越低,水化程度越小,水化溫升也越小。清華大學(xué)測(cè)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(jié)果表明: 水膠比在0. 236～0. 400之間時(shí),混凝土的最高溫升隨水膠比的降低而降低(試驗(yàn)所用的膠凝材料用量為550 kg/m3 ) 。文獻(xiàn)[ 425 ]的結(jié)論也表明,水膠比越低,混凝土溫升也越低。
另外,對(duì)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(qiáng)高性能混凝土的制備中,都要摻入硅灰、磨細(xì)礦渣或粉煤灰等活性礦物摻合料,由文獻(xiàn)[ 3 - 6 ]可知,硅灰、磨細(xì)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(rèn)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(duì)大體積混凝土危害的技術(shù)之一,是加強(qiáng)混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)。D. S. Guo 等人[ 8 ]的工程應(yīng)用分析結(jié)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(nèi)部的溫升并不會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生致命性的破壞。
筆者所在課題組已經(jīng)研制成功強(qiáng)度≥150 MPa的超高強(qiáng)高性能混凝土,其中膠凝材料用量最高達(dá)到800～900 kg/m3 ,水膠比0. 16[ 9 - 10 ] ,這樣的混凝土是否滿足實(shí)際工程要求,其水化放熱溫升是必須要考慮的重要指標(biāo)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(chǎn)的P. O52. 5水泥;硅灰,挪威埃肯公司提供的半聚集態(tài)硅微粉;磨細(xì)礦渣,重慶鋼鐵公司生產(chǎn)的水淬高爐礦渣,在振動(dòng)磨中磨細(xì)2 h使用;石灰石粉,將重慶歌樂山機(jī)制砂在振動(dòng)磨中磨細(xì)2 h使用。膠凝材料的化學(xué)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(xì)集料,四川簡(jiǎn)陽(yáng)中砂,細(xì)度模數(shù)2. 3。
3)高效減水劑:氨基磺酸鹽系。
1. 2 試驗(yàn)用配合比
試驗(yàn)用混凝土配合比見表2。按試驗(yàn)結(jié)果[ 9 ] ,混凝土28天抗壓強(qiáng)度均超過120MPa。
2 試驗(yàn)用膠凝材料的水化熱分析
為制得放熱適度的超高強(qiáng)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(xì)礦渣外,還摻入了相對(duì)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(cè)定了所用膠凝材料的水化熱。試驗(yàn)委托重慶騰輝地維水泥有限公司完成,測(cè)定方法采用直接法(GB2022) 。試驗(yàn)結(jié)果如圖1。
經(jīng)過進(jìn)一步分析計(jì)算,得到不同膠凝材料組成時(shí)的膠凝材料水化熱見表3中。
從表3及圖1中的結(jié)果來看,摻入礦物摻合料時(shí),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(xì)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(duì)膠凝材料的水化熱降低也十分明顯。當(dāng)再摻入20%的石灰石粉后,整個(gè)膠凝材料的水化熱降低到208 kJ /kg。
石灰石粉對(duì)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(chǔ)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(duì)水泥水化及礦物摻合料的二次水化有促進(jìn)作用。
3 混凝土水化放熱溫升
3. 1 測(cè)試方法
1)構(gòu)件尺寸:試驗(yàn)所用的混凝土構(gòu)件尺寸為長(zhǎng)、寬、高各1 m的立方體試件。根據(jù)JCJ /T55296的定義,大體積混凝土是得結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸≥1 m的混凝土,根據(jù)這一定義,研究所用的試件即是大體積混凝土。
2)測(cè)點(diǎn)布置:共有3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)———中心點(diǎn)、混凝土表面點(diǎn)及模具外表面點(diǎn),測(cè)點(diǎn)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(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)為0. 22 W /m·K,考慮到室內(nèi)風(fēng)速、混凝土表面等因素,根據(jù)文獻(xiàn)[ 9 ]介紹的方法,計(jì)算得到,保溫層相當(dāng)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(cè)試的混凝土相當(dāng)
于4. 6 m的大體積混凝土。
為防止混凝土中的水分進(jìn)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(shí),為驗(yàn)證保溫層對(duì)溫升的影響,另外準(zhǔn)備了一套不加塑料泡沫的模具。
4)測(cè)溫裝置:熱電耦采用Pt100型,溫度顯示器為DMM2DT型數(shù)顯萬(wàn)能表。
5)測(cè)溫?zé)犭婑铑A(yù)埋:混凝土澆注前按測(cè)點(diǎn)布置先預(yù)埋測(cè)溫?zé)犭婑?為保證檢測(cè)精度,熱電耦先進(jìn)行防水密封處理、溫度校驗(yàn),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(cè)溫線也預(yù)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(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)驗(yàn)室混凝土攪拌機(jī)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(shí)時(shí)間不超過5 min,每次混凝土澆注工作限定在1 h內(nèi)結(jié)束。
3. 2 測(cè)試結(jié)果及分析
混凝土澆注完畢后立即開始測(cè)溫,并作為溫度測(cè)試的基準(zhǔn)點(diǎn)。在達(dá)到溫度最高點(diǎn)之前,測(cè)試頻率為2 h /次,開始降溫后,測(cè)試頻率為8 h /次,測(cè)試直到混凝土溫度接近室溫時(shí)結(jié)束。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為20～29 ℃。圖3為結(jié)束測(cè)溫,混凝土拆模后的情形。
溫度測(cè)試結(jié)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(shù)中,對(duì)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(jié)果(見圖4) ,配比WS22的膠凝材料最少( 540kg/m3 ) ,溫升最小,但因?yàn)槠渌z比相對(duì)最大(W /B= 0. 21) ,因此溫升速度卻是最快的。并且因?yàn)樗z比相對(duì)較大,相對(duì)含水量也最多,因此,熱量傳遞速度也相對(duì)較快,這就是為什么配比WS22 的中心點(diǎn)溫度與外表溫度的溫差最小的原因。
根據(jù)文獻(xiàn)[ 9, 12 ]的試驗(yàn)結(jié)果推斷,試驗(yàn)所澆注的混凝土在測(cè)試齡期內(nèi)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)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(shí)的最高溫度為75 ℃,最大溫升為43 ℃。
超高強(qiáng)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(jīng)開始,在36 h就已經(jīng)達(dá)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(jīng)開始,在44 h就已經(jīng)達(dá)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(jīng)開始,在28 h時(shí)就已經(jīng)達(dá)到最高溫度。
2)混凝土內(nèi)外溫差分析
《塊體基礎(chǔ)大體積混凝土施工技術(shù)規(guī)程》(YBJ224291)中[ 11 ]規(guī)定,混凝土內(nèi)外溫差只要不超過25 ℃,混凝土的溫升值就是安全的,不會(huì)因此對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生大的影響,文中分別就表2的幾個(gè)不同配合比的混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)行了測(cè)試分析,試驗(yàn)結(jié)果示于圖5 - 8。
從表4及圖5 - 8中可以得出以下結(jié)論:雖然溫升速度比較快,最大溫升值也達(dá)到52 ℃,但因?yàn)榛炷敛捎昧吮靥幚? 3個(gè)配合比中,混凝土中心點(diǎn)與表面點(diǎn)內(nèi)外溫差最大值為15 ℃,即使是未進(jìn)行保溫處理的混凝土(WS24) ,內(nèi)外溫差最大值也只有23 ℃。
3)有無(wú)保溫層時(shí)溫升與內(nèi)外溫差比較對(duì)保溫層不同的溫升結(jié)果進(jìn)行分析(見圖9) ,很明顯,保溫層對(duì)混凝土溫升值影響較大。根據(jù)測(cè)算, 6. 0 cm厚度的保溫泡沫板相當(dāng)于3. 6 m虛厚度的混凝土尺寸,試驗(yàn)所用的WS23與WS24的配合比相同,因?yàn)閃S23加做了6. 0 cm的保溫層,因此其溫度最高達(dá)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(shí)際施工時(shí),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(nèi)外溫差最高值只有13 ℃,而不加保溫層時(shí)(WS24) ,混凝土內(nèi)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(nèi)外的溫差。這一結(jié)論與大體積混凝土工程中必須加強(qiáng)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(shí),對(duì)混凝土的降溫速度的控制及降低混凝土內(nèi)外溫差是有利的。
4 結(jié) 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(xì)礦渣后,使得整個(gè)膠凝材料的水化熱從261 kJ /kg降低到231 kJ /kg;而石灰石粉對(duì)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(gè)膠凝材料的水化熱降低到只有208 kJ /kg。
2)試驗(yàn)制備的超高強(qiáng)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(nèi)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(shí),對(duì)混凝土的降溫速度的控制及降低混凝土內(nèi)外溫差是有利的。在有保溫層的條件下,超高強(qiáng)混凝土完全可用于大體積混凝土工程。
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