持续负温环境下水泥水化特性试验研究

段 运，王起才，张戎令，邓 晓，张 宁

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070;2.中交一公局桥隧工程有限公司，河北 保定 074000)

青藏铁路冻土区桥梁工程分为两大类，一类是跨越流水河谷、湖塘的桥梁工程，另一类则是跨越温度极不稳定高含冰量冻土区的“以桥代路”桥梁工程，这些桥梁通常采用钻孔灌注桩基础［1-2］。青藏铁路沿线冻土年平均地温基本维持在－3.5～0℃［3］，而混凝土的入模温度一般控制为2～10℃［4］，所以当混凝土浇筑后，多年冻土会持续吸收灌注桩混凝土自身的热量。桩径相对较小的灌注桩在冻土作用下，其桩身混凝土会长期处于持续负温环境下进行水化反应。负温环境会明显减缓灌注桩混凝土的水化速率［5］，进而减少水化放热量，降低水化程度，从而影响混凝土灌注桩强度的增长。目前，对持续负温环境下水泥水化放热量的定量分析、水化程度变化规律及桩身混凝土抗压强度增长规律等尚缺乏深入研究，因此无法预测冻土层中混凝土结构物的微观结构缺陷以及桩身强度不足等安全质量问题，而这些问题有可能导致沉降、晃车等病害。因此进行持续负温(－3℃)环境下水泥水化放热特性试验研究，并进行多年冻土区桥梁钻孔灌注桩水泥水化放热量的定量分析显得尤为重要。

本试验通过对持续负温环境下水泥净浆水化放热量的测定和定量计算，分析试验数据以及影响因素，得到水泥水化程度及其增长规律，可为多年冻土区混凝土钻孔灌注桩强度发展规律提供一定的理论支撑。

1 持续负温环境下水泥水化放热特性试验

1.1 试验方法

持续负温环境下水泥净浆水化热试验采用规范《水泥水化热测定方法》(GB/T 12959—2008)［6］中的直接法。目前我国使用的水泥水化热的测定方法有直接法与溶解热法。溶解热法是依据热化学中的盖斯定律，即化学反应的热效应只与体系的初态和终态有关而与反应的途径无关提出的。它是在热量计周围温度一定的条件下，用未水化的水泥与水化一定龄期的水泥分别在一定浓度的标准酸溶液中溶解，测得溶解热之差，作为该水泥在该龄期内所放出的水化热。溶解热法由于水化热测定步骤比较繁琐，试验条件要求高，因此试验结果通常误差较大。本试验采用操作简单、误差较小、精度较高的直接法。其原理是:将恒温瓶放置在持续的负温环境下，用测温元件测定恒温瓶内氯化钠溶液、水泥浆体以及恒温瓶内外空气的温度随龄期的变化值，再通过公式计算不同龄期下恒温瓶内氯化钠溶液吸收的热量和恒温瓶内外交换的热量，可得出不同龄期下的水泥水化放热量。

1.2 试验仪器和原材料

1.2.1 试验仪器

试验仪器包括环境模拟箱、恒温瓶、温度自动巡检仪、温度传感器等。环境模拟箱如图1所示，水化热试验装置示意如图2。

环境模拟箱有效尺寸6.0 m×3.5 m×2.2 m。温度范围为－20～80℃，升/降温最大速率≥1℃/min，温度变化可通过编程实现温度加载，温度波动度≤±0.5℃，温度均匀度≤2℃;湿度范围为 10% ～90%，湿度偏差≤±5%。

图1 环境模拟箱

1.2.2 试验原材料

图2 水化热试验装置示意

水泥采用甘肃永登祁连山水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。试验原材料各项实测性能指标如表1所示。

表1 原材料实测性能指标

1.3 试验方案与步骤

1.3.1 试验方案

试验将水泥净浆分为A，B，C 3组，水灰比分别为0.24，0.31，0.38，各组水泥用量均为500 g。水泥净浆的入模温度控制在3℃。恒温瓶内氯化钠溶液初始温度低于－3℃，以使水泥净浆入模后的周围环境温度尽快降到－3℃。

1.3.2 试验步骤

试验前，根据GB/T 12959－2008测定每组恒温瓶的散热常数K，并计算出每个恒温瓶的总热容量CP。水泥净浆搅拌均匀后，灌入恒温瓶中，然后用温度自动巡检仪测定A，B，C 3组恒温瓶内氯化钠溶液、水泥浆体以及恒温瓶内外空气的温度随龄期的变化值，算出不同龄期下恒温瓶内氯化钠溶液吸收的热量和恒温瓶内外交换的热量，再通过式(1)计算得出不同龄期下的水泥水化热量

式中:Qτ为τ龄期内水泥水化放出的总热量，J;Cp为浇注完成后的恒温瓶总热容量，J/℃;Tτ为τ时刻的水泥水化温度，℃;T0为水泥水化的初始温度，℃;K为恒温瓶的散热常数，J/(h·℃);Σ S0～τ为0～τ时间内恒温瓶内外温度曲线之间的面积，h·℃。

2 结果与分析

2.1 持续负温环境下水泥水化放热量计算

试验所采用的普通硅酸盐水泥完全水化时的单位放热量介于425～460 J/g之间［7］，本试验取水泥完全水化单位放热量为454 J/g。由公式(1)计算出3种水灰比水泥净浆在不同龄期下的水化放热量。水泥的水化程度γτ为

式中:Qτ为τ龄期内水泥水化放出的总热量;Qmax为水泥完全水化放热量;γτ为一定时间内发生的水化作用放热量和完全水化放热量的比值。

表2和图3分别为负温下A，B，C 3组水泥净浆在各龄期的水化放热量及水化放热量随龄期的变化曲线。

表2 负温下不同水灰比水泥水化放热量

2.2 持续负温环境下水泥水化放热分析

通过表2和图3可以看出，在试验龄期内，入模温度控制在3℃时，3种水灰比水泥净浆在持续负温下的水化放热量随着龄期的增加而持续增大，不同水灰比水泥净浆在同一龄期下的水化放热量不同，水化放热量随龄期增长的变化程度呈现出个体差异。

图3 负温下不同水灰比水化放热量随龄期的变化曲线

持续的负温环境对水泥净浆的水化特性产生了很大的影响，负温环境下3种水灰比水泥净浆在不同龄期下的放热量都比常温环境下水化放热量［8］有很大程度的减少。通常我们认为，在标准大气压下，水的冰点为0℃，但是当外界气压发生变化时，水的冰点会发生改变，且当水中溶有空气时，其冰点也要下降［9］。硬化后的水泥浆体是非均质、多相体系，水存在于水泥石的孔道结构中，并与水泥发生水化反应。水泥石中含有多种不同的盐类，盐类的加入也会使水的冰点降低［10］，且由于冰晶引起基模势或渗透势的变化，未冻水会向冻区运动［11］，因此，在－3℃时，水泥浆体中的自由水并未全部结冰，依旧存在一部分液相水在继续与水泥发生反应，但部分结冰的自由水无法直接与水泥发生水化反应。这与常温情况相比，参与水化反应的水量大大降低，反应物总量相对变少，水化反应变得缓慢，水化程度也就较低。

从表2和图3还可看出，不同水灰比对负温环境下的水化放热量的影响也不同，前12 d内水灰比为0.38的水泥净浆的放热量最大，水灰比为0.31的水泥净浆放热量次之，水灰比为0.24的水泥净浆放热量最小;12 d之后水灰比为0.31的水泥净浆的放热量最大，水灰比为0.38的水泥净浆放热量次之，水灰比为0.24的水泥净浆放热量最小。这是由于水泥净浆的入模温度是3℃，水泥净浆在恒温瓶中的初始水化温度并没有直接降到－3℃。初始水化温度较高，促使水泥净浆发生较大的初始水化反应，而水泥水化反应又属于放热反应，随着初始水化反应的进行，水泥浆体的放热量不断增加，进一步加速了水化反应速率。水灰比的不同，在水泥浆体中体现为单位水泥颗粒周围自由水含量的不同，水灰比越大，自由水含量越多，进而在负温环境下，未结冰的自由水含量越多。这部分水可以直接与水泥颗粒发生水化反应，因此水灰比越大，早期水化反应越快，水化程度越大。但另一方面，随着水灰比的增大，水泥浆体中自由水的含量增多，由于自由水迁移、泌出所造成的气孔含量也相应地增多。随着气孔含量的增多，小的气孔会合并成大的气孔［12］，而水分子在不同孔径的气孔中所受的压力不相同，冰点自然也就不同，小孔中的冰点较低，大孔中的冰点较高，当水化反应进行到一定程度时，水灰比较大导致水泥石中的大孔数量较多，未参加水化反应的自由水在负温环境下在大孔中更易结冰，进而抑制了水泥水化反应的进行，因此水灰比较大时，水泥净浆后期的水化反应变缓，水化程度降低。由此可知，负温环境下，并不是水灰比越大，水化程度就最大，也不是水灰比越小，水化程度就越大，而是存在着该温度范围内的最优水灰比。

3种水灰比水泥净浆在前12 d内水化速率较快，水化程度增长较大，之后随着龄期的增加水化速率变缓，水化程度增长变慢。负温对不同水灰比水泥净浆早期水化程度影响较大，后期水化程度影响较小。

3 结论

1)持续的负温(－3℃)环境对水泥净浆的水化特性产生了较大的影响，对3种水灰比水泥净浆在不同龄期下的放热量有明显的抑制作用。

2)持续的负温(－3℃)环境下，前12 d内水灰比为0.38的水泥净浆的放热量最大，水灰比为0.31者次之，水灰比为0.24者最小;12 d之后水灰比为0.31的水泥净浆的放热量最大，水灰比为0.38者次之，水灰比为0.24者最小。负温(－3℃)环境下，并非水灰比越大，水化程度就最大，也不是水灰比越小，水化程度就越大，而是存在着该温度范围内的最优水灰比。

3)3种水灰比水泥净浆在前12 d内水化程度增长较快，随着龄期的增加水化程度增长变缓。负温(－3℃)对不同水灰比水泥净浆早期水化程度影响较大，后期水化程度影响较小。

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