两种低热与中热硅酸盐水泥混凝土热力学特性对比分析

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(1.中国长江三峡集团公司，北京 100038； 2.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010)

1 研究进展

大坝混凝土属于大体积混凝土，水泥放热量大、混凝土散热条件差，当外界环境温度发生变化时混凝土因体积变化易产生温度裂缝。水泥水化产生的水化热是引起混凝土温度裂缝的源头，降低水泥水化热是减小大体积混凝土温度裂缝的最根本有效措施。纵观国内外高拱坝混凝土研究与应用实践，通常都是采取“中热硅酸盐水泥+I级粉煤灰”的技术方案，辅以埋设冷却水管、预冷骨料、坝面保温、加冰拌和混凝土等各种温控措施，以降低大体积混凝土温度开裂风险，如锦屏一级(305 m)、小湾(294 m)、构皮滩(232 m)、溪洛渡(286 m)、拉西瓦(250 m)、二滩(240 m)等[1-5]。白鹤滩属于300 m级高拱坝，大坝混凝土性能试验和温控分析成果表明，采用该技术方案虽然可以配制出满足设计要求的大坝混凝土，但要达到大坝混凝土抗裂安全系数≥1.8的要求，目前推荐的温控措施在现有技术水平下已达到极限，改进余地较小。

20世纪30年代，美国丹佛的咨询工程师Burton Lowther意识到低发热水泥的优越性并为垦务局进行了相关试验研究；随后垦务局联合标准局、加州大学伯克利分校、波特兰水泥协会以及其他多家水泥厂商对水泥的生产制备过程、冷却速率、化学成分、水化热、细度、凝结时间和砂浆的物理力学性能特性及耐久性等方面进行了大量系统研究，确定了胡佛大坝用低热水泥的主要矿物组成比例[6]。美国胡佛大坝(Hoover dam)施工中采用了标准水泥与低热水泥拌制混凝土的技术方案，冬季低热时段采用40%标准水泥和60%低热水泥混合使用的技术方案，其低热水泥的硅酸二钙(C2S)含量达50%、硅酸三钙(C3S)含量达23%，7 d和28 d龄期的水泥水化热分别为230，267 kJ/kg；之后该低热水泥还先后在美国的Bartlett(1939年建成)、Grand Coulee(1942年建成)、Shasta(1945年建成)、Detroit(1953年建成)等大坝中得到成功应用，以此低热水泥为基础制定的ASTM IV型水泥(低水化热水泥)一直沿用至今。

我国“九五”、“十五”期间在高贝利特水泥(亦即低热水泥)生产和研究方面取得突破，解决了贝利特矿物的稳定与活化关键技术[7-8]，在国内外首次实现了以硅酸二钙为主导矿物的低热水泥的工业化生产和规模化应用，并于2003年正式纳入国家标准《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》(GB/T 200—2003)[9]，标准规定低热硅酸盐水泥中硅酸二钙(C2S)含量应≥40%，7 d水化热≤250 kJ/kg。

低热水泥具有早期放热速率缓慢、水化热总量低、早期强度低但后期强度增长明显的技术优势，而水工大体积混凝土一般设计龄期较长，要求水化热温升越低越好，达到温峰时间越长越好，在这些应用上正好能体现低热水泥的优势，而且低热水泥在后期的持续水化和活性发挥对混凝土由于各种原因出现的微裂缝的自愈效果更佳。因此，从大体积混凝土温控防裂与长期耐久性角度考虑，低热水泥非常适用于大体积混凝土。

低热水泥已先后在三峡工程三期围堰、深溪沟电站大坝、瀑布沟水电站大坝防渗墙、溪洛渡水电站泄洪洞、向家坝水电站消力池、白鹤滩和乌东德水电站导流洞等部位得到初步应用，也取得了较为丰富的研究成果，这些都为积极稳妥推进将低热水泥应用于高拱坝主体工程奠定了坚实的基础。

表1 水泥的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of cements

表4 混凝土配合比及拌和物性能Table 4 Mix proportions of concrete and properties of mixture

2 试验原材料与方法

2.1 试验原材料

本次试验采用的水泥为华新水泥(昆明东川)有限公司生产的42.5中热硅酸盐水泥(以下简称“华新中热”)和四川嘉华企业(集团)股份有限公司嘉华水泥厂生产的42.5低热硅酸盐水泥(以下简称“嘉华低热”)。2种水泥的物理力学性能见表1，水化热试验结果见表2。粉煤灰采用云南宣威电厂I级粉煤灰(以下简称“宣威Ⅰ级”)，物理品质检验结果见表3。骨料采用白鹤滩水电站巧家旱谷地灰岩骨料，灰岩砂细度模数3.05，饱和面干吸水率1.2%，4级配混凝土特大石、大石、中石、小石比例为30∶30∶20∶20。试验所用外加剂为江苏苏博特JM-II缓凝型高效减水剂和浙江ZB-1G引气剂。

表2 水泥水化热Table 2 Heat of hydration of cement

表3 粉煤灰品质检验结果Table 3 Test results of quality parameters of fly ash

2.2 试验配合比

采用嘉华低热水泥、华新中热水泥、宣威I级粉煤灰和灰岩人工骨料拌制4级配混凝土，控制混凝土坍落度在30～50 mm、含气量在4.5%～5.5%范围内，引气剂掺量以达到控制范围为准。试验配合比见表4。拌制的4级配混凝土拌和物分别经过30 mm和40 mm方孔筛湿筛成型极限拉伸变形和强度、弹性模量、干缩、自生体积变形试件，绝热温升试件采用4级配混凝土拌和物，成型后的带模试件在(20±5)℃室内静置48 h后拆模、编号，放入标准养护室中养护至规定龄期进行试验。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度和劈拉强度

中热、低热水泥混凝土的强度试验结果见图1，以混凝土28 d龄期强度为100%，计算强度增长率。试样编号：LH-0.5，LH-0.42分别表示水胶比为0.55，0.42的嘉华低热水泥；MH-0.55,MH-0.42分别表示水胶比为0.55,0.42的华新中热水泥。

图1 中热、低热水泥混凝土的强度比较Fig.1 Comparison of strength between low-heat and medium-heat cement concrete

从试验结果可以看出：水胶比和粉煤灰掺量相同时，28 d龄期以前低热水泥混凝土的抗压强度与劈拉强度低于中热水泥混凝土，90 d龄期时低热水泥混凝土的强度略高于中热水泥混凝土,180 d龄期时低热水泥混凝土的强度均高于中热水泥混凝土。

其他条件相同时，低热水泥混凝土28 d龄期前的强度增长率低于中热水泥混凝土；90,180 d龄期的强度增长率高于中热水泥混凝土。

图2 中热、低热水泥混凝土的弹性模量和极限拉伸值比较Fig.2 Comparison of elastic modulus and ultimate tension between low-heat and medium-heat cement concrete

3.2 弹性模量与极限拉伸变形

低热与中热水泥混凝土的弹性模量与极限拉伸值试验结果见图2。水胶比和粉煤灰掺量相同时，7,28 d龄期低热水泥混凝土的弹性模量与极限拉伸值均低于中热水泥混凝土，28 d龄期两者基本相当;90,180 d龄期时低热水泥混凝土的极限拉伸值高于中热水泥混凝土、弹性模量基本相当。

3.3 干缩变形

低热与中热水泥混凝土的干缩性能试验结果见图3。由试验结果可知，水胶比与龄期相同时，嘉华低热水泥混凝土干缩率略低于华新中热水泥混凝土干缩率。

图3 中热、低热水泥混凝土的干缩率Fig.3 Comparison of drying shrinkage between low-heat and medium-heat cement concrete

3.4 自生体积变形

根据《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5150—2017)进行了混凝土自生体积变形试验，试验结果如图4所示，表中数据正值表示膨胀，负值表示收缩。

图4 中热、低热水泥混凝土自生体积变形Fig.4 Comparison of autogenous volumetric deformation between low-heat and medium-heat cement concrete

由试验结果可知，嘉华低热、华新中热水泥混凝土的自生体积变形均表现为膨胀，且膨胀值先增大后减小再增大，至100 d龄期时，混凝土的变形基本已稳定，嘉华低热水泥与华新中热水泥混凝土28 d龄期的自生体积变形分别为(-1.4～7.6)×10-6和(-5.5～ 4.3)×10-6，90 d龄期的自生体积变形分别为(4.4～15.5)×10-6和(1.7～12.4)×10-6；其他条件相同时，嘉华低热水泥混凝土的膨胀值略大于华新中热水泥混凝土膨胀值。嘉华低热水泥与华新中热水泥均是高镁水泥，其矿物组成中MgO含量达到4.2%～4.9%，在水化过程中MgO与水反应固相体积增大，宏观表现为自生体积变形呈微膨胀，这也是当前应用高镁低收缩水泥补偿大坝混凝土收缩变形的有效技术措施之一；值得注意的是，受结晶程度的影响，高镁水泥中的MgO只有部分能产生有效膨胀。

3.5 绝热温升

低热与中热水泥混凝土的绝热温升试验结果如图5所示。由试验结果可知，水胶比为0.42～0.55的4级配混凝土，嘉华低热水泥混凝土的28 d绝热温升值在16.5～23.2 ℃之间，华新中热水泥混凝土的绝热温升值在18.5～26.0 ℃之间；其他条件相同时，嘉华低热水泥混凝土的绝热温升比华新中热水泥混凝土低2.0～2.9 ℃。

图5 中热、低热水泥混凝土的28 d绝热温升Fig.5 Comparison of 28 d adiabatic thermal risebetween low-heat and medium-heat cement concrete

3.6 热学性能参数

参照规范DL/T 5150—2017相关规定，采用混凝土热物理参数测定仪(HR-3型)和数字式电桥(SQ-5)测试了混凝土导温、导热、线膨胀系数和比热等参数，试验结果见表5。由试验结果可知，混凝土的线膨胀系数较小，其他条件相同时，嘉华低热水泥混凝土与华新中热水泥混凝土的导温、导热、线膨胀系数和比热试验结果较接近。

3.7 抗裂性比较

基于混凝土抗裂能力指数[10](如式(1)所示)，对比分析了低热与中热水泥混凝土的抗裂能力。混凝土抗裂能力指数反映的是混凝土有利变形与不利变形的差值，差值愈大或剩余值越大，表明混凝土抗裂性能越好。

K=εp+RLC+G-αTr-εs。

(1)

式中：K为混凝土的抗裂能力指数(10-6)；εp为混凝土极限拉伸值(10-6)；RL为混凝土轴拉强度(MPa)；C为混凝土徐变度(10-6MPa-1)；G为混凝土自生体积变形(10-6，膨胀取正值，收缩取负值)；α为混凝土线膨胀系数(10-6℃-1)；Tr为混凝土绝热温升(℃)；εs为混凝土的干缩率(10-6)。

表5 混凝土热学参数试验结果Table 5 Test results of thermal parameters of concrete

按式(1)计算中热、低热水泥混凝土的抗裂能力指数，结果如图6所示。比较不同水胶比、不同龄期的混凝土抗裂能力指数可知，嘉华低热水泥混凝土的抗裂能力指数均高于华新中热水泥混凝土的抗裂能力指数，即采用嘉华低热水泥的混凝土抗裂能力更好。

图6 中热、低热水泥混凝土抗裂能力指数比较Fig.6 Comparison of crack resistance indexbetween low-heat and medium-heat cement concrete

4 结 论

(1)相同水胶比和粉煤灰掺量时，低热水泥混凝土的早期抗压强度和劈拉强度均低于中热水泥混凝土，后期强度增幅更大，90 d龄期时两者基本相当，180 d龄期时低热硅酸盐水泥混凝土强度超过中热水泥混凝土。

(2)低热水泥混凝土与中热水泥混凝土的极限拉伸值和抗压弹性模量的发展规律与强度类似，低热水泥混凝土早期极限拉伸值和抗压弹模略低，90，180 d龄期时高于中热水泥混凝土。

(3)2种低热与中热水泥混凝土的干缩率较接近，自生体积变形均表现为微膨胀，低热水泥混凝土的28 d绝热温升比中热水泥混凝土低2.0～3.5 ℃。

(4)基于抗裂能力指数比较，低热水泥混凝土的综合抗裂性能优于中热水泥混凝土。