探讨水温对高早强水泥混凝土的影响

摘    要：高早强水泥混凝土在冬季寒冷天气施工时，水温对混凝土的凝结时间、力学强度和体积稳定性等的影响较大。为解决水泥混凝土低温条件下施工难的问题，本文研究了水温对高早强水泥混凝土的工作性、力学性能和干缩性的影响。在5℃～90℃的不同水温下，对新拌和硬化后的混凝土的性能进行测试。试验结果表明：使用高早强水泥时，最佳拌合水50±5℃，且在50±5℃范围内混凝土的泌水和坍落度也达到最佳。

关键词：水温;高早强水泥;混凝土;配合比;性能

1  引言

在水泥混凝土建筑和水泥混凝土路面工程中，寒冷低温天气被认为是是影响水泥混凝土质量的重要因素之一。根据现行《公路水泥混凝土路面施工技术规范》及相关文献，混凝土必须在寒冷天气下放置至少24小时后才能防冻。为适应寒冷低温的天气，在水泥混凝土早期水化期间，要使低温影响降到最小，其方法有多种：增加水泥用量、降低水胶比、使用混凝土添加剂以及加热骨料和水等，其中加热骨料和水的方式较为经济。文献表明提高水温有助于寒冷气候下混凝土的铺筑，但对于水温的控制范围目前尚处于探索阶段。本文主要研究了高早强水泥混凝土较为可靠的拌合用水温度范围，测试不同拌合水温下水泥混凝土早期抗压强度和性能的变化规律。

2  原材料

2.1  水泥

參考寒冷低温天气下浇筑混凝土的指标控制，本试验所用水泥为P·O52.5R高早强水泥。其需水量比为32.2%，28d的抗压强度为54.1MPa，抗折强度为7.3MPa。所用水泥比常规水泥含有更高的硅酸三钙，并且具有较高的比表面积，可加速水泥水化作用，提高早期强度。

2.2  细骨料和粗骨料

（1）本试验细骨料采用天然河砂，要求洁净、无杂质，不含过多有害杂质，其含泥量小于0.5%，细度模数为2.72，属于中砂。（2）粗骨料采用石灰岩碎石，含泥量小于1%。根据最大集料粒径和规范要求，需对粗细集料的级配进行控制，并评估细骨料和粗骨料的物理性质，以确保各方面因素的一致性。（3）为了确保集料各个方面的一致，并控制好每个样本的温度，本文以控制温度（环境和成分）和比例混合材料为变量，为混凝土制备了不同样本。

2.3  水和外加剂

在受控温度下使用普通自来水作为拌合用水，并且为了仅观察拌合水温度影响，排除其他因素的干扰，本试验时不使用混凝土外加剂。

3  水泥混凝土配合比设计和制备

（1）本文水泥混凝土配合比设计根据现行 《普通混凝土配合比设计规程》进行，考虑本试验所用的最大骨料尺寸为20mm，坍落度为80-100mm。为获得良好性能的水泥混凝土，根据现行《公路水泥混凝土路面施工技术细则》确定水灰比、集料数量、和易性以及含气量等因素。（2）水泥混凝土的搅拌和浇筑过程模拟工程实际现场的操作，每个混凝土试件都需单独制作，互相不干扰，同时严格控制组分和环境（实验室）温度，为所有制备的混凝土试件提供完全相同的条件。（3）为了准确评估最终的混合料温度，必须在混凝土装入成型模具后一分钟内记录温度测量值。制备的水泥混凝土试件均在相同条件下进行相同龄期的养护，以避免任何室外因素对所测数据产生的影响。（4）为了模拟工程实际现场条件并提供可比较的试验结果，在试验时按以下步骤进行养护：[①]浇筑混凝土后，将模具内的混凝土试件保持在8±2°C的模拟温度下（现场试验温度），并用塑料薄膜盖保护20～-24小时内不受水分蒸发的影响;[②]混凝土龄期达到7d时，将混凝土试件浸入温度为22±3°C的水中进行养护;[③]在进行抗压强度试验之前，将所有混凝土试件在环境温度下保持1小时。

4  水泥混凝土性能分析

4.1  水泥净浆凝结时间

（1）虽然水泥浆体的凝结时间主要取决于水泥的物理性质，如细度和化学成分（尤其是石膏含量）等因素，但化合物的水灰比在水泥水化过程中也起着至关重要的作用。（2）在本研究中，采用自动维卡仪对水泥的初凝试件和终凝时间进行了评估。经试验水泥的初凝时间与终凝时间，与规范值进行比较，均达到合格标准。值得一提的是，维卡仪测试一般在具有较低水灰比（通常在0.25～0.34范围内，取决于水泥）的水泥浆样品上进行，这不同于常规的混凝土。

4.2  新拌水泥混凝土温度

（1）在冬季低温下浇筑水泥混凝土时，需要考虑水泥混凝土对低温的敏感性，高早强水泥比普通水泥有更高的低温敏感性。因此在寒冷天气下施工的高早强水泥混凝土，根据混凝土的厚度，应具有适用最低温度。但是，在生产或运输过程中，加热的骨料和加热的水或兼备两者而产生的混凝土最高温度预计将超过32°C。（2）新拌混凝土在高于21°C的温度下会出现了性能衰减的现象，这是由于在较高温度下，混凝土的热损失率较高。水泥混凝土温度较高时，并不会完全促进混凝土的硬化，免受寒冷天气的危害，相反，高温对于新拌混凝土会造成不利的影响。（3）经试验观察结果显示，适当提高拌合用水的温度，可有效提高混凝土的和易性和坍落度。当水温不超过40°C是，混凝土坍落度约为80mm～100mm，而将温度升高至60°C以上时，混凝土将会出现明显的泌水现象，坍落度也急剧增大，所制备的混凝土试件也易出现裂缝。

4.3  混凝土力学强度

（1）为了研究拌合水温对混凝土力学性能的影响，需对混凝土进行抗压强度和抗折强度试验，尤其是抗折强度对路面混凝土尤为重要。为此，本文测试了经养护成型后试件的7天抗压强度以及7天抗折强度。正如上文所说，本研究选择7天的力学强度，是因为在大部分混凝土浇筑铺设工程项目中，早期强度被认为是混凝土连续铺筑的关键因素。（2）根据试验结果，拌合水温度45°C～50°C范围内达到最高力学强度。值得一提的是由于本研究中使用的水泥类型存在较高的水化温度，因此可忽略较低的水温范围。（3）根据试验数据分析，最佳水温处于50±5°C的范围内，如果将水温增加到55°C以上，混凝土的7天抗压强度和7天抗折强度均呈现不增反降的现象，这表示过高的水温在寒冷天气下对混凝土的性能增强也不会有很好的效果。

4.4  混凝土干缩性

（1）混凝土在成型硬化时，由于水化、温度变化以及干湿变化等因素会造成体积的缩小，对混凝土的性能产生不利的影响。（2）本文依照现行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，采用混凝土干缩测试应变仪进行测试。（3）最终依据水泥混凝土干缩试验结果可知 ：随着水温的升高，水泥混凝土的干缩值增大，抗干缩性能减弱。当水温从25°C升至55°C时，其干缩值变化程度不大，呈现缓慢上升的趋势;而水温从55°C升至70°C时，干缩值急剧增大。因此从混凝土干缩方面考虑，水温的范围应不超过55°C。

5  结束语

（1）对于高早强水泥，在相同的配合比设计和试验条件下，拌合用水温度越高，混凝土坍落度越高。随着水温升高，坍落度增加，混凝土会出现较高的泌水和离析。（2）当拌合水温度为50±5℃时，混凝土泌水现象最小。在力学性能方面，通过对混凝土抗压强度和抗折强度的测定，确定了用高早强混凝土的最佳水温范围为50±5℃。（3）对于混凝土的抗干缩性能，水温不超过55℃时，混凝土干缩现象处于可控范围内。

参考文献：

[1] 李俊林.不同低温温度区间混凝土冻融循环作用性能试验研究[D].清华大学，2017.

[2] 王调平.铁路桥梁混凝土冬季低温施工技术[J].建材与装饰，2018（7）：283.

[3]黄姣姣.硫铝酸盐水泥混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土性能对比研究[J].商品混凝土，2019（12）：46～47+28;

作者简介：

张增林（1978—）男，湖南怀化，路桥工程师，主要研究方向为公路桥梁与隧道质量监督。