基于大体积混凝土中水泥缓凝剂的优化选择研究

卢春丽,刚 丹,李 颖,张坛柳,蒋 玲

(安徽职业技术学院,安徽 合肥230011)

我国《大体积混凝土施工标准》(GB 50496—2018)规定,大体积混凝土是混凝土结构物实体最小尺寸不小于1 m的大体量混凝土,或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土[1]。现代建筑中用到大体积混凝土施工比较常见,如高层楼房、水利大坝等。近年来,夏季高温地表温度达70 ℃左右,大体积混凝土水化温度的最高值在60～70 ℃之间,降低大体积混凝土内部热量,保证水泥的正常水化、硬化是工程质量安全保障的必要条件。冬季,大体积混凝土内外温差也将影响整个工程质量[2]。

大体积混凝土主要的特点是体积大,表面系数比较小。水泥水化热释放比较集中,内部升温比较快,短时间内混凝土内部的热量很难散去,内部产生压应力。混凝土表面温度较低,产生拉应力, 当拉应力超过混凝土的早期抗拉强度时, 混凝土就会被拉裂,引起体积变形会使混凝土产生温度裂缝。虽然目前多数采用的降温方式是在大体积内部布置大量冷凝管,达到散热的目的,但是水管冷却也存在自身的弊端。开始通水时形成冷击,在水管附近引起较大的拉应力;后期冷却过程中混凝土温度急剧下降,徐变来不及充分发展,在内部也产生较大的拉应力。同时,混凝土内部过多的管道也会影响整个工程的强度,从而影响结构安全和工程质量。混凝土水化的本质是水泥的水化,即水泥与水发生物理化学反应产生黏结力和强度的过程。降低及延缓水化热,减少或推迟水泥水化热的温度峰值,可以保证施工的质量[3]。

有资料显示,正常情况下,在炎热的夏季施工中,混凝土入模温度和环境温度较高时,大体积混凝土内部的最高温升在浇筑1 d后就会出现,即混凝土的水化热峰值将会在1 d后出现。在深秋和冬季,混凝土入模温度和环境温度较低时, 混凝土的水化热浇筑3 d后出现内部温度达到峰值[4]。

水泥是普通混凝土重要的胶凝材料,它水化时产生的热量及释放的速度,决定了大体积混凝土的内部升温速度及最高温度,所以研究大体积混凝土的温度主要是研究水泥的水化速度及水化热。水泥水化主要决定于C3S、C2S、C3A、C4AF的水化,它们的水化速度顺序为:C3A>C3S>C4AF>C2S。由于C3A水化反应迅速,通常加水几分钟后开始快速反应,石膏含量较少时,几小时就基本水化完全,且放热量最大;C3S水化反应也较快,仅次于C3A,放热量也大;C2S、C4AF水化较慢,几个月甚至几年才能完成 。因此,可以通过缓凝剂延长水泥的水化时间,减慢热量释放的速度。混凝土中水泥水化所释放出的热量通过混凝土结构散失时间的延长, 热量散失时间充足, 混凝土内部温度不会过于集中,水泥水化热峰值较低,这样大体积混凝土水化热升温峰值也可以推迟到浇筑后的第3天出现,并且峰值也会比普通混凝土的水化峰值低,以避免出现混凝土内外温差过大引起的应力作用而变形的温度裂缝,既保证了施工,又保证了质量,这样也最大可能地减少大体积混凝土内置冷凝管道和生产拌制时另外过多加入缓凝剂。外加的缓凝剂多数会与混凝土的其他外加剂不相容,导致混凝土出现新的质量问题或施工问题[5-6]。

水泥水化速度慢会导致混凝土的早期强度稍有降低, 但不会影响混凝土的后期强度, 甚至可增加后期强度。除了胶凝材料中的缓凝剂可以降低混凝土温度裂缝外,还可以采用低水化热的水泥,如采用粉煤灰替代部分水泥用量, 从而降低水泥水化热。

目前水泥生产中常使用的几种缓凝剂有磷石膏、脱硫石膏、天然二水石膏和钛石膏。由于各石膏的成分不同,所产生的缓凝效果也不同。通过实验研究以上四大常用的缓凝剂对水泥水化速度、水化热及强度的影响,从而选择出更有利于大体积混凝土施工和使用的水泥缓凝剂。

磷石膏是工业湿法生产磷酸排放的固体废弃物;脱硫石膏是燃煤电厂净化烟气后所得的工业副产品;天然二水石膏来自大自然;钛石膏是采用硫酸法生产钛白粉时,为治理酸性废水而产生的以CaSO4·2H2O为主要成分的废渣,由于它含水量较大,经过干燥后在水泥制备过程中可以使用,它不仅可以调整凝结时间,还可以提高水泥的强度、改善抗冻耐蚀和抗渗性[7-8]。本文以这四种石膏进行对比实验,研究大体积混凝土更适合哪种缓凝剂的水泥作为胶凝材料,它们都不同程度地含各种杂质,天然二水石膏更纯一些,不需要其他处理便可使用,其他三种都要做相应处理方可使用。

1 实验部分

1.1 主要实验材料

(1)磷石膏。磷石膏中杂质的存在影响着水泥与某些类型减水剂的相容性,所以磷石膏在使用前要进行改性处理。处理后的磷石膏在使用时一般要与天然石膏共同搭配使用。混合使用即可减少熟料的掺入量,也可提高水泥的后期强度,并降低生产成本。

(2)脱硫石膏。未改性的脱硫石膏直接使用会导致水泥各龄期的强度不同程度的下降,对生产高强度的水泥非常不利,但是与助磨剂的搭配使用正好弥补它带来的强度下降。

(3)钛石膏是采用硫酸法生产钛白粉时,为治理酸性废水,加入石灰(或电石渣)以中和大量的酸性废水而产生的以二水石膏为主要成分的工业废渣,由于其水分、酸性杂质较大,使用前要进行活化处理或热处理。未经处理的钛石膏与混凝土的相容性差,且凝结时间短。

(4)天然二水石膏又称为生石膏,为灰色块状,品位高,杂质少。

(5)熟料为皖北水泥厂生产的硅酸盐熟料,其中烧失量Loss为0.19%,K2O的质量分数为0.59%。

各实验材料中氧化物的质量分数见表1。

表1 各实验材料中氧化物的质量分数

1.2 实验方法

对水泥性能的检测均按照《水泥细度检验方法 筛析法》(GB/T 1345—2005)、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》(GB/T 1346—2001)、《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999)、《水泥化学分析方法》(GB/T 176—2008)、《水泥组分的定量测定》(GB/T 12960—2007)进行。

(1)进行同一配比下磷石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能的对比效果实验。

(2)进行同一配比下脱硫石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能的对比效果实验。

(3)进行同一配比下钛石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能的对比效果实验。

2 结果与分析

由于混凝土是不良传热体,对于大体积混凝土来说 ,混凝土内部水泥的水化热积蓄易使混凝土温度升高快 ,造成内外温差较大 ,容易产生温度裂缝。缓凝剂能延缓 C3A和C3S的水化,降低水泥水化时的放热速度和热量,对 C2S的影响较小 ,同时也不影响混凝土的长期强度 ,并可以推迟混凝土的凝结时间 ,使混凝土内外温差降低 ,有效降低温度应力过大而引起的混凝土开裂的几率 。

磷石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能的对比效果见表2。由表2发现:(1)同配比的PO52.5水泥使用磷石膏(与天然二水石膏混合使用),初凝结时间比单独使用天然二水石膏长150 min左右;终凝时间比单独使用天然二水石膏长180 min左右;(2)同配比的PO52.5水泥使用磷石膏(与天然二水石膏混合使用),抗压强度比单独使用天然二水石膏的强度略低;28 d的强度比单独使用天然二水石膏均高2 MPa左右。

表2 磷石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能对比效果

实验数据表明,磷石膏与天然二水石膏混合使用可以满足延长凝结时间、控制水化速度,同时在强度上比单独使用天然石膏更有优势,在实际生产中也可以继续适当添加活性混合材料以保证水泥的各种性能指标合格,这样不仅进一步延长水泥的凝结时间和降低水泥的水化热,还延缓大体积混凝土的水化热高发期的到来,以达到降温的目的,减少温度裂缝的可能。

脱硫石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能对比效果见表3。由表3发现:(1)同一品种PO42.5水泥在掺入一定量的助磨剂时,脱硫石膏作为缓凝剂与天然石膏作为缓凝剂的水泥初凝时间比单独使用天然二水石膏长70 min左右;终凝时间比单独使用天然二水石膏长60 min左右;(2)改性后的脱硫石膏作为缓凝剂,在水泥生产中使用强度与天然二水石膏作为缓凝剂相比水泥的强度基本一致。

表3 脱硫石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能对比效果

用脱硫石膏生产的水泥作为混凝土的胶凝材料,混凝土的水化速度及产生的水化热比天然二水石膏作为缓凝剂有优势,对降低大体积混凝土的温度有一定的效果。

钛石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能对比效果见表4。由表4发现:(1)同一配比下经活化处理的钛石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥,缓凝效果基本一致;(2)处理后的钛石膏作为缓凝剂,对水泥的强度增长比天然二水石膏要略高2 MPa。

表4 钛石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥物理性能对比效果

用钛石膏制成的水泥作为混凝土的胶凝材料,混凝土的水化速度及产生的水化热比天然二水石膏作为缓凝剂效果优势不明显,对降低大体积混凝土的温度没有显著特点。

结合表2和表3数据及表4数据发现:(1)同一条件下使用磷石膏(与天然二水石膏混合使用),缓凝效果比单独使用天然二水石膏好,用磷石膏制成的水泥作为混凝土的胶凝材料,延缓混凝土的水化速度及产生的水化热比天然二水石膏作为缓凝剂效果佳,不仅能提高混凝土的强度,还能降低大体积混凝土的温度;(2)同一条件下水泥在掺入一定量的助磨剂时,脱硫石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的缓凝效果比单独使用天然二水石膏好。用脱硫石膏制成的水泥作为混凝土的胶凝材料,混凝土的水化速度及产生的水化热比天然二水石膏作为缓凝剂效果相对明显,对降低大体积混凝土的温度有一定的效果;(3)同一条件下经活化处理的钛石膏作为缓凝剂与天然二水石膏作为缓凝剂的水泥相比,降低混凝土的水化热效果相当,对大体积混凝土的温度裂缝没有明显的优势;(4)综合以上情况,使用改性后的磷石膏作为水泥中的缓凝剂比同一条件下其他三种石膏作为缓凝剂,对缓凝水泥的水化速度及提升强度效果好。

3 结论

对于大体积混凝土中作为胶凝材料的水泥中缓凝剂的最佳选择是磷石膏与天然二水石膏混合使用,这样延长了水泥的水化时间,降低了水化热,延缓了水化热的峰值时间,提高了水泥的胶结能力,增强了混凝土的强度,降低了温度裂缝的可能性,也减少了因内部大量布置冷凝管降温带来的结构缺陷。