水工大体积混凝土中低热水泥的应用研究

张雪娟

(辽阳市金洋建设工程项目管理有限公司,辽宁 辽阳 111000)

近年来,乌东德和白鹤滩等工程规模巨大的水电站先后开工,这些工程大多选用混凝土双曲拱坝,其受力条件较为复杂且地下洞室混凝土用量大,对混凝土耐久性和抗裂性的要求明显提升。另外,随着水利工程建设规模的扩大和深入,工程建设条件及服役环境更加复杂严酷,对水泥基材料的要求越来越高,科学选用配合比参数和材料对保证结构整体性能非常重要。水工大体积混凝土表层温度低、内部温度高,表层散热快且内部散热慢,这种热的不良导体内外温差较大,较大温差使得表层混凝土极易产生收缩裂缝,对此可以选用低热水泥。低热水泥存在对环境污染少、熟料煅烧温度较低等特点,这是一种节能环保型水泥。低热水泥已被成果用于三峡工程、深溪沟和溪洛渡水电站等工程[1-4]。在向家坝、小湾、三峡等工程大坝中均使用了双掺高效引气剂与减水剂、掺Ⅰ级粉煤灰中热硅酸盐水泥混凝土技术[5-7],虽然低热水泥已被应用于实际工程,但应用于全坝混凝土的还较少,系统研究低热水泥混凝土性能的还鲜有报道。鉴于此,文章应用亚微观和宏观试验,对比分析了低热与普通水泥混凝土的热学、力学及变形性能的差异,以期为低热水泥在全坝特高坝混凝土中的应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 原材料

1)原材料主要有以下4种:水泥:选用沈阳山水工源P·O 42.5级普通水泥和湖南葛洲坝石门P·LH42.5级低热水泥,水泥的主要性能参数如表1所示。试验表明,低热水泥相比于普通水泥的7d、28d龄期抗压强度低23.7%和8.2%,其凝结时间也更长。

表1 水泥的主要性能参数

2)粉煤灰:使用沈阳热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,密度2.30g/cm3,细度8.5%,需水量比95%,烧失量2.6%,28d活性指数86%。对粉煤灰微观结构利用扫描电镜分析,结果发现粉煤灰颗粒级配分布合理,球形度较好,整体品质较好。

3)粗细骨料:选择5～20mm连续级配花岗岩碎石,针片状含量4%,坚固性和有机质含量符合规范要求;细度模数2.5的天然河沙,微粒含量6.2%,表观密度2580kg/m3。

4)外加剂:采用聚羧酸高效减水剂,液态,减水率≥26%,固含量37%,拌和水使用当地自来水。

1.2 试验方法

本试验利用TAM AIR法测试水泥等温量热,结合试验数据揭示掺粉煤灰胶材、低热以及普通水泥的水化放热规律。该方法可以准确测定胶材的水化放热,具有试验误差小、测试精度高等优点,对测试复合胶凝体系水化放热具有较好的适用性与可行性[8]。

根据《水工混凝土配合比设计规程》中的相关要求,以C40全坝混凝土参数为基准,控制拌合物坍落度(200±20)mm,含气量处于2%～3%之间,初步确定试验配合比,如表2所示。采用抗折、抗压强度反映混凝土力学性能,干燥收缩与自收缩反映变形性能,绝热温升反映其热学性能,结合试验数据探究混凝土性能受低热水泥的影响规律。

2 结果与分析

2.1 低热水泥水化热

掺粉煤灰低热水泥、低热和普通水泥的水化热及其水化速率试验数据,如图1所示。从图1(a)可以看出,3d、7d龄期普通水泥的水化热分别为295.4kg/kJ和344.2kg/kJ,低热水泥的水化热分别为196.7kg/kJ和248.7kg/kJ,同期低热相比于普通水泥水化热减少33.4%和27.7%。

(a)水化热 (b)放热速率

由图1(b)可知,低热明显低于普通水泥的早期水化放热速率,低热水泥的最大放热速率(2.12×10-3W/g)只有普通水泥(3.38×10-3W/g)的62.7%。这是由于低热水泥与普通水泥相比其C3S含量低且C2S含量高,而C3S远高于C2S的早期水化速率,所以低热水泥明显小于普通水泥的早期放热速率及水化热,即低热水泥的放热速率慢且放热量少。另外,低热水泥相比于普通水泥的放热速率峰值推迟约7h,表明低热水泥可以有效避免早期放热集中的现象,放热进程比较平缓[9,10]。

为进一步探讨低热水泥水化受粉煤灰掺量的影响,对比分析图1(a)、(b)试验数据发现,掺入粉煤灰会在一定程度上减小低热水泥的早期放热速率和水化热,掺20%粉煤灰时放热速率峰值下降14.6%,7d水化热减少15.7%,掺30%粉煤灰放热峰值下降22.5%,7d水化热减少27.1%。

2.2 力学性能

试验测定低热与普通水泥混凝土的7d、28d、60d、90d抗压强度,如表3所示。

表3 抗压强度测试值

由表3可知,配合比相同条件下,低热水泥组总体小于普通水泥组的早期强度,两组混凝土的60d龄期强度基本相同,龄期为90d时低热水泥组略高于普通水泥组的抗压强度,这是由于低热水泥中的C2S含量较高,该组分早期水化速率较慢,而后期较快;掺入粉煤灰在一定程度上降低了低热水泥组强度,粉煤灰掺量从20%提高到30%低热水泥组的各龄期强度均表现出下降趋势,其28d、60d、90d龄期降幅分别为14.06%、11.95%和9.16%。所以,在实际工程中建议以60d或90d龄期强度作为低热水泥设计指标,为了选择合适的粉煤灰掺量必须考虑强度发展规律等因素。

2.3 变形性能

试验分析普通与低热水泥混凝土的自收缩值变化趋势,如图2所示,从而反映混凝土的抗变形和抗裂性能。

图2 混凝土自收缩值变化趋势图

从图2可以看出,随着龄期的延长普通与低热水泥混凝土收缩均呈现出逐渐上升趋势,但低热水泥与普通水泥组相比其自收缩变形总体较小;掺20%粉煤灰时,28d、60d龄期普通水泥组的自收缩值分别为-144.5με和-156.2με,28d、60d龄期低热水泥组的自收缩值分别为-94.6με和-110.3με,收缩率减少20%～40%;另外,粉煤灰掺量越高则自收缩变形降幅越显著,掺量从20%提高到30%时普通水泥和低热水泥的60d自收缩减少15.2%和22.6%。所以,低热水泥配制的混凝土具有更好的体积稳定性,能够在一定程度上提升结构抗裂性,并且粉煤灰掺量越大其自收缩变形减小。

2.4 绝热温升

根据《水工混凝土试验规程》测定低热和普通水泥混凝土绝热温升,混凝土绝热温升试验数据如图3所示。由图3可知,固定粉煤灰掺量条件下,低热水泥组明显小于普通水泥组的绝热温升和早期温升速率;掺20%粉煤灰时,3d龄期的低热与普通水泥组的绝热温升分别为31.3℃和42.5℃,7d龄期的绝热温升为38.6℃和45.8℃,增大粉煤灰掺量会进一步降低绝热温升。试验表明,低热水泥组与普通水泥组相比其早期温升速率更低,3d和7d温升值相比减少11.2%,配合比相同情况下低热比普通水泥组7d绝热温升值减少7.2℃。所以,低热水泥具有更低温升速率,可以在一定程度上有效增强混凝土抗裂性能[11-12]。

图3 混凝土绝热温升试验数据

3 结 论

文章通过室内试验对比了低热与普通水泥混凝土的水化热、绝热温升、抗压强度和自收缩变形性能,主要结论如下:

1)低热水泥相比于普通水泥具有更低的水化发热速率和水化热,同期相比于普通水泥减少33.4%和27.7%的水化热,其具有水化放热缓慢均匀,放热量低等特点,可以有效避免早期放热集中的现象,一定程度上有效提升混凝土抗裂性能。

2)通过对比发现,虽然低热小于普通水泥组的早期强度,但后期强度发展速度,60d龄期时强度基本相同,90d龄期甚至略高于普通水泥组。混凝土用低热水泥具有更好的体积稳定性,7d绝热温升值减少7.2℃。所以,低热水泥可以有效减少结构温升和放热,有利于降低工程结构出现收缩和温度裂缝的风险。

3)低热水泥混凝土的绝热温升、收缩变形和抗压强度均随着粉煤灰掺量的增大而降低。因此,综合考虑各项性能指标,利用低热水泥配制大体积混凝土能够满足设计指标要求,提升结构整体抗裂性能,鉴于强度发展规律和低热水泥水化特性,实际工程中建议以60d或90d龄期强度作为低热水泥设计指标,为了选择合适的粉煤灰掺量必须考虑强度发展规律等因素。