粉煤灰高性能混凝土胶凝材料体系水化热研究_贾佳.pdf

试验研究Experimental Research23总163期 2023.01 混凝土世界引言大体积混凝土的温控防裂问题是学术界和工程界广泛关注的重要课题之一1。控制大体积混凝土温度裂缝的主要方法有施工温控措施及降低胶凝材料水化热。目前，在工程的应用过程中已逐步摸索出了较为成熟的施工温控方案并形成了相应的规范标准。但在合理选择低水化热的水泥胶凝材料方面的研究和应用则相对较少，往往只是简单的在设计中要求使用中、低热水泥来配制混凝土，但中、低热水泥和掺加大掺量矿物掺合料的普通水泥胶凝材料均可以有效的降低水化热，并且各自在不同的方面具有不同的优势。因此在施工温控措施有保障的前提下，合理选择低水化热的水泥胶凝材料成为大体积混凝土温控防裂的关键2-3。中、低热水泥和掺加大掺量矿物掺合料的普通水泥胶凝材料是大体积混凝土工程最为常用的方案4-6。低热水泥以C2S为主导矿物设计，强度和水化热发展规律不同于普通水泥基材料，且二者的早期水化行为有所差异。随着我国房建、桥梁以及水利等行业的发展，大体积混凝土的应用日益广泛，系统研究2种水泥基胶凝材料的热学性能成为当前需要解决的重要问题7。目前，国内外学者对单一水泥胶凝材料体系（包括特种水泥、普通水泥）的水化热进行了大量研究，形成了一些较为成熟的理论和方法，特别是水化热法，因其能够连续记录水泥水化过程，在表征水泥早期水化行为中应用颇多。通过国内外学者的研究，根据水泥放热速率曲线和各阶段的水化行为将水化过程划分为溶解期、诱导期、加速器、减速期和稳定期等几个阶段，并指出放热速率与水泥水化进程方面的相关性。但这些研究中选取的胶凝材料体系都较为单一（包括特种水粉煤灰高性能混凝土胶凝材料体系水化热研究贾佳张超新疆德广众合质检技术服务有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000摘 要：将级粉煤灰掺入到高性能混凝土中，研究其在龄期、水胶比、掺量分别发生变化的情况下，高性能混凝土水化热变化规律。通过试验研究发现：低水胶比情况下，使用PO 42.5R水泥和级粉煤灰时，其3d、7d龄期水化热小于同水胶比下的中热、低热硅酸盐水泥。随着我国各类基础设施建设的蓬勃发展，大体积混凝土的应用越来越频繁，系统的进行相关研究工作，可以有针对性的发现其温度变化规律，对于工程应用有现实意义和指导作用。关键词：不同掺量；级粉煤灰；高性能混凝土；水化热Research on Hydration Heat Law of High Performance Concrete Mixed with Grade II Fly AshAbstract:The hydration heat development law of high performance concrete(HPC)with grade II fly ash as ultra-fine admixture was studied under different age,water binder ratio and dosage.Through the experimental study,it is found that the hydration heat of PO 42.5R cement and grade II fly ash is less than that of moderate heat Portland cement and low heat Portland cement with the same water binder ratio.With the development of Chinas housing,bridge and water conservancy industry,the application of mass concrete is increasingly extensive,so the systematic experimental research can effectively find the temperature change law,which has an irreplaceable role for engineering application.Key words:Different dosage;grade II fly ash;high performance concrete;hydration heat收稿日期：2020-12-1第一作者：贾佳，1983年生，硕士，工程师，研究方向为新型建筑材料研究与应用，E-mail：试验研究Experimental Research24CHINA CONCRETE 2023.01 NO.163泥、普通水泥），并没有针对不同掺合料及不同掺配比例进行进一步的研究和分析；另一方面，上述试验中胶凝材料与拌合用水的比例是按照标准稠度用水量+5%来确定的，这使得这些成果和数据在应用上具有一定的局限性，因为实际工程中，由于工作性、力学性能甚至耐久性能要求的不同，胶凝材料与拌合用水的比例是千差万别的，此时以标准稠度+5%情况下得到的水化热数值来指导、测算具体工程的水化热显然是不合适的。综上所述，目前针对低热水泥和普通水泥胶凝材料体系间热学性能的对比分析较少，对于2种水泥基材料的水化行为差异有待进一步研究，系统比较2种水泥基胶凝材料之间的热学性能就显得尤为迫切。本文利用乌鲁木齐地区的级粉煤灰，采取高性能混凝土低水胶比和大掺量掺合料的配制技术，进行上述条件下的水化热规律的试验研究。1 材料与方法1.1 试验材料水泥：分别采用青松建化生产的普通硅酸盐水泥和中热、低热水泥，其性能指标见表1。粉煤灰：新疆万紫千红建安集团福阳新型环保节能建材有限公司生产，该电厂粉煤灰已进行过二次分选分级，其形貌形态如图1所示，通过SEM图片可知，该粉煤灰是由大小不一的球形组成，表面相对光滑，其理化性能指标及化学成分见表2、表3。细骨料：试验用砂为满足GB/T 176712021 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）要求的标准砂，粒度范围在0.51.0mm。水：试验中拌合与养护水均为实验室的自来水。1.2 试验方案水化热采用GB/T 129592008水泥水化热测定方法中的直接法，应用天津市港源仪器试验厂生产的数字式水泥水化热测量仪，实时监测水泥水化过程中的168h温度变化，并设置平行试验组，计算水化放热量。当2次测得水化热误差12J/g时数据有效，取2组算数平均值。针对大体积混凝土工程常用的中热水泥、低热水泥和掺加大掺量矿物掺合料的普通水泥胶凝材料方案，采用粉煤灰部分代替水泥，在总胶凝材料不变的情况下分别改变矿物掺合料的掺量（占总材料的质量百分数），试验方案见表4。表 1 水泥的技术性能指标试样名称密度/（g/cm3）比表面积/（m2/kg）标准稠度用水量/%硬结时间/min安定性熟料矿物成分初凝终凝C3SC2SC4AFC3APO 42.5R水泥3.137828.2165265合格55.0923.646.5711.27PMH 42.5水泥3.232027.0187241合格52.1033.4011.305.40PLH 42.5水泥3.232026.6187241合格32.2040.0015.004.30表 2 粉煤灰理化性能指标细度/%密度/（g/cm3）需水量比/%烧失量/%比表面积/（m2/kg）SO3/%18.222.2097.004.334510.80 表 3 粉煤灰化学成分%LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2OR2O4.3356.1622.46.035.772.630.801.441.952.72图 1 粉煤灰颗粒试验研究Experimental Research25总163期 2023.01 混凝土世界2 结果与分析2.1 试验结果按照上述试验方案的配比依次进行拌合试验，结果见表5。根据表5绘制不同条件下各龄期水化热发展曲线如图2图11所示。2.2 试验分析由图2图11可以发现以下规律：（1）不同胶凝材料及水胶比下，2天水化热增长率都是最高的；在相同试验条件下，不同水胶比及掺量条件下，胶凝材料的水化热都会随着龄期的增长而变大，由此可见龄期是影响水化热的一个显著因素。（2）水化热的高低与试验样品的水胶比密切相关，当级粉煤灰掺量一定时，水胶比越低，胶凝材料同龄期的水化热也就越大，这说明水胶比也是影响水化热的一个显著因素。（3）无论哪个水胶比，级粉煤灰的掺量越大，胶凝材料同龄期水化热就越低，由此可见级粉煤灰的掺量也是一个显著因素。（4）级粉煤灰掺量大于30%时，无论水胶比是多少，其水化热均可低于同水胶比下的PMH 42.5水泥，而掺量大于50%时，无论水表 4 掺级粉煤灰各试样及各水泥试样设计方案编号水胶比标稠/（mL/kg）胶砂比水泥/g粉煤灰/g水/g标准砂/g备注1-27.01 3.045001441350PMH（标稠+5%）2-26.61 3.045001421350PLH（标稠+5%）3-28.21 3.045001491350PO（标稠+5%）4-27.41 3.03151351461350A1（标稠+5%）5-27.01 3.02252251441350A2（标稠+5%）6-28.21 3.01353151491350A3（标稠+5%）70.40-1 3.045001801350PMH（0.4）80.40-1 3.045001801350PLH（0.4）90.40-1 3.045001801350PO（0.4）100.40-1 3.03151351801350B1（0.4）110.40-1 3.02252251801350B2（0.4）120.40-1 3.01353151801350B3（0.4）130.35-1 3.045001581350PMH（0.35）140.35-1 3.045001581350PLH（0.35）150.35-1 3.045001581350PO（0.35）160.35-1 3.03151351581350C1（0.35）170.35-1 3.02252251581350C2（0.35）180.35-1 3.01353151581350C3（0.35）190.30-1 3.045001351350PMH（0.3）200.30-1 3.045001351350PLH（0.3）210.30-1 3.045001351350PO（0.3）220.30-1 3.03151351351350D1（0.3）230.30-1 3.02252251351350D2（0.3）240.30-1 3.01353151351350D3（0.3）注：标有“标稠+5%”的试验组均按照GB/T 129592008中4.5.6.4“胶砂配比”中要求的用水量拌合。表 5 掺级粉煤灰各水泥试样水化热 J/g编号1d2d3d4d5d6d7d1185 231 249 260 268 276 282 2149 180 202 219 233 245 255 3192 246 265 277 285 292 295 41491932122242322392435115 159 180 195 206 216 221 6761181341461561661727178 219 231 239 246 258 267 8145 174 195 211 226 238 241 9160 208 230 255 270 282 295 10901231411541641721771168 101 116 127 135 143 147 123474889810511111513183 228 244 253 260 268 273 14148 177 196 213 228 240 250 15179 231 254 266 274 285 299 16134 175 199 214 223 231 237 17116 155 176 191 202 211 216 1862