呂強，胡建中

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙 410004）

高性能路面水泥砼熱學性能與孔結構特征分析

呂強，胡建中

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙 410004）

對配制的不同配合比高性能路面砼進行試驗，比較分析其熱學性能參數(shù)和孔結構特征參數(shù)。結果表明，礦物摻合料的加入可較大幅度降低水泥水化熱，加入礦物摻合料后早期水泥水化放熱速率降低；相對于單摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦粉不利于推遲水泥水化溫峰，單摻礦粉、雙摻礦粉及粉煤灰只對降低砼早期水化溫升有用，對后期無明顯作用；采用低用水量配置砼可取得較好的孔結構。

公路；水泥砼；熱學性能；水化熱；孔結構

相較于普通砼，高性能水泥砼具有強度高、耐久性好、工作性能優(yōu)良及體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在路面工程中的經濟效益較為顯著。高性能砼與普通砼的區(qū)別在于配合比設計、原材料和外加劑選用等不同。

砼路面澆筑后，凝結硬化過程中會產生水化熱導致溫度升高，在砼內部積蓄大量熱量。由于砼本身的導熱系數(shù)較低，熱量在短時間內不容易散發(fā)，造成砼內部溫度越來越高，與砼外表形成溫度梯度，當溫度應力大于砼的抗拉強度時將產生裂縫，影響路面的使用性能。此外，砼路面在澆筑過程中不可避免地會融入空氣，在砼內部形成孔隙，內部孔隙結構特性對砼的強度、抗?jié)B性、抗凍性等性能有著重要影響。鑒于此，該文開展不同配合比高性能路面砼熱學性能和孔結構試驗分析，為路面水泥砼強度等因素測試及施工提供依據(jù)。

1 試驗原材料

水泥為安徽巢湖東關水泥廠生產的42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用淮南礦業(yè)集團生產的粉煤灰，細度10%，燒失量1.79%，三氧化硫含量0.83%，氧化鈣含量5.32%；外加劑采用TK-PCA聚羧酸高效能減水劑；骨料采用石灰?guī)r二級配碎石，骨料最大粒徑25mm；細集料采用安徽巢湖生產的天然河砂，細度模數(shù)2.78。

2 砼熱學性能分析

砼的溫升會影響路面材料的耐久性。伴隨溫度升降砼會發(fā)生脹縮變形，其變形主要取決于砼的熱脹系數(shù)和溫度變化量，其中溫度變化量是主要因素。水泥用量和水泥水化放熱速率決定砼的溫度，砼水化放熱能力的評價指標主要為絕熱溫升，砼的溫差則取決于散熱或保溫效率。因此，砼的熱學性能是砼的一項重要性質。

2.1水泥水化熱

采用差分量熱儀測量不同膠凝材料組合的水化放熱情況，推薦水膠比為0.30～0.50，配合比見表1。摻合料對水泥水化熱和放熱速率的影響見圖1。

表1　水泥水化熱試驗配合比

圖1　水泥水化熱和放熱速率試驗結果

從圖1可見，膠凝材料中摻加粉煤灰和礦粉等礦物摻合料后，水泥水化熱反生了較大變化，表現(xiàn)在以下方面：

（1）礦物摻合料的加入較大幅度降低了水泥水化熱，2號、3號配合比的水化熱降低幅度比1號大，水化熱降低程度隨水泥用量減少而增大。說明礦物摻合料的加入能有效降低砼的水化升溫，對降低由于溫度應力引起的砼裂縫能起較好的作用。

（2）礦物摻合料加入后，早期水泥水化放熱速率降低，水泥水化放熱速率達到最大值的時間后移。2號和3號配合比的水化放熱速率均小于1號。由于礦粉早期也參與水化反應，早期3號配合比的水化放熱速率大于2號。

（3）相對于單摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦粉不利于推遲水泥水化溫峰。雖然雙摻后水泥的水化熱與單摻粉煤灰相比有所降低，但雙摻后溫峰處的水泥水化速率增大。

2.2砼絕熱溫升

通過砼的絕熱溫升試驗研究礦物摻合料的摻入對砼放熱量和放熱速度的影響，砼配合比見表2，試驗結果見圖2、圖3。

表2　絕熱溫升試驗配合比

從圖2可以看出：在早期的相同時刻，砼中心溫度由高到低依次為純水泥砼（配合比1）、單摻礦粉砼（配合比3）、雙摻砼（配合比4）、單摻粉煤灰砼（配合比2）。48 h后雙摻砼的中心溫度逐漸超過單摻砼，最終達到純水泥砼的水平。

從圖3可以看出：單獨以大摻量粉煤灰代替水泥確實可以降低砼的水化熱溫升，砼中心溫度大約平均降低5℃。單摻量礦粉、雙摻礦粉和粉煤灰只對降低砼早期水化溫升起作用，對后期無明顯作用。

圖2　砼中心溫度隨時間變化曲線

圖3　砼絕熱溫升曲線

3 砼結構孔隙特性分析

砼的內部孔隙結構特性對砼的強度、抗?jié)B性能、抗凍性能、收縮性能、徐變等有著重要影響。下面對不同水膠比砼的孔隙分布及不同含氣量砼的氣泡特征進行試驗分析，砼配合比見表3。

表3　各類型配合比砼及含氣量、坍落度試驗結果

3.1壓汞法測量砼的空隙結構特征

采用ASPE-730自動壓汞儀測量砼孔結構的微觀組成，結果見圖4。

由圖4可知3組砼配合比中的孔隙分為兩部分：一部分是孔徑小于50 nm的毛細孔，屬于無害孔或少害孔；另一部分是孔徑在100μm左右的由引氣劑引入的微孔，這類孔使砼的抗凍性有所提高，只是對強度會產生影響。配合比B1的水膠比比B2和B3大，B1在孔徑為100～1 000 nm時含有的有害孔比B2和B3多，這種孔不但對砼強度不利，也對耐久性不利。說明采用低用水量配置砼可取得較好的孔結構。

圖4　壓汞法測砼孔隙率試驗結果

3.2砼氣泡間距系數(shù)試驗測砼孔隙結構

3種配合比砼中孔隙的存在形式有兩類：一是毛細孔，孔徑為納米級別；另一種為微孔，孔徑為微米級別。壓汞法對于微米級別孔隙的測量較為準確，但對納米級別孔隙的測量只能作出定性分析，不能進行定量分析。鑒于此，對于砼孔隙結構的測量采用氣泡間距系數(shù)試驗方法，該方法能較為準確地測量硬化砼中微孔的尺寸和分布情況。

砼氣泡間距系數(shù)試驗采用MIC-840型砼孔隙測定儀，其測量范圍為9～2 200μm，移動范圍為±60mm，最小移動單位為0.001μm，能測定的最小孔隙直徑為5μm。測試結果見表4，氣泡在砼中的分布情況見圖5。

表4　氣泡間距系數(shù)測試結果

圖5　硬化砼中氣泡分布

由表5可知：3種配合比砼硬化后的氣泡平均間距都在300μm以下，其中B1和B3小于200 μm，說明砼的抗凍性較好。除B2外，B1和B3硬化砼中的氣泡孔徑都在100μm左右，說明試驗中采用的引氣劑品質較好，引入的氣泡質量較高。

4 結論

（1）礦物摻合料的加入可較大幅度地降低水泥水化熱。

（2）加入礦物摻合料后，早期水泥水化放熱速率降低，水泥水化放熱速率達到最大值的時間后移。

（3）相對于單摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦粉不利于推遲水泥水化溫峰。

（4）單摻礦粉、雙摻礦粉及粉煤灰均只對降低砼早期水化溫升有用，對后期無明顯作用。

（5）采用低用水量配置砼可取得較好的孔結構；氣泡間距系數(shù)試驗可較為準確地測量硬化砼中微孔的尺寸和分布情況。

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