(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

1 研究背景

大體積混凝土的溫控防裂問(wèn)題是學(xué)術(shù)界和工程界廣泛關(guān)注的重要課題之一[1]。大量研究表明[2-4]，膠凝材料的水化熱是造成混凝土溫度裂縫的主因，為此工程中常采用中、低熱水泥或普通硅酸鹽水泥摻加礦物摻合料2種方法降低膠凝材料水化熱。對(duì)于水工等大體積混凝土工程，溫度控制要求嚴(yán)格，普通硅酸鹽水泥摻加礦物摻合料難以滿足水化熱控制需要，因此低熱水泥摻加礦物摻合料的膠凝材料方案逐漸為大體積混凝土工程所采用[5-7]。

水化熱和膠凝材料的水化產(chǎn)物量成正相關(guān)，水化產(chǎn)物量與力學(xué)強(qiáng)度成正比[8]，膠凝材料的早強(qiáng)和低熱性能往往相互矛盾。摻加礦物摻合料的低熱水泥膠凝體系能明顯降低膠凝材料水化熱，但早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢?，F(xiàn)有研究大都是基于低熱水泥力學(xué)或熱學(xué)單方面性能開(kāi)展的，對(duì)其膠凝材料體系的綜合性能評(píng)價(jià)和系統(tǒng)研究相對(duì)較少。

本文以低熱水泥膠凝體系力學(xué)和熱學(xué)綜合性能為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定膠凝材料3，7，28 d力學(xué)強(qiáng)度和水化熱，采用限定上限/下限線性計(jì)算規(guī)則建立綜合性能滿意度函數(shù)，得出滿意度等值線圖，對(duì)不同礦物摻合料下膠凝材料綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以期為低熱硅酸鹽水泥在大體積混凝土工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 評(píng)價(jià)方法及相關(guān)理論

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

膠凝材料的綜合性能評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)工程，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取關(guān)乎評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性[9]。根據(jù)大體積混凝土的溫控防裂要求，對(duì)低熱水泥膠凝體系力學(xué)性能和水化熱2個(gè)部分進(jìn)行如下分析。

(1)力學(xué)性能：低熱水泥膠凝材料體系早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率大[10]，符合大體積混凝土設(shè)計(jì)齡期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)價(jià)時(shí)尤需關(guān)注其早期強(qiáng)度的發(fā)展情況。因此選擇3，7，28 d的抗壓和抗折強(qiáng)度作為膠凝材料綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)水化熱：侯新凱等[8]認(rèn)為膠凝材料3 d和7 d早期水化熱與混凝土最高溫升關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，且有研究[11]表明大體積混凝土結(jié)構(gòu)的中心溫度在7 d時(shí)已回落至接近環(huán)境溫度，溫度發(fā)展進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期。因此選取3 d和7 d這2個(gè)特征水化熱值對(duì)膠凝材料綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)集的確定

一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集U={U1，U2，…，Um}，第i個(gè)指標(biāo)Ui對(duì)應(yīng)的權(quán)重為θi，反映各指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中的重要程度；二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集Ui={ui1，ui2，…，uik}，uik為第i個(gè)指標(biāo)的第k個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)的二次權(quán)重為θik。

2.2.2 權(quán)重的確定

權(quán)重的確定是評(píng)價(jià)結(jié)果是否準(zhǔn)確的重要因素，在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮溫度控制、力學(xué)強(qiáng)度要求以及施工條件等進(jìn)行確定。本文采用主觀賦權(quán)法，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水泥綜合性能的影響程度進(jìn)行賦權(quán)。一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)U1為力學(xué)強(qiáng)度，U2為水化熱。為體現(xiàn)二者同等重要，規(guī)定權(quán)重值θ1=θ2=50分，7 d水化熱是水化熱二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)u1k的核心內(nèi)容，其分項(xiàng)權(quán)重值θ12=30分，3 d水化熱分項(xiàng)權(quán)重值θ11=20分；力學(xué)強(qiáng)度二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)u2k共有3，7，28 d抗折和抗壓6個(gè)分項(xiàng)，其中28 d抗壓強(qiáng)度是力學(xué)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)u2k的核心內(nèi)容，根據(jù)抗壓強(qiáng)度重、抗折強(qiáng)度輕，后期強(qiáng)度重、早期強(qiáng)度輕的分配原則，分項(xiàng)權(quán)重θ2k分別取3分、6分、6分、10分、10分、15分。

2.2.3 綜合性能評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)

水化熱滿意度f(wàn)1k采用限定上限線性規(guī)則計(jì)算。2個(gè)齡期的水化熱分別設(shè)定一個(gè)上限值a1k和一個(gè)下邊界值b1k，水化熱值g1k若高于a1k則該項(xiàng)性能滿意度為0分，若低于b1k該項(xiàng)滿意度為滿分θ1k；g1k介于b1k與a1k之間時(shí)，滿意度公式為

f1k=Aik(a1k-g1k)/(a1k-b1k)+Bik。

(1)

力學(xué)強(qiáng)度滿意度f(wàn)2k采用限定下限線性規(guī)則計(jì)算。3個(gè)齡期抗折、抗壓強(qiáng)度分別設(shè)定一個(gè)下限值b2k和一個(gè)上邊界值a2k，強(qiáng)度值g2k若低于b2k則該項(xiàng)性能滿意度為0分，若高于a2k該項(xiàng)滿意度為滿分θ2k；g2k介于b2k與a2k之間時(shí)，滿意度公式為

f2k=Aik(g2k-b2k)/(a2k-b2k)+Bik。

(2)

參考《中熱硅酸鹽水泥 低熱硅酸鹽水泥 低熱礦渣硅酸鹽水泥》(GB 200—2003)[12]中對(duì)低熱水泥膠砂強(qiáng)度和水化熱的限值規(guī)定，綜合考慮大體積混凝土性能要求，分別對(duì)aik，bik，Aik，Bik賦值，評(píng)定量化規(guī)則及參數(shù)取值見(jiàn)表1。

3 實(shí) 例

3.1 原材料及試驗(yàn)方案

3.1.1 原材料

低熱水泥(P.LH)由新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)及熟料礦物成分含量見(jiàn)表2；礦物摻合料分別為昌吉天山混凝土公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰(FA)和新疆屯河水泥公司生產(chǎn)的S75級(jí)礦渣粉(SL)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

3.1.2 試驗(yàn)方法

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)[13]要求，分別制作3，7，28，90 d齡期下各組膠砂材料3個(gè)試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至特定齡期后按照規(guī)范方法測(cè)取膠凝材料力學(xué)強(qiáng)度平均值。

表1 膠凝材料綜合性能評(píng)定量化規(guī)則Table 1 Quantitative rules of comprehensive performanceevaluation for cementitious material

注：gik表示膠凝材料相應(yīng)性能數(shù)值，fik表示該項(xiàng)滿意度數(shù)值

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)及礦物成分含量Table 2 Cement’s technical indexes and content ofmineral components

表3 礦物摻合料技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of mineral admixture

膠凝材料水化熱按照《水泥水化熱測(cè)定方法》(GB/T 12959—2008)[14]中的直接法， 由實(shí)時(shí)測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各組膠凝材料的168 h膠砂溫度變化， 并設(shè)置平行試驗(yàn)組， 計(jì)算水化放熱量。 當(dāng)2次測(cè)得水化熱誤差≤12 J/g時(shí)數(shù)據(jù)有效， 取2組算數(shù)平均值。

3.1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用粉煤灰和礦渣粉部分代替水泥，在總膠凝材料質(zhì)量不變的情況下分別改變礦物摻合料的摻量(占總膠凝材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表4。

表4 膠凝材料設(shè)計(jì)方案Table 4 Design proportions of cementitious material

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

按表4所示膠凝材料設(shè)計(jì)方案成型膠砂試件，力學(xué)強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表5。低熱水泥的早期(3 d和7 d)強(qiáng)度較低，28 d和90 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)約為35.2%，具有良好的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率；不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律見(jiàn)圖1。

表5 膠凝材料力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of mechanical strength ofcementitious material

圖1 不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of low-heat cementitioussystem with different admixtures

由圖1和表5可知：

隨著粉煤灰摻量的增加，復(fù)合膠凝體系的各齡期強(qiáng)度均明顯降低。與純水泥膠砂強(qiáng)度相比，不同齡期的膠凝體系抗壓強(qiáng)度損失率均高于抗折強(qiáng)度損失率；相同摻量下，28 d齡期之前的強(qiáng)度損失率高且變化不大，90 d齡期的強(qiáng)度損失略有改善。

隨著礦渣粉摻量的增加，28 d齡期之前的膠凝體系強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。與純水泥膠砂強(qiáng)度相比，不同齡期的膠凝體系抗壓強(qiáng)度損失率均高于抗折強(qiáng)度損失率；相同摻量下，早期(3，7 d)強(qiáng)度損失率較高，28 d齡期抗壓強(qiáng)度損失率低、抗折強(qiáng)度接近或超過(guò)純水泥，90 d齡期時(shí)膠砂強(qiáng)度高于純水泥，具有較高的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率。

復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉的膠凝體系強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律介于單摻粉煤灰和單摻礦渣粉之間。隨著摻量的增加，28 d齡期前的膠凝體系強(qiáng)度下降趨勢(shì)較明顯，90 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度相近；與純水泥膠砂強(qiáng)度相比，隨著齡期的延長(zhǎng)，膠凝體系的強(qiáng)度損失率呈降低趨勢(shì)，90 d齡期時(shí)強(qiáng)度接近或超過(guò)純水泥。

3.2.2 水化熱試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)定表4所示各組膠凝材料水化過(guò)程中的168 h膠砂溫度并計(jì)算水化熱，結(jié)果見(jiàn)表6。不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系水化放熱曲線見(jiàn)圖2。由圖2和表6可知：

隨粉煤灰摻量的增加，膠凝體系的水化熱明顯下降。與純水泥相比，單摻15%，25%，35%，45%粉煤灰的膠凝材料72 h水化熱分別降低21，35，63，79 J/g；168 d水化熱分別降低24，46，65，86 J/g。粉煤灰的火山灰活性較低，在膠凝材料中主要起物理填充作用，稀釋低熱水泥的礦物成分，減緩水化進(jìn)程。

表6 膠凝材料水化熱試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of hydration heat ofcementitious material

圖2 不同礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系放熱曲線Fig.2 Curves of hydration heat of differentcementitious systems

隨礦渣粉摻量的增加，膠凝體系的水化熱下降。與純水泥相比，單摻15%，25%，35%，45%礦渣粉的膠凝材料72 h水化熱分別降低14，19，34，38 J/g；168 h水化熱分別降低18，21，30，39 J/g。礦渣粉的摻入稀釋了低熱水泥的礦物成分，在水化初期主要發(fā)揮物理填充作用。隨著齡期的延長(zhǎng)，其火山灰作用逐漸明顯，能夠促進(jìn)膠凝體系的水化。

復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉的膠凝材料水化放熱規(guī)律介于單摻相同摻量的粉煤灰和礦渣粉之間，隨著摻量的增加，摻合料的火山灰作用逐漸明顯。與純水泥相比，復(fù)摻15%，25%，35%，45%粉煤灰、礦渣粉的膠凝體系72 h水化熱分別降低18，33，49，61 J/g；168 h水化熱分別降低23，34，44，71 J/g。

3.3 綜合性能評(píng)價(jià)

按照表1所示評(píng)定規(guī)則計(jì)算各組膠凝材料各評(píng)價(jià)指標(biāo)的性能滿意度，結(jié)果見(jiàn)表7。膠凝材料綜合性能滿意度F=Σfik=F(x，y)，其中x，y分別為粉煤灰和礦渣粉摻量，繪制綜合性能滿意度等值線圖，見(jiàn)圖3。

表7 膠凝材料性能滿意度Table 7 Values of satisfaction on the performance ofcementitious materials

圖3 膠凝材料綜合性能滿意度等值線Fig.3 Contours of satisfaction on performance ofcementitious materials

由圖3可知:低滿意度(≤50分)區(qū)域主要分布在粉煤灰摻量[30%,50%]區(qū)間內(nèi)的右下位置，表示大摻量礦物摻合料下低熱水泥膠凝體系的滿意度數(shù)值較低；圖中左下位置60分等值線與x軸、y軸的交點(diǎn)分別為8%，6%，該區(qū)域表示低摻量礦物摻合料下膠凝體系或純低熱水泥膠凝體系，其性能滿意度數(shù)值較低；對(duì)于粉煤灰摻量在[5%,20%]、礦渣粉摻量在[5%,45%]區(qū)間的復(fù)合膠凝體系，其大部分面積都處于較高滿意度數(shù)值區(qū)域(≥60分)；粉煤灰摻量在[0%,8%]、礦渣粉摻量在[22%,39%]區(qū)間，以及粉煤灰摻量在[7%,14%]、礦渣粉摻量在[7%,20%]區(qū)間內(nèi)的復(fù)合膠凝體系綜合性能滿意度最高(≥72分)，兩區(qū)域的中心坐標(biāo)點(diǎn)分別為(2%,28%)，(10%,13%)。

綜合性能滿意度等值線分布可以近似看作系列同心橢圓線，該橢圓的長(zhǎng)軸與x軸負(fù)方向以60°斜交，橢圓形等值面區(qū)域內(nèi)沿橢圓長(zhǎng)軸上膠凝體系滿意度數(shù)值保持不變，附近的膠凝材料組分具備較好的早強(qiáng)低熱性能。

4 結(jié) 論

(1)低熱水泥膠凝體系的強(qiáng)度和水化熱均隨礦物摻合料摻量的增加而降低。摻加粉煤灰可明顯降低水化熱，但膠凝材料不同齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度均有明顯下降；礦渣粉火山灰活性較高，在降低水化熱的基礎(chǔ)上，促進(jìn)膠凝材料水化，對(duì)其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)有較大貢獻(xiàn)。

(2)低熱水泥膠凝體系綜合性能滿意度等值線分布可以近似看作系列同心橢圓線，橢圓形等值面區(qū)域內(nèi)沿橢圓長(zhǎng)軸上膠凝體系滿意度數(shù)值保持不變。粉煤灰摻量在[5%,20%]、礦渣粉摻量在[5%,45%]區(qū)間內(nèi)膠凝體系綜合性能滿意度較高，具備較好的低熱早強(qiáng)性能。

(3)本文針對(duì)不同摻量粉煤灰、礦渣粉條件下的低熱水泥膠凝體系力學(xué)和熱學(xué)綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析并得出滿意度等值線圖，可在一定程度上為大體積混凝土工程的膠凝材料方案選擇提供參考。

(4)綜合性能評(píng)價(jià)函數(shù)以及滿意度等值線圖的聯(lián)合運(yùn)用，為復(fù)合膠凝體系力學(xué)和熱學(xué)綜合性能評(píng)價(jià)提供了新的思路。該方法中的評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重值可以根據(jù)溫度控制、強(qiáng)度要求以及施工條件等因素進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有較好的推廣適應(yīng)性。