肖歐輝,趙寧寧,蔣新雨,劉任,傅金陽
隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,水泥的消耗量也隨之增大,據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì),2017年中國(guó)全年累計(jì)水泥產(chǎn)量達(dá)23.16億噸。目前工程建設(shè)用水泥在使用前均需貯藏在水泥罐中,規(guī)范[1]規(guī)定入罐溫度≯65℃,但受工期條件制約,水泥的使用溫度也不盡相同,極易因溫度變化而造成拌和物物理力學(xué)性能下降,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物開裂,因此有必要依據(jù)工程需要研究溫度對(duì)水泥物理力學(xué)性能的影響。
水泥溫度對(duì)拌和物早期物理力學(xué)性能影響,目前已有微觀和宏觀的研究。徐琳玲等[2]分析了環(huán)境溫度對(duì)“鋁酸鹽水泥—硅酸鹽水泥—無水石膏”三元體系水化早期的相組成、拋光斷面微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)演變的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),所生成的鈣礬石越易向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)變;韓方暉等[3]研究了溫度對(duì)水泥—礦渣復(fù)合膠凝材料硬化漿體微觀結(jié)構(gòu)及凈漿和砂漿后期強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)純水泥的水化程度影響很小,但高溫(60℃)降低了純水泥凈漿的后期抗壓強(qiáng)度;韓玉等[4]研究了不同溫度對(duì)摻減水劑的礦渣—水泥漿體水化放熱性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)溫度升高時(shí)(35℃、50℃)水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要由NG—D過程控制;楊永民[5]、張秀潔[6]、姜雅峰[7]等分別基于試驗(yàn)研究了水泥溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、水泥試件強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著水泥溫度升高,水泥早期物理力學(xué)性能都有不同程度的降低。
上文所述均未從工程角度研究水泥溫度對(duì)早期物理力學(xué)性能的影響,并缺乏相應(yīng)的保障水泥性能的工程措施。本文的研究依托青海莫蘭臺(tái)嶺隧道項(xiàng)目。項(xiàng)目隧道區(qū)屬大陸性高原半干旱氣候,地面年平均溫度9.7℃,冬季地面溫度大致為-15℃,極端最低地面溫度-27.5℃,隧道施工中使用大量硅酸鹽水泥,實(shí)際測(cè)得水泥出罐使用溫度為52~73℃,所在寒區(qū)地下水水溫穩(wěn)定在(5±1)℃。為了解施工階段中水泥溫度對(duì)早期物理力學(xué)性能的影響,尋找合適的工程措施保障水泥性能,我們通過試驗(yàn)研究了不同水泥出罐使用溫度、不同拌和用水溫度對(duì)水泥試件早期物理力學(xué)性能的影響,為工程項(xiàng)目建設(shè)提供參考。
試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥P·O42.5級(jí),由青海祁連山水泥有限公司生產(chǎn),物理力學(xué)性能如表1所示,試驗(yàn)用拌和用水為地下水,預(yù)先放置于試驗(yàn)室,使水溫與環(huán)境溫度相同,水質(zhì)指標(biāo)如表2所示,符合規(guī)范要求。
水泥物理力學(xué)性能主要包括標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等。依據(jù)寒區(qū)工程水泥出罐使用溫度分布區(qū)間,本試驗(yàn)所用水泥采用干燥烘箱將其分別加熱成20℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃六個(gè)溫度等級(jí),模擬不同使用溫度時(shí)的水泥,采用冷藏室將水溫降至5℃、17℃兩個(gè)等級(jí),模擬不同溫度時(shí)的拌和用水。如表3所示,將不同溫度水泥、不同溫度拌和用水組合使用形成試驗(yàn)組,稱取500g水泥測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量,用濕布擦拭攪拌鍋和葉片,先后倒入水與水泥,啟動(dòng)攪拌機(jī),低速攪拌、刮去葉片粘附水泥漿,高速攪拌后制得試樣;測(cè)試力學(xué)性能時(shí),按照“水泥:標(biāo)準(zhǔn)砂:水=450g:1 350g:225ml”的配合比制備水泥膠砂,膠砂由行星攪拌機(jī)攪拌,倒入40mm×40mm×160mm試模振動(dòng)成型,試體連模一起在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h,隨后在水中養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱溫度為20±1℃,濕度>90%。不同溫度下水泥及拌和用水制備見圖1。
表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能
表2 拌和用水水質(zhì)指標(biāo)
普通硅酸鹽水泥P·O42.5測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量時(shí)依據(jù)GB/T 1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行,測(cè)試抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度時(shí)依據(jù)規(guī)范GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)》進(jìn)行,試驗(yàn)中使用建儀NJ-160A水泥凈漿攪拌機(jī)、建儀JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)、建儀ZS-15型水泥膠砂振實(shí)臺(tái)、SBY-64B型水泥試件恒溫水養(yǎng)護(hù)箱、三宇HYE-300型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)維卡儀、水泥膠砂試模、YPB10002型電子天平等,以上儀器設(shè)備均已經(jīng)過檢定/校準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)室溫度為20±2℃,濕度>50%。水泥物理及力學(xué)性能測(cè)試見圖2。
圖1 不同溫度下水泥及拌和用水制備
水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量表征水泥凈漿的稠度,對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性都有一定影響[8]。拌和水溫影響的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的水灰比隨水泥溫度變化趨勢(shì)如圖3所示,采用常溫水(17℃)與冷水(5℃)拌和時(shí),隨著水泥出罐溫度的升高,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度的水灰比也隨之增大,但使用常溫水時(shí),80℃水泥比20℃水泥增加用水量達(dá)9.12%,使用冷水時(shí),80℃水泥比20℃水泥增加用水量為5.42%,且冷水拌和、水泥溫度為80℃時(shí)與常溫水拌和、水泥溫度為40℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相當(dāng);在水泥溫度均為20℃時(shí),冷水拌和與常溫水拌和具有相近的水灰比。測(cè)試表明,水泥溫度較低時(shí),拌和水溫對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量影響較小,當(dāng)水泥溫度升高、采用較低溫度拌和水時(shí),可明顯降低水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。
表3 水-灰溫度組合下的試樣分組*
圖2 水泥物理及力學(xué)性能測(cè)試
圖3 溫度對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響
抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度是水泥力學(xué)性能的重要指標(biāo),本試驗(yàn)所測(cè)定的不同溫度下水泥標(biāo)準(zhǔn)膠砂3d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出,當(dāng)水泥溫度升高時(shí),不同拌和水溫下水泥膠砂3d抗折強(qiáng)度均下降,但使用冷水拌和后抗折強(qiáng)度顯著高于對(duì)應(yīng)溫度的常溫水拌和試件,在水泥溫度為80℃時(shí),相對(duì)常溫水拌和,采用冷水拌和可使抗折強(qiáng)度增加8.3%,由圖4b可知抗壓強(qiáng)度也具有類似規(guī)律,在對(duì)水泥早期力學(xué)性能要求較高或水泥出罐溫度較高的工程中,可采用冷水拌和增強(qiáng)水泥早期力學(xué)性能。
在特定工程實(shí)踐中,對(duì)水泥長(zhǎng)期力學(xué)性能的要求比較嚴(yán)格,本試驗(yàn)所測(cè)定的不同溫度下水泥膠砂28d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。由圖5a可以看出,采用常溫水拌和的水泥膠砂抗折強(qiáng)度隨溫度變化具有波動(dòng)趨勢(shì),未表現(xiàn)出隨溫度變化的相關(guān)性,采用冷水拌和的水泥膠砂抗折強(qiáng)度分布在7.5~8.2MPa之間,且部分溫度下抗折強(qiáng)度小于常溫水拌和的水泥膠砂強(qiáng)度;兩種拌和水溫下水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的趨勢(shì)也表現(xiàn)為不規(guī)律。試驗(yàn)中水泥膠砂試件均放置于養(yǎng)護(hù)箱,并浸潤(rùn)于水中,當(dāng)水泥膠砂試件長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)下(試驗(yàn)中為28d),水分子可運(yùn)動(dòng)于試件中,使水泥充分水化。因此,不同拌和水溫、不同水泥使用溫度對(duì)水泥長(zhǎng)期力學(xué)性能影響較小,水泥在工程實(shí)際使用時(shí),通過對(duì)結(jié)構(gòu)物合理養(yǎng)護(hù)(如結(jié)構(gòu)表面覆以土工布,并定期灑水養(yǎng)護(hù)),也可以消除水泥不同使用溫度對(duì)結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響。
圖4 溫度對(duì)水泥3d力學(xué)性能的影響
圖5 溫度對(duì)水泥28d力學(xué)性能的影響
通過對(duì)不同拌和水溫、不同使用溫度的水泥進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗(yàn)、水泥膠砂抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、水泥膠砂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:
(1)隨著水泥使用溫度升高,使用常溫水(17℃)和冷水(5℃)的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量都會(huì)增加,當(dāng)使用冷水時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相對(duì)要小,因此在一些工期緊張的項(xiàng)目中,由于急需使用水泥而水泥無法降至合理出罐溫度,或在寒區(qū)工程中地下水溫較低時(shí),采用冷水拌和的方式可避免拌和物過于干燥。
(2)隨著水泥使用溫度升高,使用常溫水(17℃)和冷水(5℃)拌和的水泥膠砂3d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨之降低,但采用冷水拌和試件其強(qiáng)度明顯高于常溫水拌和試件強(qiáng)度,在一些對(duì)水泥早期力學(xué)性能要求較高的工程中,如隧道二次襯砌施工中,在水泥出罐溫度較高時(shí)可采用冷水拌和確保結(jié)構(gòu)物早期強(qiáng)度符合要求。
(3)在水泥膠砂試件長(zhǎng)期浸水養(yǎng)護(hù)條件下,水泥溫度、拌和用水溫度對(duì)試件長(zhǎng)期(28d)力學(xué)性能影響不大,實(shí)際工程中可采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方法,保證結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期使用性能。