低热硅酸盐水泥对大坝混凝土体积稳定性影响试验.pdf

水利水电科技进展,2014,34(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / kkb. hhu. edu. cn 第 34 卷第 6 期 Vol. 34 No. 6 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2014 年 11 月 Nov. 2014 作者简介:李光伟(1962),男,湖北武汉人,教授级高级工程师,主要从事水工混凝土性能试验研究。 E鄄mail:lguangwei chidi. com. cn DOI:10. 3880/ j. issn. 10067647. 2014. 06. 005 低热硅酸盐水泥对大坝混凝土体积稳定性影响试验 李光伟 (中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都摇 610072) 摘要:为了探讨低热硅酸盐水泥对大坝混凝土体积稳定性的影响,采用 SL3522006水工混凝土 试验规程规定的试验方法,研究了低热硅酸盐水泥对大坝混凝土体积稳定性的影响。 试验结果 表明:低热硅酸盐水泥大坝混凝土具有温度变形、收缩变形和碱骨料反应活性膨胀变形较小的特 点,与中热硅酸盐水泥相比,低热硅酸盐水泥可以提高大坝混凝土的体积稳定性。 关键词:水工材料;低热硅酸盐水泥;体积稳定性;温度变形;收缩变形;碱活性膨胀变形 中图分类号:TV431摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2014)06002304 Investigate the effect of low heat Portland cement on concrete dam volume stability/ / LI Guangwei(Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China) Abstract: In order to investigate the effect of low heat Portland cement on concrete dam volume stability, we applied the test method according to the Hydraulic Concrete Testing Procedures (SL352鄄2006) regulations. Overall, the experimental studies show: low heat Portland cement concrete has characteristics of low temperature deformation, low shrinkage and reducing swelling alkali reactivity. Further, compared with moderate heat Portland cement, low heat Portland cement concrete can increase the volume stability of dam. Key words: hydraulic material; low heat Portland cement; volume stability; temperature deformation; shrinkage; swelling alkali reactivity 摇 摇 为了节能降耗、保护环境并提高混凝土的耐久 性,我国从 20 世纪 90 年代开始研究低热硅酸盐水 泥1。 低热硅酸盐水泥的熟料矿物成分与传统硅 酸盐水泥相同,区别在于它是以 C2S 为主导矿物 (C2S 质量分数大于 40%),具有低水化热、高后期 强度增进率、良好的外加剂相容性、优异的耐久性等 特点2, 配 制 的 水 工 大 坝 混 凝 土 具 有 优 越 的 性能3鄄5。 混凝土的体积稳定性是指混凝土硬化后在非荷 载条件下保持其初始几何尺寸的特性。 硬化后的混 凝土在非荷载条件下依然会产生变形,这是由于混 凝土内部水分的改变,水化反应以及环境温度、湿度 的变化导致混凝土的体积发生变化6。 在工程结 构中,混凝土的体积变化常受到基础、钢筋和邻接构 件的约束,其应力变化造成混凝土开裂甚至破坏。 减小混凝土的体积变形、提高混凝土的体积稳定性 是解决水工大坝混凝土开裂问题的关键7。 影响混 凝土体积稳定性的因素很多,其中水泥品种是影响 因素之一。 为此,本文结合西南某水电工程的实际, 对比不同品种水泥配制大坝混凝土的体积稳定性, 在试验研究的基础上,进行低热硅酸盐水泥对大坝 混凝土体积稳定性的影响分析和探讨。 1摇 混凝土原材料及试验方法 试验采用四川嘉华企业(集团)股份有限公司 生产的低热硅酸盐水泥,为了便于分析,同时采用实 际工程中使用的中热硅酸盐水泥进行比较,水泥的 化学成分及矿物组成见表 1,水泥的基本物理力学 性能见表 2。 试验采用云南宣威玉级粉煤灰,粉煤灰的细度 为 5郾 3%,需水量比为 94郾 0%。 粗骨料为当地具有 潜在碱硅酸反应活性的变质石英砂岩,其表观密度 为2郾 69g/ cm3,饱和面干吸水率为0郾 5%。 细骨料为 当地大理岩,其表观密度为 2郾 68g/ cm3,饱和面干吸 水率为 1郾 1%,石粉质量分数为 15郾 0%,细度模数为 2郾 75。 采用相同的混凝土配合比进行不同水泥品种大 坝混凝土性能试验,其中粉煤灰的掺量为 35%,复 掺一定量的缓凝高效减水剂和引气剂。 试验方法参 照 SL3522006水工混凝土试验规程。 32 水利水电科技进展,2014,34(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / kkb. hhu. edu. cn 表 1摇 水泥的化学成分及矿物组成 水泥品种 化学成分质量分数/ %矿物组成质量分数/ % CaOSiO2Fe2O3Al2O3MgOSO3烧失量C3SC2SC3AC4AF 中热硅酸盐水泥60郾 6421郾 485郾 354郾 004郾 671郾 860郾 6144郾 3427郾 841郾 8416郾 28 低热硅酸盐水泥60郾 5723郾 655郾 124郾 444郾 501郾 910郾 8019郾 6443郾 031郾 8816郾 60 表 2摇 水泥的物理力学性能 水泥品种 比表面积/ (m2kg-1) 表观密度/ (gcm-3) 标准 稠度/ % 凝结时间/ min抗折强度/ MPa抗压强度/ MPa 初凝终凝3 d7 d28 d3 d7 d28 d 中热硅酸盐水泥3243郾 1724郾 81572335郾 86郾 89郾 322郾 129郾 348郾 0 低热硅酸盐水泥3213郾 2224郾 31862834郾 410郾 614郾 150郾 1 2摇 试验结果及分析 水工大坝混凝土体积变形的种类依据不同的起 因有不同的分类,其中影响最为显著的是温度变形、 收缩变形以及碱骨料活性膨胀变形等。 2. 1摇 对大坝混凝土温度变形的影响 混凝土随着环境温度的升降而产生的膨胀或收 缩变形称为温度变形。 对于大坝混凝土来说,裂缝 主要是由温度变化引起的,因此如何减小大坝混凝 土的温度变形是一个重要的问题。 不同品种水泥的水化热试验结果见图 1。 由图 1 可见,低热硅酸盐水泥的水化热低于中热硅酸盐 水泥,其 3d 水化热低 32郾 7%,7d 水化热低 23郾 9%。 在相同条件下不同品种水泥配制的混凝土绝热温升 试验结果见图 2。 由图 2 可见,与中热硅酸盐水泥 相比,采用低热硅酸盐水泥配制的混凝土 28 d 的绝 热温升低 2益左右。 图 1摇 不同品种水泥的水化热 2. 2摇 对大坝混凝土收缩变形的影响 大坝混凝土的收缩变形主要是指由于环境湿度 的变化而引起的混凝土干燥收缩变形和在恒温绝湿 条件下由于胶凝材料的水化作用而引起的自生体积 收缩变形。 大坝混凝土的内部不存在干燥收缩问题,但其 表面的干燥收缩会引起表面裂缝,并可能成为进一 步发展为大裂缝的起点,因此混凝土表面干燥收缩 是大坝混凝土体积稳定性的重要组成部分。 不同品 图 2摇 不同品种水泥大坝混凝土绝热温升 种水泥对大坝混凝土干燥收缩变形的影响见 图 3(a)。由图 3(a)可以看出:采用两种水泥配制的 大坝混凝土的干燥收缩变形差异不大,相比而言,采 用低热硅酸盐水泥配制的大坝混凝土的干燥收缩变 形略低于中热硅酸盐水泥配制的大坝混凝土。 图 3摇 不同品种水泥大坝混凝土收缩变形 混凝土的自生体积收缩变形主要是水泥水化过 程中水泥晶体成分的体积变化和水化胶状生成物的 体积变化,不同品种水泥对大坝混凝土自生体积收 缩变形影响见图 3(b)。 由图 3(b)可以看出:采用 低热硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥配制的大坝混凝 土的自生体积变形均为收缩变形,在相同条件下,采 用低热硅酸盐水泥配制的大坝混凝土自生体积收缩 变形要小于采用中热硅酸盐水泥配制的大坝混 凝土。 2. 3摇 对大坝混凝土碱骨料反应膨胀变形的影响 防止混凝土碱骨料反应是当今混凝土工程面临 42 水利水电科技进展,2014,34(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / kkb. hhu. edu. cn 的重要课题之一。 水利水电工程较长的使用寿命要 求和所处的潮湿环境为碱骨料反应提供了充分的时 间和环境条件。 使用非活性骨料对防止水工混凝土 碱骨料反应而言是最安全可靠的措施,但由于活性 骨料分布广泛,以及受工程造价的影响,水工大坝混 凝土有时不得不采用具有一定潜在碱活性的骨料。 不同品种水泥对大坝混凝土碱骨料反应膨胀变 形的影响见图 4。 与中热硅酸盐水泥相比,采用低 热硅酸盐水泥其 14 d 的砂浆碱骨料反应膨胀率减 少了 74郾 1%(见图 4(a),1 a 的混凝土碱骨料反应 膨胀率减少了 57郾 1% (见图 4(b),可见采用低热 硅酸盐水泥有利于减少大坝混凝土碱骨料反应的膨 胀变形。 图 4摇 水泥品种对大坝混凝土碱骨料反应膨胀变形的影响 2. 4摇 机理分析 水泥水化理论研究表明,Ca(OH)2是水泥水化 产物中必然存在的不良组分8。 一方面浆体需要 Ca(OH)2维持一定的碱度来保持 C鄄S鄄H 凝胶的稳 定性,同时 Ca(OH)2又是硅质及硅铝质掺和材料的 碱性激发源;另一方面,浆体中的 Ca(OH)2具有较 高的二次反应能力和一定的溶解度,在不利的环境 中易受到物理化学反应的侵蚀,且 Ca(OH)2易在水 泥浆体与集料界面区域富集并择优取向,形成结构 疏松的界面过渡区,影响水泥混凝土的性能。 水泥 的水化产物主要为 C3S 及 C2S 的水化产物,C3S 与 C2S 具有相同的水化产物,但后者需水量低,水化过 程生成的 Ca(OH)2仅为前者的 1/3。 此外,C2S 的 水化速度慢,有利于生成比较细致的 C鄄S鄄H 凝胶结 构。 由此可见,低热硅酸盐水泥的水化产物较中热 硅酸盐水泥具有更好的结构完整性和耐久性。 在水泥熟料的矿物组成中,C2S 单矿物 28 d 的 水化热只有 C3S 的 1/39。 与中热硅酸盐水泥相 比,低热硅酸盐水泥的 C2S 含量较高,C3S 含量较 低,因此在相同的条件下,采用低热硅酸盐水泥配制 的大坝混凝土的温度变形要小于中热硅酸盐水泥配 制的大坝混凝土。 水泥因配料成分以及生产工艺条件的不同,氧 化镁可以稳定地存在于水泥熟料的各种矿物成分 中,这部分氧化镁和以玻璃相形式存在的氧化镁在 水化过程中不会产生体积膨胀,只有游离态的氧化 镁结晶体(即方镁石)才能产生有效的体积膨胀变 形。 研究表明,煅烧温度是影响方镁石结晶尺寸最 重要的因素10。 煅烧温度越低,形成的方镁石晶体 尺寸越小,晶格畸变越大,活性越高。 与中热硅酸盐 水泥相比,低热硅酸盐水泥的煅烧温度较中热硅酸 盐水泥低(低 100 150益),因此低热硅酸盐水泥中 生成的方镁石活性较高,可以部分补偿混凝土的收 缩变形。 混凝土碱骨料反应膨胀的发生和发展可分为两 个阶段:第一阶段,包含于孔溶液中的碱迁移至活性 骨料表面的物理过程和碱与活性组分反应生成凝胶 的化学过程。 在这个过程中,体系中的碱含量和水泥 水化生成的 Ca(OH)2在骨料碱硅反应膨胀中起促进 作用。 第二阶段为碱硅凝胶的吸水肿胀。 Ca(OH)2 对碱硅反应膨胀的促进作用机理可归结为11: Ca(OH)2可以维持水泥水化产物的高碱度,推动 Na+、K+、OH-与活性集料反应;可以起缓冲液作用,维 持水泥石液相的高 pH;可与活性 SiO2生成不溶物进 一步阻止 SiO2溶出。 与中热硅酸盐水泥相比,低热 硅酸盐水泥可以减少水泥浆体中的Ca(OH)2含量, 从而减少混凝土的碱硅反应膨胀变形。 3摇 结摇 语 如何有效降低混凝土水化热温升、提高大坝混 凝土的体积稳定性、增强大坝混凝土的温控防裂能 力是水工大坝混凝土施工亟待解决的问题之一。 由 于建设速度的加快,建设者往往注重于混凝土的早 期强度,在水工大坝混凝土中选用 C3S 含量较高的 水泥。 但采用 C3S 含量较高的水泥不仅能源消耗 大,环境污染比较严重,而且会导致水泥水化时放热 量加大,使混凝土产生温度变形和收缩变形的机会 变大。 结合西南某水电工程实际开展的试验研究表 明:与中热硅酸盐水泥相比,采用低热硅酸盐水泥可 以有效地减少大坝混凝土的温度变形、收缩变形和 碱活性膨胀变形,从而提高大坝混凝土的体积稳 定性。 参考文献: 1 李文伟,理查德 W 伯罗斯. 混凝土开裂观察与思考 M. 北京:中国水利水电出版社,2013:384鄄392. 2 李华,吴笑梅,樊粤明. 低热水泥的研究现状及展望 J. 广东建材,2006(5):24鄄26. 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( in Chinese) (收稿日期:20130905摇 编辑:刘晓艳) 62