石灰石粉细度和掺量对高温水泥混凝土性能的影响.pdf

试验研究Experimental Research38CHINA CONCRETE 2023.08 NO.170引言混凝土作为主要的建筑结构材料之一，在基础设施建设中举足轻重，混凝土的质量关乎工程服役的安全性和耐久性，然而在实际生产过程中会面临原材料质量波动、混凝土工作性能差、养护不够充分等问题，影响混凝土性能的发展。水泥作为混凝土主要的胶凝材料，通过自身水化和激发粉煤灰、矿粉等活性矿物掺合料二次水化，生成丰富的水化产物，将砂石等其他组分组成牢固的整体。水泥的水化是持续放热的反应过程，通常在3d之内放热量达到峰值1，由于混凝土是热的不良导体，承受巨大的温度应力，极易产生开裂，影响混凝土长期耐久性。影响水泥水化速率因素较多，如反应温度、水泥细度、化学组成等，不恰当的水泥应用会造成负面影响2，而高温水泥（通常60）在出厂后往往来不及陈化冷却就投入混凝土生产，易造成混凝土坍落度损失过快、外加剂适应性不良、现场混凝土早期开裂等各种问题3，因此通过技术途径降低高温水泥给混凝土带来的负面影响是技术人员面临的课题。降低热水泥应用的不良影响，可以通过风冷骨料、冰水拌合、添加水化热抑制剂等技术4-6，增加混凝土中矿物掺合料用量，利用矿物掺合料的“稀释”作用降低混凝土水化热同样成效明显。朴志海等7发现提高粉煤灰掺量可以有效降低混凝土内部温峰、减少水化放石灰石粉细度和掺量对高温水泥混凝土性能的影响张志强方志杰柴雪武金京佩浙江花园新型建材有限公司 浙江 金华 322100摘 要：高温水泥直接应用会对混凝土性能带来不良影响，通过磨细石灰石粉和改变其掺量降低热水泥的负面作用，对工作性能、绝热温升及抗压强度等混凝土性能指标进行研究。结果表明：相同掺量下，石灰石粉细度降低，外加剂用量减少，降低石灰石粉细度和增加掺量都有利于改善混凝土坍落度损失，但会使其凝结时间延长；通过磨细和提高石灰石粉掺量对混凝土内部温升起到调控作用，混凝土的3d和7d抗压强度受掺量影响较大，但通过磨细能够减小因石灰石粉掺量增加对强度的不良影响。关键词：高温水泥；混凝土性能；磨细；掺量；抗压强度Effect of Fineness and Content of Limestone Powder on the Performance of High-temperature Cement ConcreteAbstract:The direct application of high-temperature cement can have adverse effects on the performance of concrete.An attempt was made to reduce the negative effects of high-temperature cement by grinding and changing the amount of limestone powder,and to investigate concrete performance indicators such as workability,adiabatic temperature rise,and compressive strength.The results show that under the same dosage,reducing the fineness of limestone powder reduces the amount of admixture used,and both reducing the fineness and increasing the dosage are beneficial to improving the slump loss,but will prolong the setting time of concrete;by grinding and increasing the amount of limestone powder added,the internal temperature rise of concrete can be regulated.The compressive strength of concrete at 3 and 7 days is greatly affected by the amount of limestone powder added,but grinding can reduce the adverse impact of increased limestone powder content on strength.Key words:High-temperature cement;concrete properties;grinding fine;dosage;compressive strength收稿日期：2023-4-11第一作者：张志强，1976年生，工程师，从事预拌混凝土新技术开发及生产管理研究工作，E-mail：试验研究Experimental Research39总170期 2023.08 混凝土世界热量，在降低混凝土早期水化热方面，粉煤灰相比矿粉表现更为出色。近年来，石灰石粉替代传统矿物掺合料的使用技术日益成熟，且解决了资源短缺难题，张少华等8、VANCE K等9研究认为，石灰石粉可以降低水泥浆体的黏度，降低混凝土水化热、力学和耐久性能。但也有学者10认为石灰石粉通过参与水化反应生成碳铝酸钙，且抑制AFm的生成，对混凝土早期水化有利。不同的研究学者对石灰石粉研究结果不同，与选择样品性质相关，同时石灰石粉掺量和细度也会对结果产生影响。本文主要研究石灰石粉对高温水泥混凝土性能的影响及其在混凝土中的应用。1 材料及方法1.1 试验材料 水泥：海螺PO 42.5R普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1；矿粉：S95矿粉，28d活性指数98%；石灰石粉：石灰石原矿经清洗、烘干、破碎、粉磨筛分制得；细集料：机制中砂，细度模数2.8，含粉率6.0%，MB值1.4；粗骨料：石灰石质，由510mm和1025mm组成的连续级配，针片状含量4.0%，含泥量0.5%，压碎值7.5%，无泥块含量；减水剂：缓凝型聚羧酸高效减水剂，含固量15.0%，无色透明液体，推荐掺量为2.0%左右。水泥、矿粉和石灰石粉的主要化学组成见表2。1.2 试验方法及配合比高温水泥制备：取新进场的热水泥，经测试，内部中心温度为80，放置粘贴XPS保温板的方形铁制容器中，使得水泥保持温度恒定，经测试，水泥中心温度下降幅度小于2/h。不同细度石灰石粉的制备：将洗净后的石灰石进行破碎后分别粉磨15、35、90min，获得的石灰石粉比表面积分别为285、440、805m2/kg。采用C30配合比，以石灰石粉等质量取代水泥，通过调整减水剂掺量，使得混凝土出机坍落度为（22010）mm，表3为具体的配合比。表 2 水泥、矿粉和石粉的主要化学组成%种类SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgONa2OK2OSO3烧失量其他水泥26.5651.678.125.071.350.930.812.702.150.64矿粉38.3044.158.152.160.800.100.095.051.120.08石灰石粉2.1754.211.860.130.560.080.090.2040.570.13表 1 水泥的主要性能指标标准稠度用水量/%初凝时间/min终凝时间/min安定性/沸煮法抗折强度/MPa抗压强度/MPa比表面积/（m2/kg）密度/（kg/m3）3d28d3d28d26.5195240合格6.67.931.649.53403.13表 3 C30混凝土配合比编号水泥/（kg/m3）石灰石粉/（kg/m3）石灰石粉细度/（m2/kg）矿粉/（kg/m3）机制砂/（kg/m3）小石/（kg/m3）大石/（kg/m3）用水量/（kg/m3）外加剂/（kg/m3）C0-1250402854086530073016010.0C0-24409.0C0-38057.6C1-121080285408653007301609.5C1-24408.0C1-38056.6C3-1170120285408653007301609.6C3-24407.8C3-38057.1试验研究Experimental Research40CHINA CONCRETE 2023.08 NO.170混凝土中心温度测试：用塑胶板制作400mm 400mm150mm的长方形容器，四周用角钢固定，内部贴上锡纸，周围用EPS保温板粘贴并上层封闭，使得混凝土处于密闭保温环境，埋置温度传感器在距离底部（755）mm处，用以监测混凝土内部实时中心温度。混凝土性能测试：按照GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准测试混凝土出机坍落度和扩展度、凝结时间；按照GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准测试混凝土设定龄期的抗压强度。2 结果与分析2.1 石灰石粉细度和掺量对高温水泥混凝土工作性能的影响工作性能是保证混凝土顺利浇筑的前提，良好的工作性能要求混凝土具备良好的流动性、粘聚性以及保坍性能，同时具备可控的水化硬化过程。不同石灰石粉细度和掺量混凝土的工作性能测试结果见表4、图1、图2。由表4、图1、图2可知，保持石灰石粉相同掺量的情况下，细度越小，达到相同初始坍落度时，热水泥拌合混凝土所用的外加剂掺量越低。在石灰石粉比表面积相同时，外加剂掺量并不完全随石灰石粉掺量增加而降低，受细度影响，尤其当石灰石粉磨细至805m2/kg时，外加剂掺量最低点在80kg/m3，这是因为石灰石粉经过磨细后，填充效应增强，可以将更多的自由水释放出来，用于混凝土的流动，同时石灰石粉自身密度较小，富浆效应11也使得混凝土流动性改善，外加剂用量降低，但较细的石灰石粉过掺后会形成对水分子的大量包裹，无法参与水泥水化反应，使得混凝土粘聚性和流动性下降，外加剂掺量反而提升。混凝土保坍性能同样受石灰石粉细度和掺量影响，在相同细度的情况下，随着石灰石粉用量的增加，混凝土保坍性能增强，在相同掺量下，石灰石粉细度降低，混凝土保塑效果改善，混凝土坍落度损失减小。而提高石灰石粉掺量或通过机械磨细都会使得混凝土凝结时间延长，这说明石灰石粉本身活性较低，通过降低单位面积水泥的分布密度，延缓水泥水化进程9，热水泥对混凝土凝结时间带来的不利影响得到减弱。表 4 混凝土工作性能测试结果编号初始坍落度/mm1h坍落度/mm初凝时间/h终凝时间/hC0-1220705.07.5C0-2220906.58.0C0-32301406.58.5C1-12251008.010.5C1-22301208.210.5C1-323020010.013.0C3-12201509.512.0C3-222018011.013.0C3-322521011.013.5?图 1 混凝土的坍落度?图 2 混凝土的凝结时间试验研究Experimental Research41总170期 2023.08 混凝土世界2.2 石灰石粉细度和掺量对高温水泥混凝土内部温升的影响水泥水化从加水开始是持续发生的过程，贯穿整个服役的生命周期，但主要集中在早期，一般在72h内混凝土中心温度达到峰值，其后缓慢下降，在水泥水化放热的过程中伴随着温度应力，当温度应力超过混凝土可承受的最大拉力时结构就会出现开裂，随着裂缝的进一步扩大，会危害整体结构的安全，需要格外重视。混凝土内部温升的快慢与水泥组成有关，也与水泥含量正相关，石灰石粉可以对混凝土工作性能造成影响，进而可能会造成混凝土内部温升的波动。不同石灰石粉细度和掺量混凝土的3、12、24、36、72h中心温度监测结果见表5、图3。由表5、图3可知，在不改变石灰石粉掺量和细度时，混凝土内部温升较快，到36h时达到71.8，72h回落至66.7，减小石灰石粉细度后混凝土内部温升趋缓，但即使粉磨至805m2/kg，混凝土内部温度依然达到67，提高石灰石粉掺量，单位面积水泥放热量减少，水泥水化速率变慢，对混凝土内部温升起到了抑制作用。从降低石灰石粉细度方面考虑，磨细后的石灰石粉对水泥浆体的分散作用及对热量的释放具有调节作用，当石灰石粉掺量增加至120kg/m3，比表面积为805m2/kg时，C3-3组混凝土的3h温度相比C0-1组降低9.7，峰值温度降低17.7，混凝土温升曲线明显变缓。总体来看，石灰石粉的加入不同程度降低了监测期内混凝土的内部温度，分析原因，一是石灰石粉自身活性较低，对水泥分布起到了稀释作用，降低水泥分布密度；二是石灰石粉具有富浆作用，有利于热量的散失；三是通过粉磨和提高掺量后混凝土内部温度进一步降低，说明分散和稀释效应对混凝土内部热量分布起主要作用。2.3 石灰石粉细度和掺量对高温水泥混凝土抗压强度的影响根据表3配合比，通过调整外加剂掺量，使得混凝土初始坍落度保持在（22010）mm，成型100mm100mm 100mm的正方形试模，测试混凝土的3、7、28d抗压强度，结果见表6、图4。由表6、图4可知，在未改变石灰石粉掺量时，通过粉磨降低石灰石粉细度有利于混凝土抗压强度增长。粉磨后提高石灰石粉掺量，高温水泥混凝土的3d和7d抗压强度有所下降，但随着龄期增长，混凝土的28d抗压强度能够接近甚至超过基准混凝土。在石灰石粉比表面积为285m2/kg时，提高石灰石粉掺量使混凝土抗压强度下降更为明显，增长也相对缓慢，这是因为较粗的石灰表 5 不同石灰石粉细度和掺量下混凝土的内部温度编号混凝土内部温度/3h12h24h36h72hC0-135.748.556.771.866.7C0-234.847.655.070.565.5C0-332.045.052.967.063.5C1-131.544.052.065.661.0C1-230.643.051.563.358.0C1-329.541.048.858.054.0C3-129.040.247.857.053.6C3-228.038.646.256.352.5C3-326.034.545.054.150.5?图 3 混凝土的内部温度试验研究Experimental Research42CHINA CONCRETE 2023.08 NO.170 表 6 混凝土抗压强度测试结果 MPa编号3d7d28dC0-128.034.637.0C0-228.535.037.7C0-329.536.540.2C1-126.233.036.1C1-227.033.837.7C1-327.835.541.0C3-121.027.335.0C3-221.227.536.5C3-322.028.537.8 参考文献1 葛建华,高雪平.大体积混凝土施工的温升控制措施J.交通科技,2002(5):9-11.2 马振珠,岳汉威,宋晓岚.水泥水化过程的机理、测试及影响因素J.长沙大学学报,2009(2):43-46.3 张璐.水泥温度对混凝土性能的影响探析J.建材发展导向(下),2020,18(1):16-17.4 路璐,李兴贵.大体积混凝土裂缝控制的研究与进展J.水利与建筑工程学报,2012(1):146-150.5 白斯宇,刘凯,刘虎,等.地下变电站大体积混凝土温控抗裂技术研究J.混凝土世界,2022(7):73-76.6 苏轩,孙春辉,牟雨龙,等.水化温升抑制剂在混凝土温度控制中的应用J.混凝土世界,2022(10):65-69.7 朴志海,姚瑞珊,孙明刚,等.粉煤灰掺量对混凝土绝热温升的影响研究J.低温建筑技术,2020,42(7):50-52.8 张少华,卢都友,徐江涛,等.白云石和石灰石微粉对水泥砂浆强度和水化产物的影响J.硅酸盐学报,2016,44(8):1126-1133.9 VANCE K,AGUAYO M,OEY T,et al.Hydration and strength development in ternary portland cement blends containing limestone and fly ash or metakaolin.Cement&Concrete Composites,2013,39(5):93-103.10 李悦,丁庆军,胡曙光.石灰石矿粉在水泥混凝土中的应用J.武汉理工大学学报,2007(3):35-37+41.11 贾煌飞.石灰石粉与辅助性胶凝材料在水泥基材料中的协同效应D.长沙:湖南大学,2017.石粉对混凝土和易性的调节作用较弱，填充效果不足，内部容易形成孔隙，影响了混凝土抗压强度的增长。而通过粉磨获得的石灰石粉填充作用增强，加之石灰石粉对水化进程的调控作用，改善了水泥水化产物的有序排布，对混凝土强度继续增长起到积极作用。结论本文通过制备不同细度的石灰石粉，研究不同掺量石灰石粉对高温水泥混凝土工作性能、温升及抗压强度的影响，得出以下结论：（1）在固定石灰石粉掺量的条件下，混凝土达到相同坍落度所需外加剂掺量随着石灰石粉细度的减小而降低，适当增加石灰石粉掺量，外加剂用量减少，但会受细度影响。混凝土保坍性能同样受石灰石粉细度和掺量影响，降低细度和提高掺量都有利于减小坍落度损失，但会使得高温水泥混凝土凝结时间延长。（2）在不改变石灰石粉掺量和细度时，热水泥混凝土内部温升较快，降低石灰石粉细度后混凝土内部温升减缓，石灰石粉掺量增加后水泥水化速率变慢，说明石灰石粉对水泥颗粒的稀释作用抑制了混凝土内部温升。（3）不改变石灰石粉掺量时，通过磨细提高石灰石粉比表面积有利于高温混凝土抗压强度增长；增加石灰石粉掺量后，通过磨细能够降低高温混凝土3d抗压强度下降幅度，且混凝土28d抗压强度能够接近甚至超过基准混凝土，较粗的石灰石粉在掺量提高后对混凝土抗压强度影响相对显著。图 4 不同石灰石粉细度和掺量下混凝土的抗压强度?