水泥细度对碾压混凝土性能的影响.pdf

第3 0卷第 2 期 V 0 J 3 0 N o 2 水 利 水 电 科 技 进 展 A d v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r Re s o u r c e s 2 0 1 0年 4月 A p r 2 0 1 0 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 - 7 6 4 7 2 0 1 0 0 2 0 1 9 水泥细度对碾压混凝土性能的影响 蔡跃波 ， 石 泉2 ， 丁建彤 ， 陈 波 ， 龚 英 ( 1 南京水利科学研究院， 江苏 南京2 1 0 0 2 9 ； 2 新疆维吾尔自治区水利厅 ， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘要： 为探 索粗磨水泥用于碾压混凝土的可行性 ， 研 究了普通硅酸盐水泥与用水泥熟料磨制的 2个 细度的粗磨水泥对碾压混凝土工作性、 抗压强度、 轴拉性能、 耐久性及绝热温升的影响。结果表明， 粗磨水泥减 小了混凝土的 V C值 ， 提 高了混凝土的施工性能； 粗磨水泥配制的碾压混凝土满足设计 要求， 且强度有较 大的富余 ； 与普通硅酸盐水泥相比， 粗磨水泥降低混凝土绝热温升 8 31 2 3。 关键词： 水泥细度 ； 碾压混凝土； 工作性 ； 力学性 能； 绝热温升 ； 耐久性 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 7 5 0 4 I n f l u e n c e s o f e e r l n t l j l1 e l l e 璐 O n p r o p e r ti e s of r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e C A I Y u e b o ，S H I Q u a n 2 ，D I N G J i an t o n g ， C H E N B o ， G O N G Y i n g ( 1 N a n j i n gH y d r a u l i c R e s e a r c h l us t i t u t e ，N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 ，C h n a； 2 D e p a r t m e n t o fW a t e r R e s o u r c e s o f ， U y g u r A u t o n o m o u s R e g i o n，U r u mq i 8 3 0 0 0 0 ，C h i n a) A b s t r a c t ：I n o r d e r t o i n v e s t ig a t e t h e f e a s i b i l i ty o f a p p l i c a t i o n o f c o a r s e g r o u n d c e m e n t i n mi l e r c o m p a c t e d c o n c r e t e( R C C ) ，t h e i n fl u e n c e s o f the o rdi n a r y P o r t l and c e m e n t an d 2 k i n d s o f c 0 a r s e g r o u n d c e me n t g r o u n d b y c e me n t c l i n k e r o n t h e w o r k a b i l i t y c o mp r e s s i v e s t r e n g t h t e n s i l e p rop e r t i e s d u r a b i l i t y a n d a d i a b a t i c t e mp e r a t ure r i s e o f RC C w e re s t u d i ed 1 1 1 e res u l t s s h o w t h a t the c o a r s e g r o u n d c e me n t r e d u c es t h e VC v a l u e o f the c o n c r e t e a n d i mp rov e s i t s c o n s t r u c t i o n pe r f o r ma n c e I 1 1 e RC C p repa , ed b y the c o a r s e g r o un d c e me n t s a t i s fi e s t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s an d i ts me c h a n i c al p rop e r t i es h a v e c o n s i d e r a b l e s u r p l u s T h e 2 k i n d s o f c o a r s e g r o u n d c e m e n t i n thi s s t u d y r e d u c e s the a dia b a t i c t e mperat u r e ri s e o f 8 3 1 2 3 c o mp a r e d wi t h t h e o r d i n a r y P o r t l and c em ent Ke y wo r d s ：c e me n t fi n e n e s s ；mi l e r c o mpac t ed c o n c ret e ；w o r k abi l i t y ；me c h a n i c al p r o p e r t y ；a d i a b a t i c t e mperat u re ri se；d u r a b i l i ty 为避免温度裂缝 的产生， 大型水利水电工程大 体积混凝土施工， 除在结构设计 和施工工艺方面进 行改进外 ， 还希望水泥 的水化热尽量低。龙滩 、 锦 屏 、 官地等水电站工程 l J J 均采用限制比表面积的中 热硅酸盐水泥。G B 2 ( X ) - -2 0 0 3规定 ， 中热硅 酸盐水 泥熟料要求硅酸三钙 ( 3 C a O S i O 2 ) 的质量分数 应不 超过 5 5 ， 铝酸三钙( 3 C a O A 1 O s ) 的质量分数应不 超过 6 ， 游离氧化钙的质量分数应不超过 1 。除 规定抗压及抗折 强度要求 外 ， 还要求 3 d水化热小 于 或 等 于 2 5 1 k J k g ， 7 d水 化 热 小 于 或 等 于 2 9 3 k J k g 。受水泥原材料成分及生产工艺的限制 ， 一 般水泥厂均需经过专门的工艺研 究和试验 ， 才能 生产合格的中热硅酸盐水泥 ， 使水化热相对较低的 中热硅酸盐水泥的应用受到了制约。因此， 有必要 找到一种水化热低 、 生产工艺简单的水泥。 西北地 区某水利枢纽碾压混凝土坝 由于地处高 寒 、 高温差地区， 昼夜温差和年较差大， 施工期间会 带来 2 56 0的坝体内外温差 。在现有的温控防 裂措施基础上 ， 如何进一步提高混凝土的抗裂性是 一 个迫切需要解决的问题。采用水泥熟料直接生产 细度较大 、 比表面积小的粗磨水泥来配制低热混凝 土是一个具有 良好技术经济性 的方案 J 。在兼顾力 学性能要求的同时， 直接通过细度来控制水泥的水 化热 ， 不必像 中热硅酸盐水泥那样 ， 考虑水泥熟料的 矿物成分及其 比例 。粗磨水泥不仅能降低早龄期混 凝土的开裂 风险 ， 而且有 利于提 高混凝 土 的耐 久 性 4 - 6 。同时也扩大了水泥原材料的来源 ， 简化了生 产工艺 ， 降低了能耗。 本文针对工程需要， 研究 了普通硅酸盐水泥及 采用水泥熟料磨制的粗磨水泥对碾压混凝土的工作 性 、 力学性能 、 耐久性 及绝热温升等性能的影响 ， 论 证采用粗磨水泥配制碾压混凝土的技术可行性。 基金项 目： 国家 自然科学基金委员会 、 二滩水电开 发有限责任公司雅砻江水电开发联合研 究基 金( 5 0 5 3 9 ( 1 4 0 ) ； 水利部公益性行业科研专项 经费项 目( 2 0 0 7 0 1 0 1 4 ) 作者简介 ： 蔡跃波( 1 9 5 8 一 ) 男 ， 江西铅 山人， 教授级高级工程师 ， 硕士， 从事水工材料研究。E m a i l ： y b c a i n h r i c a 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - t ro t ： j z h h u e d u c n h t t p ： k k b h h u e d u c a 。 7 5 。 1 原材料及试验方法 水泥 ： 某水泥厂专门试生产的 2种细度 的粗磨 水泥( 水泥熟料磨 细后加 5 的石膏 ) ， 比表面积分 别为 3 0 4 m 2 k g和 3 3 6 m 2 k g ； 某工程采用的比表面积 为 3 9 8 m 2 k g ( 典型细度 ) 的 P 0 4 2 5水泥 。水泥的 化学成分及基本性能指标 ， 见表 1 和表 2 。 粉煤灰 ： 细度 6 0 ， 需 水量 比 9 9 ， 烧 失 量 5 7 0 ， 密度 2 2 6 g e ra 3 。 水洗天然砂 ： 饱 和面干吸水率 1 1 4 ， 表 观密 度 2 6 1 0 k g m 3 ， 细度模数 2 4 4 。 粗骨料 ： 52 0n 1 ， 2 04 0 1 i1 1 1 1 ， 40 8 01 1 1 1 1 三级 配片麻 黄 岗岩。饱和面 干吸水 率分 别为 1 4 0 ， 1 1 0 ， 0 8 4 ， 表 观 密 度 分 别 为 2 6 4 O k g m 3 ， 26 6 0k g m3 ， 26 6 0k g m3 。 石粉 ： 石灰石粉 ， 0 0 8 0 i l l l n筛余量为 6 9 。 b J n 剂： 聚羧酸系缓凝型高效减水剂及引气剂 。 按照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 进行 碾压 混凝 土 配合 比设计 及相 关性 能 试验 。按 照 G B T 1 2 9 5 9 - - 2 0 0 8 水泥水化热测定方法 溶解热法 进行水化热测试。 2 水泥 的水化热及物理 力学性能 2 1 水泥水化热 水化热测试采用无锡建仪仪器机械有限公司生 产的 S H R 6 5 0 1 I 型水化热测定仪进行。3种水泥的 水化热见表 3 。 从表 3可以看 出， C 3 04 和 C 3 3 6水泥的水化热 明显降低。与较细的 1 ：O 3 9 8普通硅酸盐水泥相 比， C 3 04 水泥各龄期 的水化 热分别降低 了 1 2 ， 7 ， 1 6 和 1 4 ； C 3 3 6 水泥的水化热分别降低了 1 1 ， 1 ， 1 0 和 9 。应注意到 ， 普通硅酸盐水泥 已掺 加了 9 的混合 材， 但它的水化热依然较熟料磨制 的粗磨水泥高出 1 0 左右。在熟料矿物成分大致 相同的情况下， 减小水泥的比表面积是降低水化热 的有效措施。同时还可以看出， 以 2 8 d龄期 的放热 量为基准时 ， 粗磨水泥的放热速率与普通硅酸盐水 泥基本相当， 因此 ， 不会 出现早期放热量低 、 后期放 热量高的现象。 2 2 水泥的物理力学性能 比较 3种水泥 3 d ， 7 d ， 2 8 d和9 0 d 龄期 的力学性 能指标 ， 如表 4所示 。C 3 04 和 C 3 3 6水泥 2 8 d龄期 的胶砂抗压强度分别为 3 7 4 M P a和 3 9 8 M P a ， 均小 于 4 2 5 M P a 。2种粗磨水泥各龄期的胶砂抗压强度 虽小于 P O 3 9 8 水泥， 但粗磨水泥的后期强度仍有较 大增长空间。2 种粗磨水泥 3 d 和 7 d 胶砂抗折强度 明显小于 P O 3 9 8 水泥 ， 但 2 8 d和 9 0 d龄期的胶砂抗 折强度已接近于 I O 3 9 8水泥。水泥细度对 2 8 d 之内 的强度有较大影响 ， 但对抗折强度的影响小于对抗 压强度的影响。 表 1 水泥的化学成分 注 ： *表示估算值 ， 按照水化热与龄期的双曲函数关系推算而得( 双曲函数形式 Q( t ) =Q *( n+t ) ， 其 中 Q 为最终水化热 ， t 为龄期， o为水化热达到一半时 的龄期) 。 表4 水泥的力学性能指标 。 7 6 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a g： h h u e d u C lZ 加 ： ld h h u e d u c n 人们对粗磨水泥应用的担心主要来自于其较低 的早期强度。对于 内部碾压混凝土而言， 实际温度 场下， 混凝土的温度长期处在高于标准养护的2 0 的状态， 在这种情况下 ， 混凝土强度 的发展要 比标准 养护试件的强度快_ 7 J 。这有助于消除对早期强度不 足的担忧。 3 混凝土试验 3 1 混凝土配合比 某水利枢纽内部碾压混凝土设计要求 ： 强度等 级为 R l 8 0 1 5 W4 F 5 0 ， 强度保证率为 8 0 ， 极限拉伸值 大于 0 7 0 1 0 ， V C值为 5 8 S 。 试验所用碾压 昆凝土配合比见表 5 。考虑到普 通硅酸盐水泥 中掺有 9 的混合料 ， 以保证水泥熟 料和胶凝材料的质量相 同为原则， 设计混凝土配合 比。通过试拌发现， 当 P 3 0 4混凝土采用的减水剂和 引气剂掺量与 P O和 P 3 3 6混凝土相 同时， 混凝土 已 有坍落度， 因此适当降低该配合比外加剂的量。 3 2 试验结果及分析 3 2 1 混凝土力学、 变形及耐久性能 混凝土工作性 、 抗压强度 、 轴拉性能 、 抗冻及抗 渗性能试验结果见表 6 。 P 3 0 4混 凝 土在 减 水 剂 用 量 比 P O 混 凝 土 低 0 1 的情况下 ， V C值仍 明显降低 、 含气量增大 ， 主 要是因为粗磨水泥 比表面积小 、 需水量低 。在骨料 级配相 同的情况下， 粗磨水泥会明显 改善碾压混凝 土的工作性能 ， 加速液化泛浆 ， 降低 V C值 ， 提高施 工性能。 粗磨水泥尽管会降低抗压强度 ， 但仍然能够配 制满 足要求 的碾压混 凝土 。P 3 0 4和 P 3 3 6混凝 土 1 8 0 d龄期的强度分别为 2 4 5 M P a 和 2 7 8 MP a ， 明显 大于 1 8 0 d龄期的配制强度要 求( 1 7 9 MP a ) 。强度 富余程度高达 3 7 和 5 5 。这从 另外一个方面消 除了人们对粗磨水泥在 2 8 d 龄期强度低于 4 2 5 MP a 的担忧。 在 1 8 0d龄期时 ， P 3 0 4混凝土轴心抗 拉强度 比 P 3 3 6 混凝土的略高 ， 且与 P O混凝土基本相 当； P 3 0 4 和 P 3 3 6混凝土的极限拉伸值均与 P O混凝土的基本 相当， 且均满足 1 8 0 d龄期的极 限拉伸值设计要求 ( 0 7 01 0 ) ； P 3 0 4混凝土 的抗拉弹性模量 比 P 3 3 6 混凝土的略高， 与 P O混凝土的差异不大。可见 ， 虽 然粗磨水泥配制的混凝土 9 0 d龄期的轴拉性能稍逊 于 P O混凝土， 但在 1 8 0 d龄期时已基本相当。 3 组混凝 土在 9 0d龄期时， 抗冻及抗渗性能均 已满 足设 计要 求 的 F 5 0和 W4 ， 耐久 性 满足 设计 要求 。 综合考虑混凝土各项设计指标值 ， 当水泥 比表 面积降至 3 0 4 m Z k g 时 ， 所配制的混凝土充分满足设 计要 求 。文 献 8 表 明 ， 当水 泥 比表 面 积 降 至 2 6 0 m 2 k g T右时， 依然能满足混凝土的设计要求 ， 因 此要根据不同水泥的矿物成分来确定合适的细度 。 3 2 2混凝 土绝 热温升 应用粗磨水泥的最终 目的是降低混凝土的绝热 温升， 提高混凝土的抗 裂性。为考察粗磨水泥对混 凝土绝热温升 的降低效果， 采用 H R 一 2型混凝 土热 物理参 数 测定 仪测 定 了 3组 混凝 土 的绝 热 温升 ( 图 1 ) 。 图 l 水泥细度对碾压混凝土绝热温升的降低效果 表 5 碾压 混凝土 配合 比 工作性参数 二 二 二 匦 出机 1 5 m i n 出机 1 5 m i n P O 0 7 1 6 5 3 4 1 P 3 0 4 0 3 0 5 8 0 5 4 P 3 3 6 0 4 0 9 4 3 3 4 抗 压 强 度 M P a 极 限 拉 伸 值 J旷 4 簇 警 7d 2 8d 9 0d 7 4 1 4 9 2 4 5 4 8 1 0 2 1 6 6 5 5 9 9 l 8 0 1 8 0d 9 0d 31 8 1 8 2 2 4 5 1 5 0 2 7 8 1 6 8 注： 混凝土的抗冻性( 9 0d ) 均满足 F 5 0 ， 抗渗性均满足大于 W4的要求 。 水利水 电科技进展， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a d： e d u E n h t tp： k k b h h u e d u m 7 7 一一一一一 表 7 R C C绝热温升实测值及最 终温升预测值 注 ： 拟合公式 r， ： ( 1 一。 ) ， 其 中 为龄期 ， 为最终 温升值 ， 为某龄期的绝热 温升值 ， 。和 6 为拟合参数。 由图 1 可知 ， 在潜伏期内， 3组混凝土温升基本 接近； 快速升温阶段 ， P O混凝土 的温升速度 明显快 于 P 3 0 4和 P 3 3 6混凝 土。以 3 d ， 7 d ， 1 4 d和 2 8 d等 4个龄期为例 ， 与 P O混凝土相 比， P 3 o 4混凝土 的温 升值分别降低了 2 8 oC ， 6 3 ， 9 5 clC 和 1 1 8 o C ； P 3 3 6混 凝 土 分 别 降 低 了 3 2， 5 8， 7 8， 8 6 o C。由表 7给出的拟合结果可知 ， 与 P O混凝土 相比， P 3 o 4混 凝土 的最终 温升值 降低 了 1 2 3， P 3 3 6 混凝土的最终温升值降低了 8 3 。采用粗磨 水泥降低绝热温升的效果非常显著。 4 结语 目前， 在工 程实践 中， 为 了提 高混凝 土的抗裂 性 ， 往往采取预冷骨料 、 冰水拌和 、 预埋冷却水管 、 外 部保温等技术措施。这些措施有效可行 ， 但其经济 成本高昂， 增加施工工序。采用粗磨水泥有效地降 低了水泥的水化热和混凝土绝热温升， 能够 配制满 足力学、 变形及耐久性要求 的碾压混凝土。粗磨水 泥降低了水泥磨制的能耗 ， 不增加任何施工工序 ， 改 善了混凝 土的施 工性 能， 提高 了 昆凝土 的抗裂性。 在碾压混凝土中应用粗磨水泥是可行的技术措施。 参考文献 ： 1 陆海， 刘品洪， 向开伟， 等 龙滩工程中热水泥的研制与 +” +” +- +一 +一 +” +一 +” +一 +- + 十一+一 + +一 +* +“ +- + + 生产 E B O L 2 0 0 9 - 0 1 1 9 h t t p ： w w w g x s t i n e t e n 2中国电力工程招标中心 四川省雅砻江官地水电站中 热硅酸盐水泥采购招标公告 E B O L 2 0 0 8 0 7 1 4 h t t p： w ww c n b i d d i n g c o rn 3 龚英 水泥细度对碾压混凝土抗裂性的影响 D 南京： 南京水利科学研究院， 2 0 0 8 【 4 j D A L E P B ， G A U R A V S ， J A S O N W E a r l y a g e p ro p e r t i e s o f c e m e n t b a s e d m a t e r i a l s I： i n fl u e n c e of c e m e n t fi n e n e s s l J j J Ma t i n C i v E n g r g ， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 7 ) ： 5 0 2 5 0 8 ， l 5 J D A L E P B ， E D WA R D J G， C L A U S J H， e t a 1 E ff t s o f c e m e n t p a r t i c l e s i z e d i s t ri b u t i o n o n p e rf o r ma n c e p roper t i e s o f P o r t l a n d c e m e n t b a s e d m a t e ri a l s J C e m e n t and C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 9， 2 9 ： 1 6 6 3 1 6 71 【 6 j H A R O L D W B ， R I C H A R D W B C o a r s e - g r o u n d c e m e n t m a k e s m o r e d u r a b l e c o n c r e t e I J J o u rn a l of t h e A m e ri c an C o n c r e t e I n s t i t u e t e， 1 9 51， 1 ： 3 5 3 3 6 0 7 钱文勋， 张燕迟， 蔡跃波 ， 等 考虑内部温度历史的大坝 混凝土强度发展 J 水利水运工程学报， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 0 5 3 8石泉， 龚英， 蔡跃波， 等 水泥比表面积对碾压混凝土力 学性能的影响 J 水利水运工程学报， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 4 4 9 9朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国电力 出版社 ， 1 9 9 9 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 5 0 7 编辑 ： 方宇彤) 卜 _” 卜 + 一+“ 卜”+” 卜 +” 卜n 卜”+”+”+“+一+一+ ， +”+ +”+一+一 + 简讯 河海大学参建的苏通长江公路大桥获美国土木工程协会大奖 2 0 1 O年 3月 2 6日举行的美国土木工程师协会 2 0 1 0年度颁奖大会上， 苏通长江公路 大桥 ( 简称 苏通大 桥 ) 从入 围的 5 项重大工程 中脱颖而出， 获得 2 0 1 0年度土木工程杰 出成就 奖。这是 苏通大桥继荣获 国际桥 梁大会乔治理查德森奖、 江苏省科技进步一等奖后获得的又一大奖， 也是 中国工程项 目首次获此殊荣。颁奖 委 员会认为， 苏通大桥是全球首座超千米跨径斜拉桥， 在线性优 美和技 术领先的同时， 在施工和环保 方面保 持 了完美的平衡 ， 是对现代桥梁建设理念很好的诠释， 对今后桥 梁建设和管理都有极大的促进。 河海大学参与了苏通 大桥的建设， 并在江苏省、 交通部 于 2 0 0 5年 1 O月召开的“ 苏通 大桥科技创新工作 会议” 上， 成为唯一囊括 4 种奖项的单位： 学校被授予“ 苏通大桥科技创新工作先进单位” ， 索塔地基基础稳定 与安全监测专题组获评“ 苏通大桥科技创新工作先进班组” ， 陈志坚教授获评“ 苏通大桥科技创新工作先进个 人” ， 朱俊高教授等撰写的论文 苏通大桥主桥墩超长桩群桩基础的工作性能 获评“ 优秀论文” 。 美国土木工程协会成立于1 8 5 2 年， 所服务的会员有来自1 5 9个国家超过 l 3万的专业人员， 是目前世界 上最大、 最有影响力的土木工程协会。该协会的土木工程杰出成就奖设立于 1 9 6 0年， 用于表彰近期完成的 在世界范围内对社会发展有重大贡献的土木工程项 目及其 团队领导人。 ( 本刊编辑部供稿) 7 8 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) T e ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a d： 丘 e d u C n h t t p ： k k b h h u e d u c n