低熱硅酸鹽水泥對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性影響試驗(yàn)

李光偉

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072)

低熱硅酸鹽水泥對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性影響試驗(yàn)

李光偉

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072)

為了探討低熱硅酸鹽水泥對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響,采用SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)方法,研究了低熱硅酸鹽水泥對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:低熱硅酸鹽水泥大壩混凝土具有溫度變形、收縮變形和堿骨料反應(yīng)活性膨脹變形較小的特點(diǎn),與中熱硅酸鹽水泥相比,低熱硅酸鹽水泥可以提高大壩混凝土的體積穩(wěn)定性。

水工材料;低熱硅酸鹽水泥;體積穩(wěn)定性;溫度變形;收縮變形;堿活性膨脹變形

為了節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境并提高混凝土的耐久性,我國從20世紀(jì)90年代開始研究低熱硅酸鹽水泥[1]。低熱硅酸鹽水泥的熟料礦物成分與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相同,區(qū)別在于它是以C2S為主導(dǎo)礦物(C2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40％),具有低水化熱、高后期強(qiáng)度增進(jìn)率、良好的外加劑相容性、優(yōu)異的耐久性等特點(diǎn)[2],配制的水工大壩混凝土具有優(yōu)越的性能[3-5]。

混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土硬化后在非荷載條件下保持其初始幾何尺寸的特性。硬化后的混凝土在非荷載條件下依然會(huì)產(chǎn)生變形,這是由于混凝土內(nèi)部水分的改變,水化反應(yīng)以及環(huán)境溫度、濕度的變化導(dǎo)致混凝土的體積發(fā)生變化[6]。在工程結(jié)構(gòu)中,混凝土的體積變化常受到基礎(chǔ)、鋼筋和鄰接構(gòu)件的約束,其應(yīng)力變化造成混凝土開裂甚至破壞。減小混凝土的體積變形、提高混凝土的體積穩(wěn)定性是解決水工大壩混凝土開裂問題的關(guān)鍵[7]。影響混凝土體積穩(wěn)定性的因素很多,其中水泥品種是影響因素之一。為此,本文結(jié)合西南某水電工程的實(shí)際,對(duì)比不同品種水泥配制大壩混凝土的體積穩(wěn)定性,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行低熱硅酸鹽水泥對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響分析和探討。

1 混凝土原材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用四川嘉華企業(yè)(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)的低熱硅酸鹽水泥,為了便于分析,同時(shí)采用實(shí)際工程中使用的中熱硅酸鹽水泥進(jìn)行比較,水泥的化學(xué)成分及礦物組成見表1,水泥的基本物理力學(xué)性能見表2。

試驗(yàn)采用云南宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰,粉煤灰的細(xì)度為5.3％,需水量比為94.0％。粗骨料為當(dāng)?shù)鼐哂袧撛趬A硅酸反應(yīng)活性的變質(zhì)石英砂巖,其表觀密度為2.69g/cm3,飽和面干吸水率為0.5％。細(xì)骨料為當(dāng)?shù)卮罄韼r,其表觀密度為2.68g/cm3,飽和面干吸水率為1.1％,石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0％,細(xì)度模數(shù)為2.75。

采用相同的混凝土配合比進(jìn)行不同水泥品種大壩混凝土性能試驗(yàn),其中粉煤灰的摻量為35％,復(fù)摻一定量的緩凝高效減水劑和引氣劑。試驗(yàn)方法參照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》。

表1 水泥的化學(xué)成分及礦物組成

表2 水泥的物理力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

水工大壩混凝土體積變形的種類依據(jù)不同的起因有不同的分類,其中影響最為顯著的是溫度變形、收縮變形以及堿骨料活性膨脹變形等。

2.1 對(duì)大壩混凝土溫度變形的影響

混凝土隨著環(huán)境溫度的升降而產(chǎn)生的膨脹或收縮變形稱為溫度變形。對(duì)于大壩混凝土來說,裂縫主要是由溫度變化引起的,因此如何減小大壩混凝土的溫度變形是一個(gè)重要的問題。

不同品種水泥的水化熱試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可見,低熱硅酸鹽水泥的水化熱低于中熱硅酸鹽水泥,其3d水化熱低32.7％,7d水化熱低23.9％。在相同條件下不同品種水泥配制的混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可見,與中熱硅酸鹽水泥相比,采用低熱硅酸鹽水泥配制的混凝土28 d的絕熱溫升低2℃左右。

圖1 不同品種水泥的水化熱

2.2 對(duì)大壩混凝土收縮變形的影響

大壩混凝土的收縮變形主要是指由于環(huán)境濕度的變化而引起的混凝土干燥收縮變形和在恒溫絕濕條件下由于膠凝材料的水化作用而引起的自生體積收縮變形。

大壩混凝土的內(nèi)部不存在干燥收縮問題,但其表面的干燥收縮會(huì)引起表面裂縫,并可能成為進(jìn)一步發(fā)展為大裂縫的起點(diǎn),因此混凝土表面干燥收縮是大壩混凝土體積穩(wěn)定性的重要組成部分。不同品種水泥對(duì)大壩混凝土干燥收縮變形的影響見圖3(a)。由圖3(a)可以看出:采用兩種水泥配制的大壩混凝土的干燥收縮變形差異不大,相比而言,采用低熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土的干燥收縮變形略低于中熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土。

圖2 不同品種水泥大壩混凝土絕熱溫升

圖3 不同品種水泥大壩混凝土收縮變形

混凝土的自生體積收縮變形主要是水泥水化過程中水泥晶體成分的體積變化和水化膠狀生成物的體積變化,不同品種水泥對(duì)大壩混凝土自生體積收縮變形影響見圖3(b)。由圖3(b)可以看出:采用低熱硅酸鹽水泥和中熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土的自生體積變形均為收縮變形,在相同條件下,采用低熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土自生體積收縮變形要小于采用中熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土。

2.3 對(duì)大壩混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹變形的影響

防止混凝土堿骨料反應(yīng)是當(dāng)今混凝土工程面臨的重要課題之一。水利水電工程較長的使用壽命要求和所處的潮濕環(huán)境為堿骨料反應(yīng)提供了充分的時(shí)間和環(huán)境條件。使用非活性骨料對(duì)防止水工混凝土堿骨料反應(yīng)而言是最安全可靠的措施,但由于活性骨料分布廣泛,以及受工程造價(jià)的影響,水工大壩混凝土有時(shí)不得不采用具有一定潛在堿活性的骨料。

不同品種水泥對(duì)大壩混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹變形的影響見圖4。與中熱硅酸鹽水泥相比,采用低熱硅酸鹽水泥其14 d的砂漿堿骨料反應(yīng)膨脹率減少了74.1％(見圖4(a)),1 a的混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹率減少了57.1％(見圖4(b)),可見采用低熱硅酸鹽水泥有利于減少大壩混凝土堿骨料反應(yīng)的膨脹變形。

圖4 水泥品種對(duì)大壩混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹變形的影響

2.4 機(jī)理分析

水泥水化理論研究表明,Ca(OH)2是水泥水化產(chǎn)物中必然存在的不良組分[8]。一方面漿體需要Ca(OH)2維持一定的堿度來保持C-S-H凝膠的穩(wěn)定性,同時(shí)Ca(OH)2又是硅質(zhì)及硅鋁質(zhì)摻和材料的堿性激發(fā)源;另一方面,漿體中的Ca(OH)2具有較高的二次反應(yīng)能力和一定的溶解度,在不利的環(huán)境中易受到物理化學(xué)反應(yīng)的侵蝕,且Ca(OH)2易在水泥漿體與集料界面區(qū)域富集并擇優(yōu)取向,形成結(jié)構(gòu)疏松的界面過渡區(qū),影響水泥混凝土的性能。水泥的水化產(chǎn)物主要為C3S及C2S的水化產(chǎn)物,C3S與C2S具有相同的水化產(chǎn)物,但后者需水量低,水化過程生成的Ca(OH)2僅為前者的1/3。此外,C2S的水化速度慢,有利于生成比較細(xì)致的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)。由此可見,低熱硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物較中熱硅酸鹽水泥具有更好的結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。

在水泥熟料的礦物組成中,C2S單礦物28 d的水化熱只有C3S的1/3[9]。與中熱硅酸鹽水泥相比,低熱硅酸鹽水泥的C2S含量較高,C3S含量較低,因此在相同的條件下,采用低熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土的溫度變形要小于中熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土。

水泥因配料成分以及生產(chǎn)工藝條件的不同,氧化鎂可以穩(wěn)定地存在于水泥熟料的各種礦物成分中,這部分氧化鎂和以玻璃相形式存在的氧化鎂在水化過程中不會(huì)產(chǎn)生體積膨脹,只有游離態(tài)的氧化鎂結(jié)晶體(即方鎂石)才能產(chǎn)生有效的體積膨脹變形。研究表明,煅燒溫度是影響方鎂石結(jié)晶尺寸最重要的因素[10]。煅燒溫度越低,形成的方鎂石晶體尺寸越小,晶格畸變?cè)酱?活性越高。與中熱硅酸鹽水泥相比,低熱硅酸鹽水泥的煅燒溫度較中熱硅酸鹽水泥低(低100～150℃),因此低熱硅酸鹽水泥中生成的方鎂石活性較高,可以部分補(bǔ)償混凝土的收縮變形。

混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹的發(fā)生和發(fā)展可分為兩個(gè)階段:第一階段,包含于孔溶液中的堿遷移至活性骨料表面的物理過程和堿與活性組分反應(yīng)生成凝膠的化學(xué)過程。在這個(gè)過程中,體系中的堿含量和水泥水化生成的Ca(OH)2在骨料堿硅反應(yīng)膨脹中起促進(jìn)作用。第二階段為堿硅凝膠的吸水腫脹。Ca(OH)2對(duì)堿硅反應(yīng)膨脹的促進(jìn)作用機(jī)理可歸結(jié)為[11]:Ca(OH)2可以維持水泥水化產(chǎn)物的高堿度,推動(dòng)Na+、K+、OH-與活性集料反應(yīng);可以起緩沖液作用,維持水泥石液相的高pH;可與活性SiO2生成不溶物進(jìn)一步阻止SiO2溶出。與中熱硅酸鹽水泥相比,低熱硅酸鹽水泥可以減少水泥漿體中的Ca(OH)2含量,從而減少混凝土的堿硅反應(yīng)膨脹變形。

3 結(jié)語

如何有效降低混凝土水化熱溫升、提高大壩混凝土的體積穩(wěn)定性、增強(qiáng)大壩混凝土的溫控防裂能力是水工大壩混凝土施工亟待解決的問題之一。由于建設(shè)速度的加快,建設(shè)者往往注重于混凝土的早期強(qiáng)度,在水工大壩混凝土中選用C3S含量較高的水泥。但采用C3S含量較高的水泥不僅能源消耗大,環(huán)境污染比較嚴(yán)重,而且會(huì)導(dǎo)致水泥水化時(shí)放熱量加大,使混凝土產(chǎn)生溫度變形和收縮變形的機(jī)會(huì)變大。結(jié)合西南某水電工程實(shí)際開展的試驗(yàn)研究表明:與中熱硅酸鹽水泥相比,采用低熱硅酸鹽水泥可以有效地減少大壩混凝土的溫度變形、收縮變形和堿活性膨脹變形,從而提高大壩混凝土的體積穩(wěn)定性。

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Investigate the effect of low heat Portland cement on concrete dam volume stability

//LI Guangwei(Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,China)

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(SL352-2006)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.

hydraulic material;low heat Portland cement;volume stability;temperature deformation;shrinkage;swelling alkali reactivity

TV431

:A

:1006-7647(2014)06-0023-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.005

2013-11-22 編輯:胡新宇)

李光偉(1962—),男,湖北武漢人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事水工混凝土性能試驗(yàn)研究。E-mail:lguangwei@chidi.com.cn