胶凝材料组成对高强混凝土早期温升的影响.pdf
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1、2 0 1 4年 第 3期 (总 第 2 9 3 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 3 0 0 1 胶凝材料组成对高强混凝土早期温升的影响 崔强 。王栋 民 ,阎培渝 ( 1 中国矿业大学 ( J L 京)化学与环境工程学院 ,北京 1 0 0 0 8 3 ;2 清华大学 土木系,北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要: 分别
2、在 2 5 、 5 O条件下测定了水泥、 水泥一 矿渣 、 水泥一 粉煤灰一 硅灰三种不同胶凝材料的水化放热特性 , 并测定了分别 用三种胶凝材料配制的相同强度等级的混凝土的绝热温升。 试验结果表明: 无论在常温还是高温条件下, 水泥一 粉煤灰一 硅灰体系 的水化放热速率始终低于纯水泥体系; 水泥一 矿渣体系的水化放热速率在水化减速期的后阶段超过纯水泥体系, 使其与纯水泥体 系的放热量差距缩小 ; 提高水化温度对水泥一 矿渣体系的水化促进作用非常明显。 混凝 土的初期绝热温升与其胶凝材料在常温条 件下的水化放热特性相关性强, 随着内部温度的增大 , 绝热温升与其胶凝材料在高温条件下的水化特性具
3、有更好 的相关性 。 关键词: 粒化高炉矿渣 ;粉煤灰 ;硅灰 ;绝热温升 ;水化热 中图分类号: T U 5 2 8 O 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 0 1 0 3 I n f l u e n c e o f c e me n t it i ou s ma t e r i a l c omp os i t i o n on t h e e a r l y t e mp e r a t u r e r i s e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e C 叫 ( a
4、ng , WA NGDo n g m i n , Y A NP e i y u ( 1 S c h o o l o f C h e m i c a l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n g , C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ; 2 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g , T
5、 s i n g h u a U n i v e r s i ty, B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 , C h i n a ) Abs t r a c t : The e x ot h e r mi cp r o pe r t i e s o fc e me n t , c e me nt - g g b s, c e me n t fl y a s h s i l i c af umewe r ed e t e r mi ne dun d e r t h e c o n d i t i o ns o f2 5 an d 5 0 r e s p e c t i v e l
6、 y I n t h e me a n wh i l e , the a d i a b a t i c t e mp e r a t u r e r i s e s o f t h e c o n c r e t e s p r e p a r e d b y t h e t h r e e b i n d e r s wi th t h e s a me s t r e n g t h g r a d e we r e de t e r mi n e d Th e r e s u l t s s ho w tha t the e x o t he rm i c r a t e ofc e
7、me n t - f l y a s h s i l i c a f u me i s l o we r t h an tha t o f pu r e c e me n t at e a c h p e rio d u n de r wh e t he r 25 o r 50 Th e e x o the r mi c r a t e o f c e me n t gg b s e x c e e ds that o fp u r e c e me n t at t h e l a t e de c e l e r a t i o n pe rio d wh i c h de c r e a
8、 s e s the di ffe r e nc e o f h y d r a t i o n he a t be t we e n t h e tw o c e me n t i t i o u s s y s t e ms Th e i nflu e nc e o f i n c r e a s i n g hy d r ati o n t e mpe r a t u r e o n t h e h yd r a t i o n of c e me n t g g bs i s t h e mos t s i gn i fic an t The di s c i pl i n e o f
9、the i ni t i a l a di a ba t i c t e mpe r a t u r e r i s e s o f c o n c r e t e s an d t he i r c e me n t i t i o us ma t e r i a l s e x o t he r mi c pr op e r t i e s un de r n o rm a l t e mp e r a t u r e c o n d i t i o ns ha ve a s t r o n g c o r r e l a t i o n As t h e t e mpe r a t u
10、r e r i s e s i n s i d e t h e c o n c r e t e s , t h e d i s c i p l i n e o f t h e a d i a b a t i c t e m p e r a t u r e ri s e s a n d t h e i r c e m e n t i t i o u s ma t e ri a l s e x o the r m i c p r o p e i e s u n d e r h i g h t e m p e r a tu r e c o nd i t i o n s h a ve a b e t
11、t e r c o r r e l a t i o n Ke yw or ds: g r a n u l ate dbl a s t f ur n a c e s l a g; flya s h; s i l i c af u me; a d i a b a t i ct e mpe r a t u r e r i s e ; h ydra t i o nhe a t 0 引 言 胶凝材料用量大是高强混凝土材料组成 的重要特点 , 导致高强混凝 土的早期水化放热量大 。 高强混凝土构件多 数应用在柱和梁等关键结构部位, 构件截面尺寸较大, 混凝 土构件内部热量散失缓慢 , 导致构件内部温升很高
12、, 高强 混凝土构件 内部最大温 升超过 5 0是很常见 的现象 。 高 温加速 了胶凝材料 的水化速率 , 增大 了混凝土的早期收缩 , 此外 , 降温过程 中产生 的温度应力较 大 , 从 而使 混凝 土构 件具有 比较大的开裂风险 。 降低高强混凝土的早期温升是 降低其开裂风险的重要途径之一 。 现代混凝土的配合比设计中往往采用一定量的矿物 掺合料。 矿物掺合料在? 昆 凝土 中能够起到多种作用 , 改善流 动性、 减少泌水 、 减少收缩 、 降低水化热等【 -4 。 对于高强混 凝土而言 , 矿物掺合料对其水化放热 的影响是非常值得关 收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 9 3 0
13、基金项 目:国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 8 2 7 7 ) 注的, 因为这与影响高强混凝土早期体积稳定性的很多因 素密切相关 。 本试验选择了工程上常用的矿渣 、 粉煤灰和硅 灰这三种矿物掺合料 , 配制了不 同胶凝材料组成的 C 7 0 高 强混凝 土, 研究了不同胶凝材料组成 的水化放热性能及其 对高强混凝土绝热温升的影响。 1 原材料与试验方法 1 1 原材料 试验所用 的胶凝材料是 P I 4 2 5 级水泥 、 I I 级粉煤灰 、 $ 9 5 级磨 细高炉矿渣粉和凝 聚态硅灰 。 水泥及矿物掺合 料 的化学成分如表 1 所示 。 减水剂为聚羧酸减水剂( 固含量为 2
14、 0 ) 。 试验所用的粗集料为 5 2 5 mm连续级配石灰岩碎石 ; 细集料为细度模数 2 4的天然河砂 , I I 区中砂 。 1 2试 验 方 法 采用 T A M A I R 8 通 道量 热仪 分别 在 2 5 、 5 0恒 温 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 原材料的化学成分 表 3 不同胶凝材料在 2 5水化 7 d的放热量 J 儋 Ca O 水 泥 矿渣 粉煤灰 硅 灰 63 8 3 36 4 4 2 8 6 l - 3 5 条件下测 定了不 同胶凝材 料的水化放 热 曲线 ; 采用 博远 B Y A T C A型混凝 土热绝 热温升仪
15、测定 了混凝 土的绝热 温升 , 初始入模温度控制在 l 3 1 5 之间。 高强混凝土的强 度设计等级 为 C 7 0 , 混凝土 的配合 比如表 2所示 , 其 中 c 为纯水泥混凝土 , S 为矿渣掺量 3 5 的混凝 土 , F为粉煤灰 掺量 2 9 4 、 硅灰掺量 5 6 的混凝土 , 三组混 凝土的胶凝 材料总量和水胶 比均相 同 。 混凝 土 c 、 S 、 F的 2 8 d抗压强 度分别为 7 3 0 7 、 7 7 4 0 、 7 6 2 7 MP a 。 表 2 试验混凝土配合比 k g m 组号 水泥 矿渣 粉煤灰 硅灰 石 砂 水 C 45 00 一 一 一 1 08
16、 0 81 5 1 3 5 S 29 2 5 l 5 7 5 一 一 1 08 0 81 5 1 3 5 F 2 9 25 1 3 2 5 2 5 1 08 0 R1 5 1 3 5 2结果与讨论 2 1 不 同胶 凝材料在 2 5 时的水化 热 图 l 、 2 分别是不同胶凝材料体系在 2 5 时的水化放热 速率和水化放热量曲线, 表 3 列出了各组胶凝材料在 7 d时 的水化放热量 , 其水胶 比均为 0 3 。 从 图 1 中可 以看出, 水泥 的第二放热峰的峰值明显高于两种复合胶凝材料。 水化加速 期的反应是化学控制, 水化减速期的反应是化学控制和扩散 控制, 因而胶凝材料 中活性反应
17、点的数量决定了这两个反应 阶段的水化放热速率。 在复合胶凝材料中 , 早期水化活性偏 低的矿物掺合料取代水泥熟料的量为 3 5 , 单位质量胶凝材 料 中的水 泥质量减少 , 这使总体系中活性反应点 的数 目减 少, 导致在水化加速期和水化减速期的前期放热速率降低。 奎 0 褂 籁 0 * 时间 , h 图 1 不同胶凝材料在 2 5时的水化放热速率 曲线 儡 邑 血 I 蕞 荽 O 时 间 h 不 同胶凝材料在 2 5时的水化放热量 曲线 一 般认 为 , 矿渣不仅能与水泥水 化反应生成 的 C H发 生火 山灰反应 , 而且由于其 C a O含量较 高 , 其 自身有一定 的胶凝性能 ,
18、且其活性能够在碱性条件下得到发挥 。 粉煤灰 是典 型的火 山灰型材料 , 与 C H反应生成凝 胶 , 粉煤灰 的 早期反应程度很低 , 其早期反应活性低于矿渣。 硅灰含有超 过 9 0 的活性 S i O , 且其 比表 面积非 常高 , 其反应活性很 高, 早期便迅速参与水化反应。 图 1 显示 , 水泥一 矿渣体系在 水化加速期 、 减速期和稳定期的放热速率均略高于水泥一 粉 煤灰一 硅灰体系 , 这说 明相对而言 , 矿渣对降低胶凝材料的 水化热 的作用弱一些。 从图2中可以看出, 水泥一 矿渣复合胶凝材料的放热量 与水 泥的放热量 的差距在大约 5 5 h 后有减小的趋势 , 这是
19、 因为水泥一 矿渣复合 胶凝材料在约 5 5 h 后 的放热速率 略 高于水泥( 图 1 ) 。 这可能是由两个原因导致的: 随着水化 反应 的进行 , 矿渣参 与反应 的程度越来越 高 , 对水化放热 做 出贡献 ; 到 了水化减速期 的后 半段 , 扩散控制更加 明 显 , 相对于纯水泥体系 , 水泥一 矿渣体 系在加速期 时的反应 速率较慢, 在未水化颗粒表面生成的水化产物层较薄 , 离子 向内层 的迁移相对容易。 相对 于矿渣和粉煤灰 , 硅灰具有较高 的早期 活性 , 且 由于硅灰 的颗粒粒径很小 , 对水泥水化生成 C S H凝胶起 到很好的成核作用 , 因而硅灰会使水泥颗粒表面生
20、成的水 化产物层增厚 , 从而使水泥在水化减 速期时 的水化 速率变 慢 ; 同时 , 由于粉煤 灰在水泥水化减速期阶段 的反应程度 依然很低 , 对 水化放热的贡献仍很小 , 所 以由图 l 可 以看 出 , 水泥一 粉煤灰一 硅灰体 系在水化减速期 的放热速率小于 水泥一 矿渣体系 , 且 由图 2中可 以看出 , 水 泥一 粉煤 灰一 硅灰 体系的放热量与水泥一 矿渣体 系的差距随着水化时间的增 长而增大。 由表 3可知 , 水泥一 矿渣和水泥一 粉煤灰一 硅灰体系的 7 d 放热量分别 比水泥低 9 9 、 2 1 9 , 均小 于矿物掺合料 的掺量( 3 5 ) 。 这是因为, 一方
21、面矿物掺合料参与部分反 应对水化热有一定的贡献, 另一方面本试验的水胶比较低 ( W B = 0 3 ) , 矿物掺合料 的掺加相当于提高了水泥的有效水 灰 比, 使水泥熟料 的水化反应更为充分 , 增大 了放热量 。 2 2 不 同胶 凝材料体 系在 5 0 c IC时的水化热 图 3 、 4 分别是不同胶凝材料体系在 5 0时的水化放 热速率和水化放热量 曲线 , 表 4 列出了各组胶凝材料在 7 d 内的水化放热量 , 其 中各组的水胶 比均为 0 3 。 与 2 5时的 水化相 比, 三种胶凝材料的水化反应速率 明显加快 : 5 0 时的第二放热峰的峰值达到 2 5时的 4 5 倍 ,
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