水泥温度对聚羧酸减水剂混凝土性能的影响研究
发布时间：
2022-08-04 09:40
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作为多相材料，混凝土很容易受到原材料质量和服役环境的影响，由于混凝土是国民基础设施建设不可或缺的大宗建筑材料，因此认真研究并管控好混凝土的质量尤为重要。水泥是生产混凝土的主要胶凝材料，是通过加水拌和生成具有胶凝性的水化产物，将砂石等骨料牢牢粘接在一起。水泥性能对混凝土质量影响较大，水泥使用温度过高、水泥细度较小、混合材料来源复杂等一系列问题，均会造成水泥与外加剂的适应性不良。刚出库的水泥温度较高，通常在70 ℃左右，甚至达到90 ℃，需要备货存放，但实际施工中往往又存在任务重、工期紧、货源供应紧张、存储有限等因素，导致进场水泥温度高，夏季施工时的水泥降温慢。受以上诸多因素影响，存在用热水泥加工混凝土的情况，这就造成混凝土外加剂掺量过高，坍损较大，同时也容易造成收缩开裂等一系列工程问题。聚羧酸减水剂具有减水率高、可调控强、高效环保等优点，已成为现代混凝土的第五组分，但相比萘系、脂肪族等二代减水剂，聚羧酸减水剂对原材料更为敏感，导致混凝土结构耐久性会受到不同程度的影响。高温水泥对聚羧酸减水剂造成的负面影响不容忽视，因此需要对更多数据进行研究，以便服务和指导当前建筑工程项目混凝土施工生产，保证混凝土现场施工顺畅，确保工程实体质量。本文通过模拟制备不同温度的水泥，研究对聚羧酸减水剂应用性能的影响，为聚羧酸减水剂应用提供了理论和实际参考。
1 原材料
（1）胶凝材料。试验采用水泥、粉煤灰作为胶凝材料，水泥为市售P.O42.5普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1。粉煤灰为II级灰，45μm方孔筛余24.6%，28 d活性指数82%，需水比为95%，烧失量为3.2%。
（2）骨料。粗细骨料采用本项目水江隧道洞碴加工而成，母材岩性为石灰岩，母材抗压强度为96.8 MPa。细骨料细度模数为3.0，MB值为1.0，石粉含量为9.0%，压碎值为15.2%。粗骨料为5～31.5 mm级配碎石，分为3档合成级配，分别为5～10、10～20、16～31.5 mm，混合比例为2∶7∶1，压碎值为11%，针片状含量为3.6%。
（3）外加剂（减水剂）。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，设计掺量为1.0%，淡黄色液体，1.0%掺量下的胶砂减水率为29%。
2 试验方法
（1）样品水泥的制备。取陈放3 d的同批次水泥，测得温度为20 ℃，放置烘箱内进行加热，设定温度分别为30、40、50、60、70、90 ℃。加热后混合均匀，并用周围封有泡沫的箱子密闭保存，以减少热量散失。
（2）水泥外加剂适应性试验按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T 8077—2012）进行，取水泥300 g、水87 g，外加剂掺量为1.0%，测试水泥净浆初始的净浆流动度。
（3）混凝土配合比。试验采用C30混凝土，其原材料用量见表2。
（4）按照表2所示配合比进行原材料称取，混凝土工作性能和凝结时间按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016） 测试，抗压强度参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）测试。混凝土碳化深度按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GBT 50082—2019）进行试验。
3 水泥温度试验结果及讨论
3.1 水泥温度对水泥净浆流变性能的影响
取水泥300 g、水87g，外加剂掺量为1.0%，研究水泥温度对水泥净浆流变度的影响，得到的结果见图1。
由图1可以看出，随着水泥温度的升高，水泥净浆流动度逐步降低，且当水泥温度达到90 ℃时，水泥净浆流动度将达到132 mm。相比20 ℃水泥净浆流动度下降108 mm，降低幅度达到45%，基本失去流动性。
水对于水泥水化和浆体的流动极为重要，拌和的水一部分参与水泥水化，一部分作为吸附水，还有一部分作为自由水带动水泥颗粒的分布流动。水泥温度影响水泥净浆流变，其原理在于水泥温度升高，参与反应的水化速率增加，对自由水的需求增加，使得水泥净浆的流动阻力加大，且浆体的流动度也下降。水泥早期水化越快，参与水化的自由水越多，带动浆体流动性的自由水就会越少。
3.2 水泥温度对掺减水剂混凝土工作性能的影响
使混凝土保持良好的工作性能是确保施工顺利进展的关键，当前混凝土工作性能越来越倚重初始流动性及经时保坍能力，这对于长距离运输工地的泵送施工尤为重要。因此，按照表2各材料用量，测试了掺入不同温度水泥对混凝土性能的影响，得到的结果见表3。
由表3可以看出，随着水泥温度的升高，混凝土初始坍落度和扩展度均出现不同程度的下降，且1 h后的混凝土经时工作性能损失也加快。水泥温度在40 ℃以下时，通过搅拌机的机械搅拌，水泥内部热量可以通过不同材料间的混合进行传导散失，因而在同外加剂掺量下混凝土坍落度和扩展度损失相对较小。当水泥温度继续升时，水泥水化反应加快，大量自由水参与水化反应，同时外加剂吸附至水泥颗粒表面的电荷密度降低，产生同向斥力释放自由水的势能加大，使得混凝土出机工作性能下降较快现象。当水泥内部温度达到90 ℃时，混凝土出机坍落度降至170 mm，失去保坍能力。
与混凝土工作性能规律相对应的是，混凝土凝结时间也随着水泥温度升高而逐步下降。当水泥温度为90 ℃时，混凝土终凝时间降至7.3 h。混凝土凝结伴随着水泥的水化，聚羧酸减水剂分子通过吸附在水泥颗粒表面，减缓水泥水化反应速率，从而使得混凝土保塑能力增强。同时，随着水泥温度升高，聚羧酸减水剂对水泥水化的调控能力减弱，从而使得混凝土凝结时间缩短。
3.3 水泥温度对混凝土抗压强度的影响
混凝土在服役过程中要承受一定的荷载，其中，水泥抗压强度与混凝土工作性能有直接关系，其良好的工作性能是混凝土力学性能的保证。因此，对不同温度水泥对混凝土抗压强度的影响进行了测试，得到的结果如图2所示。
从图2可以看出，当水泥温度为30 ℃时，混凝土设定龄期内的抗压强度值均高于温度为20 ℃的水泥。而随着水泥温度的升高，混凝土3 d抗压强度先增加后降低。60 ℃之内时，水泥温度升高促进了水泥水化的加速进行，从而生成更多的水化产物，使得混凝土早期抗压强度增加。当水泥温度超过60 ℃时，水泥短期较快的水化反应速度生成的水化产物形成无序排列，从而生成更多的孔洞、微裂纹等内部结构缺陷，使得混凝土3 d强度降低。
混凝土7 d以后的龄期同样受到水泥升温后的负面影响。在水泥温度超过30 ℃后，混凝土7、28、60 d的抗压强度均出现下降，且当水泥温度超过60 ℃时，水泥抗压强度出现明显下降，尤其对混凝土后期抗压强度影响更为显著。水泥温度90 ℃时，混凝土60 d强度相比20 ℃时下降了7.6 MPa。
3.4 水泥温度对混凝土碳化深度的影响
当混凝土结构暴露在空气中，在一定的湿度下，水泥水化后产生的氢氧化钙与空气中的CO2、NO2、SO2等酸性气体发生反应，从而使得混凝土内部碱度下降，碳化引起混凝土结构耐久性下降，同时在回弹换算时也会影响对混凝土结构的强度评价。对不同水泥温度对混凝土碳化深度的影响进行研究，得到的结果见图3。
图3研究了使用不同温度水泥拌和的混凝土7 d和28 d的混凝土碳化深度，结果发现水泥温度升高后，混凝土28 d和60 d碳化深度均增加，且当水泥温度超过60 ℃时，混凝土28 d和60 d碳化深度均明显增加，抗碳化能力下降。
混凝土碳化是由表及里的酸碱中和反应过程，其中，混凝土的密实度会影响酸性气体的侵蚀速度，混凝土结构越密实，抵抗碳化的能力就越强。当使用热水泥拌合后，由于水泥水化反映过快导致的混凝土内部缺陷增多，为CO2侵蚀提供了条件，从而使得混凝土碳化深度增加。
4 结论
（1）水泥温度升高会造成水泥净浆流动度下降，水泥浆体的粘滞阻力增加。水泥温度为90 ℃时，水泥净浆流动度损失达到45%。
（2）加入热水泥拌合后，混凝土初始坍落度和扩展度均出现不同程度的下降，且1 h混凝土经时工作性能损失也加快。但水泥温度在40 ℃以下时，通过搅拌过程中的热量散失，混凝土工作性能损失相对较小。当水泥内部温度达到90 ℃时，混凝土工作性能基本丧失。
（3）由于水泥内部温度升高后水泥水化反应加快，降低了聚羧酸减水剂的保坍和缓凝效果，导致混凝土初凝和终凝加快。
（4）当水泥温度为30 ℃时，混凝土各龄期的抗压强度值发展良好。随着水泥温度进一步升高，混凝土3 d抗压强度先增加后降低。但混凝土7 d以后，抗压强度在水泥温度超过30 ℃后，均出现下降，尤其是超过60 ℃时，水泥抗压强度明显下降。
（5）水泥温度升高会对混凝土内部密实度产生不良影响，导致混凝土28 d和60 d碳化深度均出现不同程度增加，造成混凝土抗碳化能力的下降。
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