超高强混凝土用低水胶比浆体的水化热研究

第13卷第2期2010年4月
建　筑　材　料　学　报
J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S
Vol.13,No.2
Apr.,2010
收稿日期:2008212208;修订日期:2009211202
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB623200)
第一作者:刘建忠(1976—
),男,福建闽侯人,江苏省建筑科学研究院有限公司高级工程师,东南大学博士生.E 2mail :ljz @ 文章编号:100729629(2010)022*******
超高强混凝土用低水胶比浆体的水化热研究
刘建忠1,2,　孙　伟1,　缪昌文2,　刘加平2
(1.东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,江苏南京211189;
2.江苏省建筑科学研究院有限公司,江苏南京210008)
摘要:采用自行改进的水化热测定系统,研究了粉煤灰、矿渣粉和水胶比对超高强混凝土用低水胶
比浆体水化热和水化进程的影响规律.结果表明:掺10%(质量分数,下同)粉煤灰或矿渣粉不影响低水胶比浆体的水化进程;掺30%,50%粉煤灰或矿渣粉均使低水胶比浆体的水化温升和水化放热速率峰值明显降低,并延缓这些峰值出现的时间,且粉煤灰对水化进程的延缓效果优于同等掺量的矿渣粉;提高水胶比只能略微推迟浆体的水化温升和水化放热速率峰值出现的时间,使水化放热速率峰值有所增大,不会改变浆体温升曲线和放热速率曲线的形状.
关键词:超高强混凝土;水化热;低水胶比中图分类号:TQ172.1+1 文献标志码:A doi :10.3969/j.issn.100729629.2010.02.002
R esearch on the H ydration H eat of Paste in U ltra High Strength
Concrete at Low W ater 2Binder R atio
L I U J i an 2z hong
1,2
,　S U N W ei 1,　M I A O Chang 2w en 2,　L I U J i a 2pi ng
2
(1.Jiangsu Key Laboratory of Civil Engineering Materials ,Sout heast University ,Nanjing 211189,China ;
2.Jiangsu Research Institute of Building Science Co.,Ltd.,Nanjing 210008,China )
Abstract :The effect s of fly ash ,ground granulated blast 2f urnace slag and water 2binder ratio (m w /m b )on t he hydration heat and t he hydration exot hermic p rocess of paste in ult ra high st rengt h concrete at low m w /
m b were investigated by t he test system of hydratio n heat.According to t he experimental result s ,t he hy 2
dration exot hermic p rocess of paste ,wit h t he replacement level of 10%fly ash or slag ,is similar to t hat of t he cont rol.However ,wit h t he increasing addition of fly ash or slag to 30%or more ,t he highest hydra 2tion temperat ure and t he highest hydration exot hermic rate will markedly reduce ,and t he arrival time of t he peak is pared wit h slag ,fly ash is more propitious to delay t he hydration exot hermic p rocess of binder system wit h low m w /m b .Moreover ,wit h t he increase of m w /m b ,t he time of t he highest hydration temperat ure and t he highest hydratio n exot hermic rate are slightly delayed ,and t he hydration exot hermic peak is increased to a certain extent.In addition ,m w /m b does not change t he shape of t he curves of temperat ure rise vs .time and exot hermic rate vs .time.
K ey w ords :ultra high st rengt h concrete ;hydration heat ;low water to binder ratio
随着混凝土外加剂技术的发展,抗压强度高于
100M Pa 的超高强混凝土已开始在许多工程中得以应用[1].同时,伴随着新型聚羧酸类混凝土超塑化
剂的开发与应用,抗压强度大于200M Pa 并具有良好流动性的超高性能混凝土也应运而生[224].超高强混凝土不仅具有很高的抗压强度和力学性能,而且
由于极低的水胶比,使其具有优异的抗恶劣环境侵蚀能力和突出的耐久性能[1,5].但是,超高强混凝土水泥用量较大,使水化热和水化放热速率也较大,导致其结构体积稳定性差,从而影响了它的推广应用.
矿物掺和料、缓凝型高效减水剂被认为是减少水泥水化热和延缓水化放热速率最为理想的材料.关于矿物掺和料对水泥浆体水化热的影响,国内外有很多学者开展了研究.张云升等[6]针对水胶比为0.30(质量比,下同)的高性能混凝土浆体开展了研究,结果表明:矿物掺和料可明显减小浆体3d水化热和水化放热速率,延缓水化放热峰值出现的时间,而且当矿物掺和料双掺或三掺时效果更为明显. Langan等[7]研究了水胶比为0.35,0.40,0.50时硅灰和粉煤灰对胶凝体系水化热的影响.但是针对低水胶比浆体水化热的研究还很少.因此,基于硅灰是配制超高强混凝土不可缺少的掺和料这一事实,本文首先研究了粉煤灰、矿渣粉掺量对水胶比为0.24,硅灰质量分数为10%;随后针对优选出的掺10%硅灰和50%(质量分数)粉煤灰浆体,研究了不同水胶比下其水化放热过程.1　试验
1.1　原材料
水泥:江苏京阳水泥厂52.5P・Ⅱ硅酸盐水泥, 28d抗压强度为57.8M Pa,其化学组成和基本物理性能见表1;掺和料:Ⅰ级粉煤灰,S95级磨细矿渣粉和硅灰,其化学组成和基本物理性能见表1;砂:ISO 标准砂;外加剂:江苏博特新材料有限公司研发生产的聚羧酸类超塑化剂PCA(Ⅱ),固含量为33.0% (质量分数).
1.2　配合比
试验配合比见表2.试验中,固定硅灰掺量为10%,砂胶比为1.2(质量比),外加剂质量分数为1.5%(SF10FA50216组为了保证流动性,其质量分数为2.0%).试验可分成3个系列:(1)粉煤灰掺量分别为0,10%,30%,50%;(2)矿渣粉掺量(质量分数)为0,10%,30%,50%;(3)水胶比为0.28,0.24, 0.20,0.16.各配合比的流动度介于120～220mm 之间,说明各浆体均具有良好的密实性.
1.3　试验过程
采用G B/T12959—2008《水泥水化热测定方
表1　水泥、硅灰、粉煤灰和矿渣粉的化学组成及物理性能
T able1　Chemical compositions and physical properties of cement,silica fume,fly ash and slag
Material
Chemical composition(by mass)/%
SiO2CaO Fe2O3Al2O3MgO IL
Density/
(kg・m-3)
Specific surface area/
(kg・m-2)
Cement18.6064.5 3.28 4.88 1.61 3.22 3.06388 Silica fume94.200.230.440.720.12 2.38 2.20≈20000 Fly ash54.80 2.42 4.9432.500.72 1.27 1.90420 Slag31.2037.30 1.3617.807.36 1.71 2.82334
表2　试样配合比
T able2　Mix proportions of samples
Code
Composition of binder(by mass)/%
Cement Silica fume Fly ash Slag
m s
m b
m w
m b
PCA(Ⅱ)content
(by mass)/%
Fluidity/
mm
SF10224901000 1.20.24 1.5122
SF10FA102248010100 1.20.24 1.5135
SF10FA302246010300 1.20.24 1.5165
SF10FA502244010500 1.20.24 1.5198
SF10SL102248010010 1.20.24 1.5130
SF10SL302246010030 1.20.24 1.5158
SF10SL502244010050 1.20.24 1.5186
SF10FA502284010500 1.20.28 1.5220
SF10FA502204010500 1.20.20 1.5120
SF10FA502164010500 1.20.16 2.0122
041建　筑　材　料　学　报第13卷　
法》中的直接法和自行改进的自动水化热测定仪(见图1)测试浆体水化热
.
图1　水化热测定仪
Fig.1　Test system of hydration heat
1.Sample ;
2.Plastic cup ;
3.Vacuum flask ;
4.Water tank ;
5.Thermo couple ;
puter
试验前将原材料和水化热测定仪置于(20±1)℃水槽中24h.根据表2配合比,采用胶砂搅拌机将胶砂搅拌3min.称取800g 试样装入塑料杯,盖好盖子,放入保温瓶内,接好热电偶和数据线,盖上软木塞,置于恒温水槽中.数据采集系统每隔30s 采集1次数据.
1.4　水化热和水化放热速率的计算
根据所采集的数据绘制温度-时间曲线,并计算出恒温线与温度-时间曲线间的总面积.在t 时间内所散失的热量Q t (J )按式(1)计算:
Q t =c p (θt -θ0)+K
∑F
0～t
(1)
式中:θt 为t 时间的试样温度,℃;θ0为热量计初始
温度,℃;K 为散热常数,J /(h ・℃
);c p 为总比热容,J /℃;∑F 0～t 为恒温线与温度-时间曲线间的总面积,℃・h .
胶凝材料的水化热q (J /g )按式(2)计算:
q =Q t /m
(2)
式中:m 为胶凝材料的质量,357g.
对水化热-时间曲线求导可得胶凝材料的水化放热速率.
2　试验结果与分析
2.1　粉煤灰对水化热的影响
图2为不同粉煤灰掺量对水胶比为0.24试样水化温升、水化放热速率和水化热的影响.
由图2可以看出:(1)不掺粉煤灰的SF10224试
样与掺10%粉煤灰的SF10FA10224试样的水化热
曲线相似,即掺10%粉煤灰对低水胶比浆体的水化过程影响很小;(2)随着粉煤灰掺量的增加,低水胶比浆体水化温升峰值明显降低,且峰值出现的时间也明显延迟,与不掺粉煤灰的SF10224试样相比,掺30%,50%粉煤灰试样的水化温升峰值分别降低了15.2,23.3℃,峰值出现的时间分别延迟了7.6,14.1h ;掺30%,50%粉煤灰试样的水化放热速率峰值分别较未掺粉煤灰试样降低了58%,77%,峰值出现的时间也分别延迟了5.3,11.7h ,说明粉煤灰可明显延缓低水胶比浆体的水化放热,有效降低水化放热速率;粉煤灰的掺入不同程度降低了低水胶比浆体的水化热,特别是早期水化热降低的幅度更为明显,粉煤灰掺量为50%时,其12,24,48,72h 水化热分别为未掺粉煤灰试样的0.5%,39.6%,57.7%,61.9%;(3)未掺粉煤灰和掺10%粉煤灰试样在温度上升到最大值时降温速率非常快,水化放热速率峰值过后的曲线斜率也较大,而掺30%,50%粉煤灰后,试样的水化温升峰值和水化放热速率峰值过后的曲线明显平缓,可见掺入一定量的粉煤灰能明显优化低水胶比浆体水化放热曲线,这对于减小该混凝土在应用过程中的开裂风险具有现实意义. 在低水胶比试样中,掺入粉煤灰可起到两种作用:一是粉煤灰替代部分水泥,提高了实际水灰比,改善了水泥的水化环境,可加速其水化;二是粉煤灰的火山灰反应进展缓慢,
替代部分水泥后参与水化
(a )Temperature
rise (b )Exot hermic
rate (c )Hydration heat
图2　粉煤灰对试样水化温升、水化放热速率和水化热的影响
Fig.2　Effects of fly ash on the temperature rise ,exothermic rate and hydration heat of binder system with low m w /m b
1
41　第2期刘建忠,等:超高强混凝土用低水胶比浆体的水化热研究
反应的水泥减少,有利于降低水化热.因此,在粉煤
灰掺量较低时,低水胶比浆体水化进程变化不大,只有当粉煤灰掺量达一定值时,才可明显减缓该浆体的水化进程.2.2　矿渣粉对水化热的影响 图3为不同矿渣粉掺量对水胶比为0.24试样水化温升、水化放热速率和水化热的影响.
由图3可以看出,矿渣对低水胶比浆体水化进程的影响规律与掺粉煤灰试样相似:矿渣粉掺量较低(10%)时试样的水化热变化很小,但当矿渣粉掺
量达30%时,随着矿渣粉掺量的增加,试样的水化温升峰值及其出现的时间明显降低和延迟.不过,矿渣粉对试样水化热峰值的降低和延迟效果不如粉煤灰.矿渣粉掺量为30%时,试样的水化放热速率峰值及其出现的时间分别为28J ・g -1・h -1,8.3h ,而粉煤灰掺量为30%试样其相应值分别为21J ・g -1・h -1,12.4h.矿渣粉掺量为30%试样的水化放热速率峰值后曲线依然陡峭,只有当矿渣粉掺量达50%时该峰值后曲线才开始平缓.这可能是矿渣
粉早期火山灰活性强于粉煤灰的缘故.
(a )Temperature rise (b )Exot hermic rate (c )Hydration heat
图3　矿渣粉对试样水化温升、水化放热速率和水化热的影响
Fig.3　Effects of slag on the temperature rise ,exothermic rate and hydration heat of binder system with low m w /m b
2.3　水胶比对水化热的影响
图4为水胶比对硅灰掺量为10%,粉煤灰掺量
为50%试样水化温升、水化放热速率和水化热的影响. 由图4可以看出:(1)水胶比为0.16的试样由于外加剂掺量的增加以及由此引起的缓凝作用增强,其水化温升、水化放热速率峰值较其他水胶比试样有明显的降低,峰值出现的时间也明显延迟,相应各水化龄期的水化热也有一定程度的下降;(2)水胶
比为0.28,0.24,0.20的试样其水化温升峰值相差不大,但峰值出现的时间却随水胶比的提高略有延迟;水化放热速率峰值随水胶比的提高有所增加,峰值出现的时间也略有延迟;掺40%水泥、10%硅灰和50%粉煤灰试样随着水胶比的提高其早期(小于40h )
水化热降低,后期水化热升高;(3
)4种水胶比下试样的水化温升-时间曲线和水化放热速率-
时间曲线形状相似,可见当低水胶比浆体组成相同时,水胶比对水化进程没有本质上的影响.
(a )Temperature rise (b )Exot hermic rate (c )Hydration heat
图4　水胶比对试样水化温升、水化放热速率和水化热的影响
Fig.4　Effects of m w /m b on the temperature rise ,exothermic rate and hydration heat of binder system
3　结论
1.在硅灰掺量10%的低水胶比浆体中,低掺量
(小于10%)粉煤灰对其水化进程影响很小,提高粉
煤灰掺量,其水化进程明显延缓.同不掺粉煤灰的试样相比,掺50%粉煤灰试样的水化温升峰值降低了23.3℃,峰值出现的时间推迟了14.1h ,水化放热
(下转第168页)
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(上接第142页)
速率峰值降低了77.0%,峰值出现的时间延迟了11.7h,72h的水化热减小了38.1%;掺30%,50%粉煤灰试样的水化放热速率峰值后曲线明显平缓,这对减小低水胶比混凝土在应用过程中的开裂风险具有现实意义.
2.矿渣粉对掺10%硅灰试样的水化进程影响规律与粉煤灰相似,但矿渣粉的降峰、削峰效果不如粉煤灰,而且只有当矿渣粉掺量达50%时试样的水化放热速率峰值后曲线才开始平缓.
3.水胶比变化不会改变试样的水化温升曲线和水化放热速率曲线形状,对其水化进程没有本质上的影响,随着水胶比的提高,试样的水化放热速率峰值略有增加,且出现的时间和水化温升峰值一样略有延迟.
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