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浅谈冬季长沙混凝土的早期强度问题
时间: 2019-11-05 08:01:14来源: 湖南省坚塔建材有限公司

长沙混凝土主要由水泥、粗细骨料和水配制而成,通俗的说法是水泥经水化反应之后将粗细骨料胶结在一起形成一个整体结构并具有优良性能的一种大宗建筑材料。随着技术进步,在混凝土配料中增加了外加剂、掺合料等组分,有效地改善了混凝土的性能,使混凝土的应用更为广泛。

混凝土施工常受季节的影响,在平均气温低于5℃时,一般定义为混凝土的冬季施工期,为了抢工期有时在冬季施工期间采取了一些不当措施,容易造成工程质量事故。冬季是混凝土工程质量事故的多发季节,据初步统计,冬季发生的混凝土工程质量事故占全年事故的2/3以上,这是需要高度重视的。

混凝土强度发展主要取决于水泥的水化过程,而水泥的水化是一个极其复杂的化学反应。虽然改变外界条件可以使水泥的水化进程发生一些变化,但也有一定的限度。下面就此问题进行一些分析探讨。

1水泥水化反应特征

硅酸盐水泥的主要矿物组分为硅酸三钙(3CaO·SiO2,即C3S)、硅酸二钙(2CaO·SiO2,即C2S)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3,即C3A)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3,即C4AF)。这些矿物组分遇水后发生如下化学反应:

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

上述几种水化产物中,xCaO·SiO2·yH2O中CaO/SiO2是变化旳,统称为C-S-H凝胶,系纤维状体系,是水泥水化最主要的生成物,占总体的75%以上,也是水泥石强度的主要来源,其他生成物主要为氢氧化钙和钙矾石等晶体,其中氢氧化钙是维持水泥石碱度的重要组成,是其他水化产物稳定存在的重要前提。

水泥中掺入了一定数量的石膏调凝剂,C3A水化的最终产物与石膏掺入量有关,最初形成三硫型水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O),即钙矾石(AFt),若石膏在C3A完全水化前耗尽,则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O即AFm)。C3A水化对早期强度的贡献最大。C4AF系铁相固溶体,其水化产物与C3A相似。

2水泥的早强活性问题

2.1水泥细度

水泥细度直接关系到水泥的水化速度,水泥颗粒越细,与水接触面积越大,水化越快。GB175-2007《通用硅酸盐水泥》中细度作为选择性指标,硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示,不小于300m2/kg。随着助磨剂旳广泛应用,现在生产的水泥早期水化速度较快,早期强度也较高。

2.2水泥粉磨时掺加了提高水泥早期强度的组分

水泥中C3A是水泥早期水化的最活跃的组分,C3A不仅水化快,水化热也高,在水泥粉磨时添加了石膏作为调凝剂,C3A与石膏生成的钙矾石是形成水泥早期强度的重要组分。

水泥粉磨时,除了添加石膏调凝剂外,还广泛采用石灰石掺和料,P·Ⅱ硅酸盐水泥石灰石掺量最高为5%(一般为3%~5%),石灰石加入后对早强的贡献也很重要,石灰石与C3A反应,生成水化碳铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O)。石灰石参与了化学反应,生成早强矿物水化碳铝酸钙,水化碳铝酸钙具有更好的不溶性,易于稳定存在,从而促进了水泥早期强度的发展。

商品混凝土配料中,通常加入矿粉、粉煤灰等掺和料,在矿渣粉磨成矿粉时也常掺入石灰石作为助磨剂,石灰石掺量也较高,因此水泥中C3A水化后很难存在3CaO·Al2O3·6H2O水化物,基本上转化为早强型的水化硫铝酸钙(钙矾石)和水化碳铝酸钙。

3提高水泥早期强度的方法

3.1掺加早强等外加剂的效果

增加水泥细度,对水泥水化有较好的促进作用,可充分利用C3A的特性,调凝剂石膏和掺加的石灰石都参与了生成早强水化产物的反应。

目前仍广泛采用的混凝土早强剂主要为硫酸钠型。硫酸钠可与水泥水化物的Ca(OH)2反应生成硫酸钙,这种新生成的次生石膏(CaSO4)比水泥粉磨时加入的石膏活性大,有利于水化硫铝酸钙的生成,对早期强度的贡献是有利的。

虽然硫酸钠早强剂的加入对提高早期强度有一定的促进作用,但效果并非如人们所期待的那样高。GB8076-2008《混凝土外加剂》标准中,早强剂的初凝时间之差为(-90~+90)min,抗压强度比:1d为135%,3d为130%,7d为110%,即其强度指标与早强型普通减水剂WR-A旳指标要求相同,但低于标准型高效减水剂HWR-S和早强型高性能减水剂HPWR-A旳强度指标要求。

由此分析可知,虽然加快C3S的水化速度可以提高水泥的水化速度,但是C3S水化时生成的C-S-H凝胶还会包裹在水泥颗粒周围,对C3S进一步水化有一定的阻碍作用,能采用的有效措施也不多,难于取得显著效果。

3.2提高冬季混凝土强度的其他几种方法

(1)提高养护温度

混凝土中水泥水化是一种化学反应,反应温度对反应速度影响极大,随着温度的升高、化学反应的速度加快,温度升高至80℃时的水化速度,比20℃时增加了5倍,温度升至100℃时增加了9倍,当混凝土养护温度低于5℃时,与常温相比,混凝土强度增长缓慢,在5℃条件下养护28d,其强度增长仅能达到标养28d的60%左右,可见养护温度对混凝土强度增长的影响非常大。

提高养护温度是最有效的方法。冬季施工,尤其在5℃以下,应采取保温措施,水泥的水化是一种放热反应,采用塑料薄膜及保温材料覆盖,避免混凝土中产生的热量散失,即把水泥本身的反应热留住,延缓混凝土的降温,有利于水泥的正常水化反应,浇筑混凝土的体积越大,产生的热量也越多,效果也更明显,这是最简单易得的蓄热法。应该指出,冬季混凝土施工建议采用保温模板,能较好地防止混凝土水化热的散失。

对于薄壁结构或混凝土浇筑数量较少的部位,采用外部加热的方法也是很有效的。

(2)采用高效减水剂

在混凝土中掺加减水剂,降低水胶比,对提高混凝土的早期强度是有效的,应该在冬季施工更应该重视外加剂的选用,宜选用早强型高效减水剂。

(3)改用其他种类水泥

在某些特殊部位,可以改用快硬旳硫铝酸盐等水泥,可以达到快凝早强的目的。这样水化产物中,水化硫铝酸钙的含量大幅增加,但是早期强度增加的同时也降低了混凝土的抗碳化能力。

通过化学热力学的计算,水泥水化产物中水化硫铝酸钙是最易发生碳化反应的水化物之一,而且碳化后发生旳体积收缩最大。

1/3(CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)(固)+CO2(气)

=CaCO3(固)+CaSO4·2H2O(固)+2/3Al(OH)3(固)+22/3H2O(液)

这个碳化反应的结果,水化硫铝酸钙固相体积收缩高达44.6%,普通混凝土水泥用量为300~350kg/m3,水化产物占混凝土的16%~19%,硅酸盐水泥水化后,钙矾石含量为水化产物的12%~15%,也就是说钙矾石占混凝土的2%~3%,如果钙矾石全部发生了碳化反应,则混凝土的固相体积收缩达1%,即孔隙率要增加1%。

硫铝酸盐水泥或其他通过形成钙矾石的途径提高混凝土密实度和早期强度的方法,会增加混凝土发生碳化反应旳风险。水化产物中钙矾石含量每增加5%,发生碳化反应后,混凝土孔隙率增加0.3%~0.4%,应该考虑相应的防碳化措施,如加大保护层厚度等,因此只宜在特殊条件下使用。

(1)冬季混凝土强度增长缓慢,对于早强剂的效果不能寄予过高的期望,建议采用多种综合措施来提高混凝土的早期强度。除早强剂外,还应采用保温措施,减少水泥水化热的散失,采用这种蓄热养护法是比较好的选择。对薄壁结构建议采用外部加热养护,保持足够的养护温度是最有效的。

(2)根据水泥水化物组分,只有当C3A水化物3CaO·Al2O3·6H2O未被完全耗尽,掺加早强剂才能起到早强作用,因此与水泥组分有关,但是过量的早强剂也是有害的。

(3)冬季混凝土,除优先选择早强型硅酸盐水泥外,应降低矿粉、粉煤灰等矿物掺合料的掺量,还应选用高效减水剂,尽量降低水灰比。

(4)冬季施工,拆模时间要延长,经检测后混凝土强度达到要求后才可拆模,以避免混凝土裂缝的产生以及倒塌等严重事故的发生。

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