摘 要：

采用低热和中热水泥配制二级配常态混凝土和大坝四级配混凝土，并对低热、中热水泥混凝土的性能进行比较，为低热水泥在大坝主体结构混凝土中的全面应用提供了依据。项目采用宏观性能研究和亚微观分析相结合的方法，研究了低热水泥混凝土的力学性能、变形性能和绝热温升，以及低热水泥-粉煤灰浆体的亚微观结构。结果表明，低热水泥与不同品种骨料的相容性良好、均可制备出性能优良的水工混凝土。低热水泥混凝土具有早期强度较低、后期强度增长率高的特点，其干缩值较中热水泥混凝土略低，自生体积变形与中热水泥混凝土相当，可显著降低混凝土的早龄期绝热温升。采用扫描电镜分析了掺加35%粉煤灰的低热和中热水泥胶凝体系的水化产物和微观结构，采用能谱分析研究了水化产物中Ca(OH)2晶体的元素含量。结果表明，低热水泥胶凝体系的后期水化产物中仍可见一定量的Ca(OH)2晶体，不存在贫钙现象；水化持续的时间更长，后期水化硅酸钙凝胶更加致密，这也是低热水泥混凝土后期强度优于中热水泥混凝土的原因。低热水泥可以在大坝主体结构混凝土中安全应用。

关键词：

水工混凝土;低热水泥;性能;水化;

作者简介：

陈改新(1966—),男，正高级工程师，硕士，主要从事水工建筑材料的科学研究、开发与推广应用。E-mail:chengx@iwhr.com;

*刘艳霞(1977—),女，正高级工程师，博士，主要从事水工新材料研发和水工混凝土性能研究。E-Mail:liuyx@iwhr.com;

基金：

国家重点研发计划(2016YFB0303601);

中国水利水电科学研究院“五大人才”计划创新项目(SM0145B632017);

引用：

陈改新，刘艳霞，纪国晋，等． 低热硅酸盐水泥在水工混凝土中的应用研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 12) : 191-200.

CHEN Gaixin，LIU Yanxia，JI Guojin，et al． Ｒesearch on the application of low-heat Portland cement in hydraulic concretes［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 12) : 191-200.

0 引 言

近年来，白鹤滩和乌东德水电站先后开工建设。这些工程规模巨大，地下洞室工程混凝土用量大，大坝均为混凝土双曲拱坝，受力条件较为复杂，工程对混凝土的耐久性和抗裂性能等要求更高。同时，随着工程建设的深入和扩大，水电工程建设条件变得更加复杂，服役环境更加严酷，对水泥基材料的性能提出了更高的要求，选用合理的原材料和配合比参数对保证混凝土的综合性能至关重要。低热硅酸盐水泥以硅酸二钙为主导矿物，具有熟料煅烧温度较低、对环境的污染少等特点，是一种低热高性能的节能环保型水泥。在三峡工程三期围堰和导流底孔封堵混凝土施工中，低热水泥得到成功应用;另外，瀑布沟水电站、深溪沟水电站和溪洛渡水电站等工程也成功使用了低热水泥。三峡工程以来，三峡、小湾、向家坝等工程大坝混凝土均采用“中热硅酸盐水泥掺加I级粉煤灰、联掺高效减水剂和引气剂”的混凝土配制技术,低热水泥虽在工程中得到应用，但并未在全坝混凝土中应用，低热水泥混凝土和中热水泥混凝土的性能也缺乏系统的对比研究。本文以低热水泥和中热水泥配制的玄武岩骨料二级配常态混凝土和灰岩骨料大坝四级配混凝土为例，全面分析了低热水泥混凝土和中热水泥混凝土性能的差异。同时采用扫描电镜，研究了掺加35%粉煤灰的低热水泥和中热水泥胶凝体系的水化特性，从微观的角度分析了低热、中热水泥混凝土性能存在差异的原因，明确了低热水泥+35%粉煤灰胶凝体系无贫钙问题，为特高坝全坝混凝土采用低热水泥提供了技术支撑。

1 试验原材料及配合比

1.1 原材料

试验用主要原材料为两种42. 5 低热硅酸盐水泥(记为LA和LB)和42. 5 中热硅酸盐水泥(记为MA和MB)、两种Ⅰ级粉煤灰(记为PF和XF)、二级配玄武岩人工骨料和四级配灰岩人工骨料、高性能减水剂、高效减水剂和引气剂，水泥化学组成和物理性能如表1和表2所列。

1.2 配合比

以C9035二级配常态混凝土和C18035大坝四级配混凝土为例，比较低热和中热水泥对混凝土性能的影响。其中，二级配常态混凝土采用二级配玄武岩骨料、PF粉煤灰和高性能减水剂，坍落度控制在60～80 mm, 含气量控制在4.5%～5.5%;四级配大坝混凝土采用四级配灰岩骨料、XF粉煤灰和萘系高效减水剂，坍落度控制在30～50 mm, 含气量控制在4.0%～5.0%。

混凝土配合比如表3所列。玄武岩骨料和灰岩骨料制备的混凝土拌合物均具有良好的工作性，能够满足施工要求。其中，二级配混凝土采用相同的减水剂掺量时，低热水泥混凝土的用水量比中热水泥低4 kg/m3;大坝四级配混凝土采用相同的用水量时，低热水泥混凝土的减水剂用量比中热水泥低。由此表明，低热水泥混凝土的用水量较中热水泥混凝土低。

2 试验结果

2.1 力学性能

2.1.1 抗压强度

混凝土抗压强度试验结果如表4所列、图1所示。由试验结果可知，低热和中热水泥配制的混凝土抗压强度均满足相应的设计强度要求，但强度发展规律存在差异。低热水泥混凝土7 d龄期和28 d龄期强度低于中热水泥混凝土，90 d和180 d龄期时超过中热水泥混凝土。以28 d龄期为基准，计算各龄期混凝土的抗压强度增长率。结果表明，低热水泥混凝土的7 d龄期抗压强度增长率为35%～42%,中热水泥为56%～58%;90 d时低热水泥和中热水泥混凝土的抗压强度增长率分别为156%～171%、130%～157%;180 d时分别为181%～197%、151%～176%。因此，低热水泥混凝土具有早期强度较低、后期强度高的特点。原因是与中热水泥相比，低热水泥中C3S熟料矿物含量显著下降，而C2S熟料矿物增多。C2S熟料矿物早期水化速率较低，但对水泥后期强度贡献较大。

图1 混凝土各龄期抗压强度

2.1.2 劈裂抗拉强度和轴拉强度

混凝土劈裂抗拉强度、轴拉强度试验结果如表5所列。混凝土的劈拉和轴拉强度发展规律与抗压强度一致。同水胶比低热水泥7 d劈拉和轴拉强度较低，但90 d、180 d高于中热水泥混凝土。混凝土的抗拉强度是表征混凝土抗裂性能的重要参数，抗拉强度越高，对混凝土的抗裂性能越有利。从抗拉强度看，低热水泥混凝土的抗裂性能优于中热水泥混凝土。

2.2 变形性能

2.2.1 极限拉伸值

极限拉伸变形是混凝土轴向受拉断裂时的应变值，是评价混凝土抗裂能力的一个重要指标。二级配和四级配混凝土的极限拉伸值如表6所列。从表中可知，同强度等级低热水泥混凝土7 d和28 d龄期的极限拉伸值均低于中热水泥混凝土，但后期极限拉伸值增长较快，90 d、180 d极限拉伸值略高于中热水泥混凝土。说明随着龄期增长，低热水泥混凝土在拉伸荷载下承受变形的能力增强，有助于防裂抗裂。

2.2.2 干 缩

干燥收缩是指混凝土置于未饱和空气中由于水分散失引起的体积收缩，是水工混凝土的重要性能。混凝土的干缩试验结果如图2所示。由试验结果可知，同水胶比条件下，180 d时二级配玄武岩骨料混凝土的干缩率在(535～550)×10-6之间，四级配灰岩骨料混凝土的干缩率在(316～323)×10-6之间，两种骨料低热水泥混凝土的干缩率均略低于中热水泥混凝土。

图2 混凝土干缩率试验结果

2.2.3 自生体积变形

混凝土的自生体积变形是在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的变形。试验结果如图3所示。由试验结果可知，低热和中热水泥混凝土的自生体积变形在40 d龄期前均呈收缩趋势，此后收缩变形逐渐变小，并在60 d龄期前后变为微膨胀型。混凝土早期的收缩变形为塑性收缩，是由于水化早期骨料吸水与水泥水化作用，使水分在混凝土内部发生迁移而引起的体积收缩变形。塑性收缩产生后，水与水泥水化，从而引起化学作用和物理作用产生变形，可能是膨胀，也可能是收缩，主要由水泥的化学成分和矿物组成所决定。由于本试验所用低热和中热水泥的MgO含量均较高，因此后期变形呈现为膨胀型。180 d龄期时低热和中热水泥混凝土的自生体积变形分别为14.1×10-6和12.6×10-6,360 d龄期时分别为15.3×10-6和16.5×10-6;同水胶比、同龄期低热和中热水泥混凝土的自生体积变形总体上接近。

图3 大坝四级配混凝土自生体积变形试验结果

2.3 绝热温升

混凝土的绝热温升是指混凝土在绝热条件下，由水泥的水化热引起的混凝土的温度升高值。绝热温升试验在混凝土绝热温升测定仪上进行，实测温升过程曲线如图4、图5所示。采用最小二乘法对混凝土的绝热温升-历时关系进行曲线拟合，拟合表达式如表7所列。由试验结果可知，同水胶比条件下，低热水泥混凝土的绝热温升低于中热水泥混凝土，28 d龄期时洞室二级配混凝土低约3.4～4.0 ℃、大坝四级配混凝土低约1.9 ℃。从低热、中热水泥大坝混凝土历时温差看，绝热温升最大温差为4.8 ℃,发生在3～5 d龄期，其中3 d温差为4.4 ℃,5 d温差为4.8 ℃,表明低热水泥的早期温降作用最明显。大坝混凝土浇筑后一般3～5 d左右温*达升**到最高值，因此采用低热水泥可有效降低混凝土的最高温度，有利于混凝土的温控防裂。

图4 洞室二级配混凝土绝热温升曲线

图5 大坝四级配混凝土绝热温升曲线

3 微观分析

已有的研究结果表明，低热硅酸盐水泥的水化产物与普通硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥的水化产物基本相同。本文的微观分析旨在观测低热水泥-粉煤灰体系的水化产物及微结构特征、长龄期水化产物中Ca(OH)2含量，以明确水化产物的稳定性和胶凝体系无贫钙问题。

3.1 扫描电镜分析

本研究采用MA中热水泥、LB低热水泥和XF粉煤灰为原料，利用扫描电镜分析了水化过程中低热水泥+35%粉煤灰和中热水泥+35%粉煤灰胶凝体系的水化产物及微观结构特征。图6—图8为低热LB+35%粉煤灰胶凝体系水化28 d、90 d和180 d龄期的扫描电镜图片，图9—图11为中热水泥MA+35%粉煤灰胶凝体系水化28 d、90 d和180 d龄期的扫描电镜图片。由图6—图11可以看出：

图6 低热水泥+35%粉煤灰体系水化产物(28 d)

图7 低热水泥+35%粉煤灰体系水化产物(90 d)

图8 低热水泥+35%粉煤灰体系水化产物(180 d)

图9 中热水泥+35%粉煤灰体系水化产物(28 d)

图10 中热水泥+35%粉煤灰体系水化产物(90 d)

图11 中热水泥+35%粉煤灰体系水化产物(180 d)

(1)低热水泥+35%粉煤灰水化28 d时，粉煤灰表面遭受轻微侵蚀，C-S-H成针棒状并搭接成网状结构，孔隙中存在少量的Ca(OH)2晶体和一定数量的Aft晶体。水化90 d龄期时，仍存在一定数量的针棒状和网状C-S-H凝胶颗粒，Ca(OH)2晶体片状生长。180 d龄期时，水化产物堆积较为紧密，有细小C-S-H凝胶颗粒存在，Ca(OH)2晶体变得粗大厚实，但仍清晰可见。由此可见粉煤灰的二次水化虽消耗了体系中的部分Ca(OH)2,但体系中仍有一定量的Ca(OH)2存在，维持着胶凝体系的稳定性。

(2)中热水泥+35%粉煤灰水化28 d时，粉煤灰表面遭受轻微侵蚀，C-S-H搭接成网状结构，片状Ca(OH)2晶体穿插其中。水化90 d龄期时，粉煤灰颗粒表面被水化产物覆盖，水化产物变得较为致密，孔隙率进一步下降，Ca(OH)2晶体变得较为厚实。180 d龄期时，水化产物堆积紧密，已不容易观察到早期水化产物的个别粒子形态。

(3)与中热水泥+35%粉煤灰体系相比，低热水泥+35%粉煤灰体系的水化产物更细小、致密，水化早期Aft相对数量更多，水化持续的时间更长。因此低热水泥混凝土的后期强度增长率更高，强度也更高。

3.2 能谱分析

采用能谱分析方法对低热水泥+35%粉煤灰胶凝体系的水化产物Ca(OH)2进行了元素分析，如图12—图14所示。结果表明，水化产物Ca(OH)2晶体中Ca元素的质量百分比在35.47%～54.18%之间，原子百分比在18.79%～34.09%之间，由此进一步表明水化龄期180 d时，低热水泥+35%粉煤灰体系中仍有一定含量的Ca(OH)2。结合扫描电镜分析和混凝土180 d龄期力学性能较90 d龄期持续增长这一演变规律，表明水化产物稳定，未出现贫钙问题。

图12 低热水泥+35%FA胶凝体系水化产物(Ca(OH)2)能谱与元素含量(28 d)

图13 低热水泥+35%FA胶凝体系水化产物(Ca(OH)2)能谱与元素含量(90 d)

图14 低热水泥+35%FA胶凝体系水化产物(Ca(OH)2)能谱与元素含量(180 d)

4 结 论

(1)低热水泥与玄武岩和灰岩两种不同品种骨料的相容性良好、均可制备出性能优良的水工混凝土。低热水泥混凝土具有早期强度低、后期强度高的特点，其自生体积变形与中热水泥混凝土相当，干缩略低于中热水泥混凝土，抗裂性优于中热水泥混凝土。

(2)低热水泥混凝土的绝热温升低于中热水泥混凝土。低热、中热水泥大坝混凝土的绝热温升最大温差为4.8 ℃,发生在3～5 d龄期，表明低热水泥的早期温降作用明显。而该温差恰好可以削减大坝混凝土浇筑后3～5 d左右出现的最大温升值，因此采用低热水泥可有效降低混凝土的最高温度，有利于混凝土的温控防裂。

(3)微观分析表明，低热水泥+35%粉煤灰胶凝体系在180 d龄期时仍存在一定量的Ca(OH)2晶体，胶凝体系稳定，无贫钙问题。

(4)不同粉煤灰掺量下低热水泥和中热水泥胶凝体系的长龄期水化特性和低热水泥大坝混凝土的长龄期性能有待进一步的研究。

水利水电技术（中英文）

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