普通硅酸鹽水泥水化熱影響因素試驗(yàn)研究

陳 松，劉汝生，王起才

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.濟(jì)南鐵路局設(shè)計所，山東濟(jì)南 250000)

水泥水化過程是一個多因素影響下的水泥與水的物理化學(xué)反應(yīng)過程，水泥水化過程將直接影響混凝土構(gòu)造物的各項性能指標(biāo)[1]?，F(xiàn)有水泥水化熱的研究主要是針對各礦物組分水化反應(yīng)的研究[2]，由于水泥各組分化學(xué)反應(yīng)過程中相互作用、相互影響，將各組分分開研究對實(shí)際工程指導(dǎo)意義較小。本文基于水泥凈漿水化熱試驗(yàn)，分析水泥水化反應(yīng)影響因素及其作用機(jī)理，為具體工程中水化熱控制及水泥水化理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

水泥為蘭州甘草牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度為2.6%，比表面積332 m2/kg，其他性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求;水為普通飲用水;測溫元件為JDC-2建筑電子測溫儀。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分5組，入模溫度分別為25℃，35℃，45℃，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T的關(guān)系服從阿倫尼烏斯(Arrhenius S A)方程[3]，因此設(shè)置不同初始溫度研究其影響。根據(jù)危鼎等人的研究，當(dāng)水灰比低于0.42時，水泥材料水化反應(yīng)不徹底[4]，即水灰比會影響水泥最終的水化狀態(tài)，因此將試驗(yàn)中水灰比定為0.24，0.42，0.60。各組水泥凈漿的試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 各組水泥凈漿試驗(yàn)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)中的直接法測定水泥凈漿7 d水化熱，將熱量計放在恒溫(相對絕熱)環(huán)境中，測定水泥水化的溫度變化，計算熱量筒中能量變化以及熱量桶散失的熱量，兩者相加得到水泥的水化熱。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 各組水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水灰比

圖1 不同水灰比水泥溫度變化曲線

不同水灰比水泥溫度變化曲線見圖1。由圖1可得，CS-3組最早達(dá)到溫度峰值，溫度峰值為93.7℃，在達(dá)到峰值后溫度迅速降低;CS-2組最晚達(dá)到溫度峰值，溫度峰值為81℃，在達(dá)到峰值后溫度降低較為緩慢;CS-1組在達(dá)到溫度峰值前，變化規(guī)律與CS-3相似，在達(dá)到溫度峰值后，變化規(guī)律與CS-2相似。分析原因，溫度峰值大小以及出現(xiàn)時間的差異與水的比熱容有關(guān)，水的比熱容較大，水灰比最大的CS-2組在吸收相同甚至更多熱量時，溫度變化值較小。CS-3組在溫度達(dá)到峰值后迅速降低的原因是水灰比最小，由于水分較少，前期水化反應(yīng)耗盡大部分水分，后期漿體中參與水化反應(yīng)的水含量少導(dǎo)致反應(yīng)速率迅速降低，水化反應(yīng)幾乎停止。

不同水灰比水泥水化熱變化曲線見圖2。由圖2可得，CS-2組水化熱最大，CS-3組水化熱最小;CS-1組與CS-2組最終水化熱相差較小，CS-3組與CS-1組、CS-2組最終放熱量相差較大;CS-3組在后期水化反應(yīng)幾乎停止，水化熱變化較小。CS-2組在120 h內(nèi)與CS-1組水化熱基本相當(dāng)，在120 h后CS-1組水化反應(yīng)基本停止，CS-2組水化反應(yīng)進(jìn)行緩慢。分析原因，水泥水化熱與水灰比成正比，水灰比越大，水與水泥顆粒越能充分接觸，有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，因而水灰比越高放熱量越高。普通硅酸鹽水泥完全水化所需最小水灰比在0.42左右，而CS-3組水灰比低于該最小水灰比，水化反應(yīng)的提前中止，導(dǎo)致7 d水化熱偏小。在后期反應(yīng)過程中C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物會阻擋水分在漿體中的遷移擴(kuò)散，降低水化速率。CS-2組水灰比大，水分分布均勻，水化產(chǎn)物的阻擋作用減小，所以120 h后CS-2組水化反應(yīng)速率比CS-1組大。

圖2 不同水灰比水泥水化熱變化曲線

根據(jù)普通硅酸鹽水泥水化熱總量Q與水灰比(W/C)的估算關(guān)系式[5]，計算得到 CS-1，CS-2，CS-3組的水化熱分別為 325.01，362.16，256.67 kJ，CS-1，CS-2，CS-3組實(shí)測值為 327.55，340.37，221.81 kJ，CS-1組估算值與實(shí)測值基本吻合，CS-2，CS-3組估算值與實(shí)測值相比偏大。這是因?yàn)樗嗨^程是多因素相互影響、共同作用的過程，水灰比變化會引起其他因素的變化，從而對水化反應(yīng)產(chǎn)生影響，因此單一的水化熱與水灰比的關(guān)系不能完整準(zhǔn)確地描述水泥水化反應(yīng)。

2.2 入模溫度

由圖3可見，3組水灰比相同入模溫度不同水泥水化溫度的上升、降低規(guī)律相似。7 d水化熱從大到小依次為CS-1，CS-4，CS-5，且3組基本呈線性規(guī)律。分析原因，初始環(huán)境溫度越高，水泥水化越快，水化放熱越多;同時溫度過高又會導(dǎo)致水分蒸發(fā)抑制水化反應(yīng)的進(jìn)行，因而造成3組水泥溫度效應(yīng)規(guī)律相似。

圖3 不同入模溫度水泥溫度變化曲線

由圖4可知，3組水灰比相同入模溫度不同水泥7 d的水化熱不同，入模溫度越高水化熱越小。水泥水化的最佳溫度應(yīng)在25℃或以下，3組水化熱存在差異的原因是水泥水化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，在溫度達(dá)到一定值后，溫度的增長會抑制水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時水泥凈漿溫度過高會引起漿體內(nèi)的水分蒸發(fā)，也會對水泥水化造成一定影響。

圖4 不同入模溫度水泥水化熱變化曲線

2.3 普通硅酸鹽水泥相對絕熱條件下水化程度

假設(shè)試驗(yàn)用普通硅酸鹽水泥各組分含量:硅酸三鈣(C3S)38%、硅酸二鈣(C2S)29%、鋁酸三鈣(C3A)10%、鐵鋁酸四鈣(C4AF)23%，將上述參數(shù)代入伍茨(Woods)水化熱經(jīng)驗(yàn)公式[2]，得到水泥完全水化時的水化熱為403.68 kJ。水泥水化伴隨終生，前期反應(yīng)較為集中，28 d時普通水泥水化程度能達(dá)到80% ～90%，28 d后水化反應(yīng)十分緩慢。本試驗(yàn)相對絕熱條件下普通硅酸鹽水泥7 d水化熱在220～340 kJ。前者是普通硅酸鹽水泥完全水化時的理論放熱量，后者是相對絕熱條件下普通硅酸鹽水泥7 d水化放熱量。各組分百分量假設(shè)值可能與實(shí)際存在誤差，同時試驗(yàn)過程的操作和數(shù)據(jù)測量也會產(chǎn)生一定的誤差，這些均會對水泥水化程度的判定造成一定的影響。試驗(yàn)中CS-1，CS-2 組7 d 水化熱為327.55，340.37 kJ，與普通環(huán)境中水泥28 d水化熱相同[6]，因此可以認(rèn)為，相對絕熱條件下水泥7 d水化程度與普通環(huán)境中28 d水化程度相當(dāng)。

3 結(jié)論

1)水灰比越大，相同時間內(nèi)水泥水化程度越高。

2)水泥入模溫度越高，初期水泥水化程度越高，但后期水化熱減小。水泥入模溫度主要影響水泥水化的前期，對穩(wěn)定期影響較小;水灰比影響水化的全過程。

3)相對絕熱條件下普通硅酸鹽水泥7 d水化熱總量一般有220～340 kJ。

4)相對絕熱條件下水泥7 d水化程度與普通環(huán)境中28 d水化程度相當(dāng)。

[1]董必欽，馬紅巖.水泥膠凝材料水化進(jìn)程及力學(xué)特性研究[J].混凝土，2008(5):23-25.

[2]施惠生，黃小亞.硅酸鹽水泥水化熱的研究及其進(jìn)展[J].水泥，2009(12):4-9.

[3]天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2001.

[4]危鼎，戴耀軍，王桂玲.膠凝材料水化熱計算問題探討[J].水泥，2009(3):15-17.

[5]WITTMANN F H，SCHWESINGER P.高性能混凝土材料特性與設(shè)計[M].北京:中國鐵道出版社，1998.

[6]張子明，馮樹榮，石青春，等.基于等效時間的混凝土絕熱溫升[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，32(5):573-577.