淺析混凝土水化熱防治措施

鮑安娜

摘 要：水泥混凝土（Cement Concrete）是以水泥等材料與水反應(yīng)生成的的膠結(jié)材料為粘結(jié)介質(zhì)，將分散其間的不同粒徑的粗、細(xì)集料聯(lián)結(jié)起來，在一定條件下，硬化成為具有一定力學(xué)性能的一種人工石材。它是現(xiàn)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣、用量最大的人造建筑材料。論述水泥水化熱的產(chǎn)生機(jī)理和及對(duì)混凝土的危害，提出相應(yīng)的防治措施。

關(guān)鍵詞：水泥；混凝土；水化熱；防治措施

混凝土水化熱源于水泥等膠凝材料水化產(chǎn)生的熱量，由于這些熱量未能及時(shí)散失而累積使混凝土內(nèi)部溫度升高，混凝土內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞?；炷恋乃療嵛：Φ姆乐螒?yīng)該從減小水化熱產(chǎn)生量和及時(shí)散熱等方面著手。

一、混凝土水化熱產(chǎn)生機(jī)理與危害

水泥水化釋放的熱量是混凝土水化熱的來源。水泥熟料主要由硅酸三鈣（3CaO·SiO）、硅酸二鈣（2CaO·SiO）、鋁酸三鈣（3CaO·AlO）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·AlO·FeO）等礦物組成。水泥加適量的水拌和后，立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，水泥的各個(gè)組分開始溶解并產(chǎn)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)與物理化學(xué)、力學(xué)的變化，這種變化可以持續(xù)很長的時(shí)間，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，形成的粘結(jié)砂石材料的可塑性漿體，逐漸失去流動(dòng)能力，并凝結(jié)硬化成為一定強(qiáng)度的石狀體。

水泥熟料的四種主要礦物水化均是放熱反應(yīng)，研究水泥熟料礦物水化的熵變值、系統(tǒng)的自由能變化以及水化過程中鍵能變化可以判斷水泥熟料活性的大小和釋放熱量的大小，研究表明：鋁酸三鈣反應(yīng)速度最快，釋放熱量最大；硅酸三鈣反應(yīng)速度較快，釋放熱量較大：鐵鋁酸四鈣反應(yīng)速度和釋放熱量居中，硅酸二鈣反應(yīng)速度最慢，釋放熱量最小。

水泥凝結(jié)硬化過程可以分為誘導(dǎo)期、凝結(jié)期和硬化期三個(gè)階段，水泥水化放熱研究表明，水泥水化過程中在水化初期（鈣釩石形成）、凝結(jié)終期（水化硅酸鈣形成）、硬化初期（單硫型水化硅酸鈣形成）形成放熱高峰。 在混凝土硬化過程中，混凝土構(gòu)筑物可能要承受各種溫度和濕度及其它原因引起變形而產(chǎn)生應(yīng)力裂縫，因?yàn)榛炷猎趦?nèi)、外約束應(yīng)力作用的情況下，混凝土構(gòu)件的自約束應(yīng)力是由于非線性的不均勻變形引起，它產(chǎn)生了局部裂縫，而混凝土構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）在外部的約束應(yīng)力由于結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的相互約束，這種約束變形可能使混凝土構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生貫穿性斷裂和局部裂縫。

因?yàn)榛炷涟韬衔飪?nèi)的水泥在水化時(shí)，要產(chǎn)生大量的水化熱，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過一定的限度，混凝土的拉應(yīng)力小于混凝土的熱漲應(yīng)力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫。這種裂縫主要出現(xiàn)在大體積混凝土或在冬期施工的混凝土。裂縫往往發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)物的變截面和混凝。

二、防治措施混凝土水化熱的措施

1. 降低混凝土水化熱 。

如前所述，混凝土水化熱來源于水泥水化釋放的熱量，因此防治混凝土水化熱的措施中，首先可以設(shè)法減少混凝土中的水泥熟料的數(shù)量，從而降低混凝土水化熱。主要有兩個(gè)具體措施：

（1）選用低水化熱的普通硅酸鹽水泥。鋁酸三鈣和硅酸三鈣是水泥熟料中反應(yīng)速度較快，釋放熱量較多的兩種礦物，為降低混凝土水化熱，在大體積混凝土中可考慮選用鋁酸三鈣和硅硅酸三鈣含量較低的水泥。

（2）優(yōu)化混凝土配合比，推廣高性能混凝土技術(shù)，在大體積混凝土中采用粉煤灰等礦物摻和料替代部分水泥，減少混凝土中水泥用量。高性能混凝土 （ High performance concrete ） 是混凝土技術(shù)的發(fā)展方向， 摻用礦物摻和料高性能混凝土的主要技術(shù)特征。粉煤灰等礦物摻和料是在后期與水泥水化時(shí)析出的Ca（OH）2產(chǎn)生二次反應(yīng)（火山灰反應(yīng)），生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，反應(yīng)速度較慢，在混凝土凝結(jié)硬化初期基本不參與水泥水化反應(yīng)，因此采用礦物摻和料替代部分水泥可以降低混凝土凝結(jié)硬化初期的水化熱。

有的混凝土結(jié)構(gòu)由于體積過大，盡管設(shè)法降低了混凝土水化熱的產(chǎn)生量，但是混凝土內(nèi)部熱量不能及時(shí)散失，累積使得混凝土內(nèi)部溫度很高，產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫。這種情況可以根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置適當(dāng)?shù)纳嵫b置，及時(shí)消散混凝土的水化熱，如設(shè)置散熱孔、通水排熱等。

3. 避免混凝土原材料溫度過高，將部分熱量帶入混凝土內(nèi)部。

如果混凝土原材料溫度過高，會(huì)部分熱量帶入混凝土內(nèi)部，將使混凝土內(nèi)部溫度過高，增加混凝土的溫度梯度，因此要預(yù)防混凝土水化熱的危害應(yīng)注意避免混凝土原材料溫度過高主要用兩種措施： 1）采用溫度較低的水來拌制混凝土。2）在混凝土粗、細(xì)集料堆積處搭設(shè)遮陽棚。

4. 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，保證混凝土內(nèi)外溫差在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)。

國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》明確規(guī)定，“對(duì)大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)，應(yīng)根據(jù)氣候條件采取控溫措施，并按需要測(cè)定澆筑后的混凝土表面和內(nèi)部溫度，將溫差控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)；當(dāng)設(shè)計(jì)無具體要求時(shí)，溫差不宜超過25℃”。

大體積混凝土施工時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)混凝土的內(nèi)外溫差的監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)外溫差超過規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)采取措施提高混凝土外部溫度，避免內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生溫度應(yīng)力給混凝土結(jié)構(gòu)帶來危害。

混凝土的水化熱是混凝土凝結(jié)硬化過程中水泥水化產(chǎn)生的熱量，若這些熱量未能及時(shí)散失使混凝土內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，將導(dǎo)致混凝土溫度應(yīng)力裂縫，破壞混凝土結(jié)構(gòu)。采用“選用低水化熱的普通硅酸鹽水泥，礦物摻和料替代部分水泥等降低混凝土水化熱；設(shè)置散熱裝置，及時(shí)散失混凝土內(nèi)部的熱量；加強(qiáng)原材料管理，避免混凝土原材料溫度過高：保證混凝土內(nèi)外溫差在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)”等措施可以有效防治混凝土水化熱的危害。endprint