水泥水化熱試驗(yàn)研究分析

冀　偉

(河北省高速公路邢汾管理處， 河北 邢臺　 054009)

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水泥水化熱試驗(yàn)研究分析

冀偉

(河北省高速公路邢汾管理處， 河北 邢臺 054009)

摘要：水泥水化熱是影響混凝土工程的一個(gè)主要因素，且被認(rèn)為是混凝土早期開裂的主要原因之一。選取不同種類的硅酸鹽水泥進(jìn)行水泥水化熱試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果，研究不同水泥種類、粉煤灰和減水劑對水泥水化熱的影響。

關(guān)鍵詞：水泥；水化熱；粉煤灰；減水劑；試驗(yàn)

混凝土結(jié)構(gòu)澆筑后，在硬化過程中，由于膠凝材料水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的水化熱，使混凝土內(nèi)部溫度升高；而混凝土熱傳導(dǎo)性能較低，當(dāng)混凝土體積較大時(shí)，其內(nèi)部近似為絕熱狀態(tài)，散熱很慢，內(nèi)外形成明顯的溫差，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉極限時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生裂縫，其對混凝土的整體性、耐久性和安全性造成不良影響。

水泥的水化熱是影響混凝土工程的一個(gè)主要因素。隨著混凝土運(yùn)用越來越廣泛，混凝土水化熱問題就越發(fā)明顯。已有實(shí)測資料數(shù)據(jù)表明，混凝土水化熱引起的溫度可高達(dá)70 ℃。實(shí)際工程中，硅酸鹽水泥的絕對放熱量或水化放熱速率對于混凝土工程有很大的影響，水化熱溫度應(yīng)力已被認(rèn)為是混凝土早期開裂的主要原因之一。本文通過選取不同種類的硅酸鹽水泥進(jìn)行水泥水化熱試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來研究不同水泥種類、粉煤灰和減水劑對水泥水化熱的影響，進(jìn)而分析其作用機(jī)理。

1水泥水化熱

水泥的水化是指水泥熟料、石膏和水之間一系列化學(xué)反應(yīng)的疊加，水化熱是水泥水化過程中發(fā)生放熱反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量。影響水泥水化熱的因素有很多，主要有內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要指材料本身，包括水泥的類型和用量，外加劑料的類型和用量等。外部因素指混凝土的入模溫度、冷卻水溫度、大氣溫度、冷卻管的水流量、邊界條件等。

根據(jù)水泥水化放熱速率與時(shí)間的關(guān)系，可以將硅酸鹽水泥水化分為4個(gè)階段[1]，即誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、凝結(jié)期、硬化期，如圖1所示。

圖1　硅酸鹽水泥在水化過程中的放熱曲線

1.1誘導(dǎo)前期

水泥加水后，立即發(fā)生急劇放熱反應(yīng)，放熱率劇增，可達(dá)最大值，并出現(xiàn)第1個(gè)放熱高峰；游離的石灰、石膏與鋁酸鹽溶解，形成鈣釩石(C3A·3CaSO4·32H2O)；水化體系迅速放熱，且放熱率很大，而隨后幾min又降至很低。這個(gè)階段稱為誘導(dǎo)前期。

1.2誘導(dǎo)期

誘導(dǎo)前期發(fā)生一段時(shí)間后，隨著Ca2+濃度提高，相當(dāng)一段時(shí)間(2～4 h)內(nèi)，水化反應(yīng)速率極其緩慢，放熱率也很低。這一階段反應(yīng)幾乎停止，故稱此為潛化期或誘導(dǎo)期。有些研究者將誘導(dǎo)前期和誘導(dǎo)期合并稱為誘導(dǎo)期，故凝結(jié)硬化4個(gè)階段便分為3個(gè)階段。

1.3凝結(jié)期

誘導(dǎo)期結(jié)束，實(shí)質(zhì)上就是凝結(jié)期的開始。由于誘導(dǎo)期的潛化作用，圍繞水泥顆粒成長的凝膠體膜層破裂，致使水泥顆粒進(jìn)一步水化，而使水化反應(yīng)速度加快，所以放熱量也很快增加，出現(xiàn)第2個(gè)釋熱峰。一般認(rèn)為，這是與硅酸三鈣水化后形成水化硅酸鈣(C-H-S)和氫氧化鈣(CH)的原因。這一階段，由于C-S-H和C3A·3CaSO4·32H2O形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥漿失去塑性，開始凝結(jié)，故稱為凝結(jié)期。

1.4硬化期

終凝以后，又出現(xiàn)第3個(gè)釋熱峰，一般認(rèn)為這是由石膏耗盡后，鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)轉(zhuǎn)變?yōu)閱瘟螓}(AFm)所致。這一階段，各種水化產(chǎn)物數(shù)量增加，孔隙減少，強(qiáng)度提高，逐漸硬化，故稱為硬化期。同時(shí)，水泥放熱速率下降，顆粒間、漿體與集料間粘結(jié)。

2水泥水化熱試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

選取不同種類的硅酸鹽水泥進(jìn)行水泥水化熱試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來研究不同水泥種類、粉煤灰和減水劑對水泥水化熱的影響。

2.2試驗(yàn)方案

為了解外摻劑對水泥水化熱的影響，采用以下試驗(yàn)方案進(jìn)行研究。

1) 選取永寧32.5、太行山32.5、東岳32.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行水化熱試驗(yàn)，分析不同水泥種類水泥的水化熱，試驗(yàn)規(guī)程按照GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法(直接法)》[2]進(jìn)行。

2) 根據(jù)不同種類水泥水化熱試驗(yàn)結(jié)果，選擇永寧32.5普通硅酸鹽水泥來研究單摻粉煤灰對水泥水化熱的影響。

3) 對永寧32.5普通硅酸鹽水泥采用單摻減水劑進(jìn)行水化熱試驗(yàn)，研究單摻減水劑對水泥水化熱的影響。

4) 本試驗(yàn)委托國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1水泥種類水化熱試驗(yàn)結(jié)果

對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，列出不同種類水泥的水化熱溫度曲線和不同種類水泥水化熱數(shù)值，如圖2及表1所示。

圖2　不同種類水泥的水化熱溫度曲線

水泥種類水泥重/g水量/mL水泥漿稠度/%水化熱平均值/(kJ·kg-1)3d7d永寧32.51846329289332太行山32.51846329278325東岳32.51846329257309

注：達(dá)到水化熱最高值時(shí)間一般為3～7 d，由圖2可知，72 h水化熱過程已經(jīng)基本完成，因此表中取前3 d和前7 d的水化熱平均值。

從圖2可以看出，3種水泥的水化放熱量基本相等，但由表1可知，3種水泥3 d和7 d的溫度峰值和最小值各不相同，永寧的第1個(gè)峰值最小，而第2個(gè)峰值最大，其余2種水泥的大小波峰走向都非常明顯，由此說明不同種類的水泥水化熱不同。

1) 永寧32.5水泥第1階段釋放的熱量比其他2種要少，水化誘導(dǎo)期時(shí)間短，且水化熱溫度回落不大，基本平穩(wěn)地過渡到水化加速期，但它水化熱第2階段的溫度峰值最高。

2) 太行山32.5水泥第1階段釋放熱量居中，水化加速期的熱釋放率極快。

3) 東岳32.5水泥的第1階段釋放熱量最多，第2階段溫度峰值最低，水化熱放熱量最多。

3.2粉煤灰對水泥水化熱的影響

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同粉煤灰摻加量的水泥水化熱溫度變化曲線和水泥水化熱量圖，如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出：

1) 不同粉煤灰摻加量的水泥水化熱溫度不同，水化熱放熱量隨粉煤灰摻加量的增加而降低。

2) 添加粉煤灰可以明顯抑制水泥誘導(dǎo)期前期的水化反應(yīng)。在水泥水化誘導(dǎo)前期，遇水發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，溫度曲線非常陡。

10%粉煤灰的水泥曲線，開始幾min曲線斜率比純水泥要小一點(diǎn)，但不太明顯。20%粉煤灰摻量水泥曲線可以明顯看出，開始幾min的溫度曲線斜率小，變得緩和。在水泥硬化階段，當(dāng)粉煤灰摻量較大時(shí)，很快就進(jìn)入穩(wěn)定期。當(dāng)粉煤灰摻量較小時(shí)，需要很長時(shí)間才進(jìn)入穩(wěn)定期，10%粉煤灰摻量水泥水化放熱速率曲線在水化緩慢反應(yīng)階段又出現(xiàn)了一些放熱峰，這也是之前水化未完全的熟料繼續(xù)水化的結(jié)果[3-8]。

3) 添加粉煤灰后明顯降低了水化熱峰值，且隨著粉煤灰摻加量的增加而降低。摻入粉煤灰后，膠凝材料總的水化熱和水化峰值基本隨粉煤灰摻量的增加而降低。粉煤灰的加入推遲了最大溫度值的出現(xiàn)時(shí)間，最大值推遲時(shí)間在1～5 h內(nèi)，且溫度曲線趨于平緩，這說明粉煤灰降低了水化熱的反應(yīng)激烈程度，在水化早期粉煤灰被視為惰性粉體[4-7]。

圖3　不同粉煤灰摻加量的水泥水化熱溫度變化曲線

圖4　不同粉煤灰摻加量的水泥水化熱量圖

3.3減水劑對水化熱的影響

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同減水劑摻加量的水泥水化熱溫度變化曲線和水泥水化熱量圖，如圖5、圖6所示。從圖5可以看出，水泥中摻加減水劑后可有效降低水化熱，且效果明顯。溫度峰值比純水泥的峰值降低了4.9 ℃，比20%粉煤灰的水泥水化熱峰值降低了約1 ℃。這是因?yàn)槭褂脺p水劑后，增加了水泥漿內(nèi)游離的水，減少了參加水化反應(yīng)的水，從而減少了水化反應(yīng)放出的熱量。在水泥中添加減水劑可以延緩水化反應(yīng)，推遲水泥水化熱溫度峰值的出現(xiàn)。添加1%的減水劑后，可以明顯看出峰值推遲了9 h。從圖6可以看出，水化熱3 d和7 d放熱量隨著減水劑添加劑量增大而減小，這也證明了減水劑的使用在一定程度上可以減小水泥水化熱放熱量。

圖5　不同減水劑摻加量的水泥水化熱溫度變化曲線

圖6　不同減水劑摻加量的水泥水化熱量圖

4結(jié)論

本文對單摻粉煤灰和單摻減水劑對普通硅酸鹽水泥水化熱的影響進(jìn)行了對比研究，并得到如下結(jié)論。

1) 粉煤灰可以降低水泥總水化熱，水泥總水化熱量隨粉煤灰摻入量的增加而降低，但不成正比。粉煤灰具有較高的活性，但比其所替代那部分水泥的水化熱量要小得多。

2) 水泥中加入粉煤灰可以降低水化熱峰值，添加30%粉煤灰時(shí)，水化熱3 d和7 d的水化熱量分別下降了65、43 kJ/kg，峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲了5 h，水化熱過程得到延緩，初期水化的激烈程度得到抑制。

3) 摻入高效減水劑可節(jié)約水泥用量，大幅度降低用水量，降低水灰比，改善混凝土和易性，減少泌水，使混凝土致密化。添加1%減水劑時(shí)，明顯延遲水泥放熱峰值出現(xiàn)時(shí)間約9 h。

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Experimental Research and Analysis of Hydration Heat of Cement

JI Wei

Abstract:Hydration heat of cement is one of main factors affecting concrete works and is regarded as one of main reasons of early stage cracking of concrete. This paper selects different kinds of Portland cement to carry out the test of hydration heat of cement, and researches influences of different kinds of cement, coal ash and water reducer on hydration heat of cement based on the test results.

Keywords:cement; hydration heat; coal ash; water reducer; test

文章編號：1009-6477(2016)01-0013-04

中圖分類號：U416.216

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：冀偉(1983-)，男，河北省邯鄲市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-08-03

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.004