水泥水化热研究与分析

水泥水化热研究与分析

摘要: 在水泥较长的散热过程中，水泥浆会逐渐凝结和硬化。水泥内部物质处于高能状态，随着时间推移，水泥浆体性质将会趋向于稳定。针对于水泥水化热的研究，不仅可以保证结构物的施工质量，还能适当降低工程成本造价，本文首先介绍了影响水泥水化热大小的影响因素以及计算法方法，然后根据笔者经验讲述了几种降低水泥水化热的措施。

关键词:水泥水化热、措施、配合比、增加、热量

引言

随着国家经济的快速发展，越来越多的工程建筑拔地而起，市场对于水泥需求量也是越来越大。水泥在水化过程中产生的热量将会聚集在结构物内部不易散失出去，将会导致混凝土温度提高，随着混凝土龄期增加，绝热升温将会在2至4天内达到最高状态，在未受地基约束的部位，如果混凝土的内外温差过大，内部温度较高的混凝土约束外强度远大于其抗拉强度，将在混凝土的表层产生拉应力，若此时混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时就会产生表层温度裂缝。若养护不当，表面裂缝将会进一步发展成深层裂缝。在受地基约束的部位，将会产生较小的压应力。因混凝土的散热系数较小，它从最高温度降至稳定温度需要较长时间，在此期间，混凝土的变形模量有了很大的增长，较小的变形就能产生较大的应力。由于混凝土的早期体积变形，主要来自于水泥的水化热温升，并且降低水化热是防止混凝土早期开裂的有效途径，因此，我们有必要对水泥混凝土的水化热进行研究，以尽量避免温度裂缝的出现。

一、水化热的计算与分析

1、水泥水化热分析

水泥在水化时会发生温度变化，这主要源于几种无水化合物组分的溶解热和几种水化物在溶液中的沉淀热。这些热值的代数和就是水泥在任何龄期下的水化热。国家标准GB T 12959-2008规定了水泥水化热的测定方法，但是水泥水化热的测定较复杂，一般水泥厂都不会配备有这方面的仪器，有些水泥厂曾经添置过水泥水化热的测试仪器，但也没能很好地使用，关键是水化热测试对仪器和操作技术的要求较高，一般的工人难以熟练掌握该技术。水泥水化热大小与水泥内部矿物质成分有一定的关系，在同等量的水泥情况下，具有C3A的水泥水化热最大，其次是C3S，最后是C4AF。水化热越大，水泥浆体单位时间内放出热量也将会越多。工程实践中一般是通过增加三氧化二铁与氧化铁含量之比作为降低C3A的指标，为了达到更好的效果，可以在上述基础上，对C3S含量进一步降低。

2、我国水泥水化热情况分析

我国在很多水泥里面都会添加不同数量的材料，如何对水泥水化热过程中释

放热量的估算是一个值得探讨的问题。一般情况下，通过掺入混合料，可以适当降低水泥水化热。我国科研工作人员在总结国内外先进经验基础上，提出了一种可以估算掺有混合材料的水泥水化热含量的方法。其理论计算公式如下：

Qp=Qo（1-mp）；

Qp为掺有混合料水泥水化热，单位是cal/g；

Q0为没有掺混合料水泥水化热，单位是cal/g；

m为经验系数，其变化范围为1至2，在混合材水化活性与熟料含量相当时，m可以取0值；如果混合材在水泥水化过程中，没有起到作用，那么此时m可以取值为1。

目前工程实践中用到的混凝土一般会添加矿渣、粉煤灰等矿物，这些矿物可以有效降低水化热释放出来的热量。高水胶比材料会加速水泥水化热速度，反之，低水胶比材料会降低水泥水化热速度。在低水胶比条件下，水泥中硅灰在不同阶段会表现出不同的性质，由于可以增加水泥水化热的诱导期，所以硅灰可以在一定程度上降低水化热的速度。另外，硅灰还会随着水胶比的增加，对水化热进程有推动作用。硅灰和粉煤灰同时加入水泥内，水泥水化将会被严重地延迟，水化热减少并且硅灰的早期性状变化将会延迟，其加速作用也会逐步降低。硅灰对水化放热值以及水化放热速度影响取决于它在水化过程中的物理化学反应。

不同的混凝土试验组分如果内部水胶比不同，那么可以通过改变混凝土中的粉煤灰的比重来改变其性质。当粉煤灰在混凝土中的含量增加达到40%时，试验组分的水化热也会达到一定程度。如果继续增加粉煤灰，那么试验组分的水化热将会逐步减少。经研究发现，在水泥水化的前一个小时内，粉煤灰可以使硅酸盐水泥获得更多的水分，在其后阶段粉煤灰可以起到相反作用，对水泥水化起到减速的作用，这主要是由于粉煤灰的活性差所决定的，另外随着粉煤灰含量增加，其稀释性也会逐渐降低。

二、降低水泥水化热的技术措施分析

根据本文前面提到的水泥水化热的影响因素，下面分析下降低水泥水化热的措施。

1、水泥掺加料含量分析

水泥水化热的大小将会强于粉煤灰以及其他一些添加料的水化热大小，比如说在标准养护条件下，7d时水泥水化热约为粉煤灰的三倍，在28d条件时，水泥水化热将会是粉煤灰2倍。在水泥中添加掺加料不仅可以节省水泥使用，还可以增加水泥产量，降低水泥厂以及施工单位的成本，为企业效益增加贡献了一定的力量。另外，在混凝土性质方面也会有一定改善作用，比如添加了粉煤灰的混凝土可以改善结构力学性能，还可以提高结构物的耐久性。

2、调整水泥熟料配料方案

水泥搅拌站可以根据工程具体需要，改变混凝土配合比以及配合组分。比如可以根据设计配合比适当降低石灰饱和系数值或者降低铝氧含量，另外对于那些中、低热水泥可以适当降低C3A或者C3S的含量。

3、改变水泥细度大小以降低水泥水化热

水泥细度大小也会影响着水泥水化热程度，当水泥细度较大时，水泥水化过程就比较短，速率就会比较快，为此要根据工程实际情况，可以在选用那些低水化热水泥基础上，适当降低水泥细度，通过改变水泥生产工艺以确保水泥水化热满足工程建设的需要。

综上，水泥水化热大小和速率主要与水泥内部矿物成分、掺和料性质、水泥加工工艺等因素有关系。针对于一些大体积混凝土浇筑而言，在混凝土配合比设计以及搅拌阶段，可以通过优化混凝土级配充分利用混凝土的后期强度，适当减少每立方米混凝土中水泥用量方法降低大体积混凝土水化热影响。另外，还可以通过使用粗骨料，尽量选用粒径较大，级配良好的粗骨料或者通过掺加粉煤灰或掺加相应的减水剂，改善和易性、降低水灰比，以达到减少水泥用量、降低水化热的目的。在混凝土温度控制方面，可以在基础内部预埋冷却水管，通入循环冷却水，强制降低混凝土水化热度。在厚大无筋或少筋的大体积混凝土中，掺加总量不超过20%的大石块，也可以降低水化热。在水泥水化热方面，材料科研以及施工人员一定要发挥自身专业技能，在保质保量的基础上，开发出水化热更低的水泥生产、搅拌以及混凝土施工工艺，以保证混凝土结构物的质量。

参考文献：

【1】蒋春祥;胡晓东;潘荣生粉煤灰和矿粉对水泥水化热的影响研究【J】水利建设与管理，2004,07

【2】张岗;贺拴海;宋一凡混凝土箱梁水化热温度损伤安全评价模型研究【J】安全与环境学报，2007,04

【3】王解军;卢二侠;李辉浅谈混凝土外加剂与水泥适应性的改善措施【J】中外公路，2010,03

【4】何廷树;申富强;王福川;王会安复合使用高效减水剂与缓凝剂对水泥水化历程的影响【J】硅酸盐学报，2004,07

【5】杨华全;覃理利;董维佳掺粉煤灰和高效减水剂对水泥水化热的影响【J】公路交通科技(应用技术版)，2010,03