水泥水化熱對混凝土早期開裂影響

1、水泥水化熱對混凝士早期開裂影響【來源：水泥工藝網(wǎng)】【2011年09月13日】0引言對于預(yù)拌混凝土應(yīng)用過程出現(xiàn)的早期開裂現(xiàn)象， 有些混凝土專家歸因于水泥 比表面積太大和早期強(qiáng)度太高；而水泥界則認(rèn)為，我國目前水泥的比表面積和早 期強(qiáng)度并不比國外的高，混凝土的早期開裂主要是混凝土施工和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)所致。 筆者認(rèn)為，必須通過混凝土生產(chǎn)者和水泥生產(chǎn)商溝通， 對早期裂縫的成因達(dá)成共 識，在水泥生產(chǎn)、混凝土配制及施工養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)共同采取措施加以解決?！案邚?qiáng)早強(qiáng)、高比表面積”及“水泥磨得太細(xì)”，這些都是表面現(xiàn)象，其本質(zhì)是早期水化熱太高及混凝土溫度應(yīng)力大的緣故。1水化熱高是混凝土早期開裂的重要原因混凝土早期開裂主要是

2、由于初凝前后干燥失水引起的收縮應(yīng)變和水化熱產(chǎn) 生的熱應(yīng)變所引起。關(guān)于混凝土的開裂，大家都已接受如下認(rèn)識：抗拉強(qiáng)度越高， 則混凝土開裂的危險(xiǎn)性越??；彈性模量大、收縮大則開裂的危險(xiǎn)性大；徐變大則 開裂的危險(xiǎn)性小。彈性模量越低，一定收縮量（或應(yīng)變）產(chǎn)生的拉應(yīng)力越小。混 凝土處于塑性狀態(tài)時(shí)彈性模量幾乎為零，任何收縮或應(yīng)變都不會產(chǎn)生拉應(yīng)力，只 有凝結(jié)固化具有一定強(qiáng)度后才有彈性模量，混凝土彈性模量隨強(qiáng)度增加而增大。 因此，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展既有利于減少混凝土的開裂又因彈性模量增大而增加混 凝土的開裂性。根據(jù)美國AC I建筑法規(guī)，混凝土彈性模量與標(biāo)準(zhǔn)圓柱體2 8d 抗壓強(qiáng)度的平方根成正比?；炷列熳冊酱?，應(yīng)力

3、松弛量越大，純拉應(yīng)力越小。 因此，彈性模量低、徐變大及收縮小的混凝土開裂的危險(xiǎn)小。高強(qiáng)混凝土因收縮 較大和徐變較小而較易開裂，而低強(qiáng)混凝土可能因收縮小和徐變大， 而往往裂縫較少。 關(guān)于干燥收縮及其避免或減少收縮的措施，大家都已達(dá)成共識，本文不擬 贅述，但對于溫度應(yīng)變引起的應(yīng)力往往認(rèn)識不足。溫度應(yīng)力是目前預(yù)拌混凝土早期開裂的一個(gè)很重要的因素。R. S p r 1 ngcnschmi d認(rèn)為，混凝土的2/3應(yīng)力來自于溫度變化，1/3來自干 縮和濕脹。水泥水化熱是混凝土早期溫度應(yīng)力的主要來源。 按照瑞典學(xué)者J . B y f o r s的觀點(diǎn)，“混凝土拌和物成型的最初幾個(gè)小時(shí)，還沒有形成凝聚結(jié)構(gòu)，

4、此時(shí)主要表現(xiàn)為黏塑性。隨著水化進(jìn)行，塑性減少，彈性模量增大，成型后48 h , 彈性模量從 1 01 0 2Mp a 迅速增長至 1 0 41 05Mp a ,增加了 3個(gè)數(shù)量級，而此期間抗壓和抗拉強(qiáng)度以正常速度增長， 因此 極限抗拉應(yīng)變由 2 h的4.0Xl()T急劇下降至 68h的0.04X 1 0 3左右，即極限應(yīng)變減小到原來的1 / 1 0 0 ,因此成型后68 h極限抗拉應(yīng)變達(dá)到最低值”。在混凝土終凝時(shí)， 抗壓強(qiáng)度只有0. 7MPa,抗 拉強(qiáng)度只有 0 . 0 7 M P a ,混凝土彈性模量按 1.0X104MPa 計(jì)，只 要產(chǎn)生大于 0. 07/(1. 0X104)=7X10 -

5、的應(yīng)變即可使混凝土開裂?；炷恋臒崤蛎浵禂?shù)為 10X10 一/C,只要混凝土內(nèi)外溫差為 1 C就足可使此時(shí)混凝土開裂。國外為使混凝土的早期不開裂， 要求1 2 h抗 壓強(qiáng)度不大于 6 M P a ,相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度約 0 . 6 M P a ,即使彈性模量仍 按1.0X104MPa 計(jì)， 此時(shí)應(yīng)變不應(yīng)大于相當(dāng)于內(nèi)外溫度梯度不大于 6 C。而國內(nèi)學(xué)者要求 2 4 h抗壓強(qiáng)度不大于 1 2 MP a , 相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度約 1 . 2 MP a, 此時(shí)應(yīng)變不應(yīng)大于 12X10 5 ,相當(dāng)于 內(nèi)外溫差不大于1 2 C。不幸的是，水泥的水化熱釋放主要集中在早期，水泥加水拌和后，立即出現(xiàn)放熱(稱為第一個(gè)放熱

6、峰)，持續(xù)幾分鐘，這可能是鋁酸鹽和硫酸鹽的溶解熱。下一階段是形成鈣礬石所放出的熱量，對于大部分波特蘭水泥， 大約在48h后，會達(dá)到第二個(gè)放熱峰頂點(diǎn)，除鈣磯石形成熱外它也包括 C3s的一些溶解熱和C S- H的形成熱。典型的波特蘭水泥在開始 3 d內(nèi)大致會放出5 0 %的水化熱。某 P 0 4 2 . 5 水泥 1 d 水化熱為 188kJ/kg, 3d為231kJ/kg, 按混凝土密 度2400kg/m葭比熱o. 96kJ/ (kgC)計(jì)，混凝土 1 d和 3 d的絕熱溫升相應(yīng)為 2 4. 4 C和3 0.0混凝土溫升的高峰一般出現(xiàn)在澆注后的3-4 d,摻粉煤灰后可推遲至第56 d , 因此，

7、從減少混 凝土早期溫度應(yīng)變出發(fā)，應(yīng)盡量減少水泥水化熱。筆者認(rèn)為，國內(nèi)外混凝土專家要求混凝土 1 d抗壓強(qiáng)度不大于 1 2 M P a或1 2 h抗壓強(qiáng)度不大于 6MP a,其實(shí)質(zhì)是降低早期水化速率和水化熱， 減少溫度應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)力。 有些施工人員反映細(xì)度太細(xì)強(qiáng)度太高的水泥配制的混凝土容易開裂，其實(shí)質(zhì)也是這些水泥早期水化快，水化熱大，使混凝土溫度應(yīng)力大的結(jié)果?；炷脸尚秃笊w濕麻袋養(yǎng)護(hù)不開裂是因?yàn)樗鸬奖癖氐淖饔?。綜上所述，對混凝土的早期開裂必須具體分析，不能一概歸咎于水泥。筆者認(rèn)為，對于低強(qiáng)度等級的混凝土特別是 C 3 0以下的混凝土，具早期開裂 主要是由于養(yǎng)護(hù)不當(dāng)所引起，而對低水膠比高強(qiáng)

8、度等級的混凝土，除此之外，水泥水化熱也起著重要的作用。2 減少水泥水化熱和混凝土溫升的重要途徑2. 1減少水泥水化熱的措施水泥水化熱的大小和放熱速率與熟料的礦物組成有關(guān)。C 3 A的水化熱和水化放熱速率最大， C 3s和CdAF次之，C2 s的水化熱最小， 放熱速率 最慢。因此減少 C3A相應(yīng)增加 CdAF、減少 C3 s相應(yīng)增加 C2 s均能 降低水化熱。但高 C 3 S、高C 3 A是水泥高強(qiáng)早強(qiáng)和預(yù)分解窯熟料工藝煨燒 所需，因此降低熟料礦物中的 C3s和C3A有一定難度。盡管已有預(yù)分解窯 生產(chǎn)出中熱硅酸鹽水泥熟料， 但仍不普遍。筆者認(rèn)為， 高溫煨燒快速冷卻、調(diào) 整硫酸鹽飽和度、減少堿含量

9、、摻入混合材、優(yōu)化水泥顆粒級配以及對水泥進(jìn)行 冷卻等降低水泥水化熱的措施均是切實(shí)可行的。1）高溫煨燒快速冷卻是減少水泥熟料 C3A含量的有效途徑。我們通常 所講的C 3 A含量是根據(jù)熟料的化學(xué)成分計(jì)算而得的潛在含量或稱理論含量。實(shí)際上，在硅酸鹽水泥熟料煨燒過程中， 一部分A1 2。3固溶于C 3 s中, 使實(shí)際生成的 C 3 A減少；另外高溫煨燒使鐵相以 C 6 A 2F形式存在， 也 使實(shí)際生成的C 3 A減少；特別是預(yù)分解窯出窯熟料于 1 3 5 01 2 8 0 c時(shí)在篦冷機(jī)上驟冷，使一部分 C3 A以玻璃體形式存在。因此預(yù)分解窯熟 料中的C3 A實(shí)際含量要比理論計(jì)算的少。2）除C3A實(shí)

10、際含量外，C3A晶型對其活性有顯著影響， 從而影響 其水化熱和水化放熱速率。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，使用X射線衍射法的 R 1 e t v e 1 d法能夠快速準(zhǔn)確地測出熟料各礦物的實(shí)際含量。 測試結(jié)果表明，由于使用 二次燃料造成熟料中 SO3含量降低，堿的硫酸鹽飽和度降低， 多余的堿進(jìn) 入C 3A品格，使立方晶型的C 3 A含量下降，斜方晶型的C3 A含量增加， 而斜方晶型的C 3 A活性特別高，因此其水化速率及水化熱增加，水泥凝結(jié)時(shí)間大為縮短， 對聚酯類超塑化劑的匹配產(chǎn)生影響。某廠使用二次燃料后硫酸 鹽飽和度從6 0 %降為 4 0%,熟料中立方晶型的 C 3 A含量從5. 3 %降 為2. 2%,

11、而斜方晶型的 C3A含量從6. 0%增加到10. 0%, 水 泥初凝時(shí)間從 3 h 2 0m i n 降為2 h 0 5 m i n。因此，熟料煨燒時(shí)一定 要注意硫酸鹽飽和度變化對礦物品型的影響，從配料或燃料方面調(diào)整硫酸鹽飽和度。3） 堿使水泥水化加速， 早期水化熱增加， 增大早期的溫度應(yīng)力。R. W. Burrows 認(rèn)為，堿是影響混凝土抗裂性能的最重要因素?！皦A 不但增大混凝土的收縮率，即使水泥的水化速率和自由收縮值相同， 堿也使混凝土的抗裂性能明顯下降。低堿水泥有良好的抗開裂性能，特別是當(dāng)堿鈉當(dāng)量低于 0 . 6 %時(shí)，抗裂性大幅度提高" 0R. Springenschmid

12、也認(rèn) 為，堿使高速公路出現(xiàn)表面開裂。 他在給Burrows的信中寫到：“我 們因5 %高速公路出現(xiàn)表面開裂而遇到很大的困難， 這只限于那些含堿鈉當(dāng)量(N a 2 O+ 0 . 6 5 8 K 2。)超過1 . 0 %水泥的路段，有時(shí)堿鈉當(dāng)量達(dá) 1 .3 %,”。文獻(xiàn)報(bào)道，德國“道路建筑通函” 1 8/1 998 (ARS18 / 1 9 9 8 ) 規(guī)定，用于高速公路的混凝土路面的水泥 “總堿含量 N a 2 O當(dāng)量0 0 . 8 4%”，“最近又將使用 CEMI和CEMH/A 類水泥 時(shí)的總堿含量降為 Na 2O當(dāng)量00 . 8 0%”。由此看來，堿對水泥混凝土的 收縮開裂性能影響很大，在水

13、泥生產(chǎn)和應(yīng)用過程中必須控制。我國北方某些廠的水泥堿含量偏高，在用于混凝土路面或飛機(jī)場跑道時(shí)應(yīng)加以注意。不過， 南方地區(qū)由于土壤經(jīng)常有雨水沖洗，堿含量不高。4)水泥越細(xì)，水化越快，放熱速率越大， 早期水化熱越集中， 產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生早期開裂。但摻入混合材細(xì)粉，既可改善水泥級配，減小水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量又可減少水化熱。美國混凝土學(xué)會2 0 7 委員會認(rèn)為，當(dāng)用火山灰代替部分水泥時(shí)，要初估水泥發(fā)熱量，一個(gè)頗為實(shí)用的方法是假定火山灰的發(fā)熱量為所取代的水泥發(fā)熱量的50%, 即HP = HO(1 0.5P), 式中 H p 和H O分別為火 山灰取代后和取代前的水化熱，P為火山灰取代量。蔡正詠

14、根據(jù)劉家峽和三門 峽的經(jīng)驗(yàn)得到 HP = HO(1 0. 5 5 P)。據(jù)報(bào)道， 某粉煤灰3 d、7 d水化熱分別為11. 7kJ/g和20. 5kJ/g,用它分別取代2 0%、4 0%、6 0 %和8 0 %的水泥后， 水化熱3 d分別下降到原來的 7 5 . 1 %、7 2 . 8 %、5 4 . 6 %和 3 1.4%; 7 d分別下降到原來的 8 0. 7%、69. 2%、52. 7 %和3 1. 8%。用比表面積 4 0 0 m2/ k g的礦渣粉取代3 5 %的某普通水泥時(shí)， 3 d水化熱從2 3 5 k J/k g下降至1 6 0 k J/k g , 水化熱減少了 3 2%。盡管

15、混合材取代水泥后 水化熱下降情況隨水泥品種和工程實(shí)際情況變化較大， 但減少水化熱的趨勢是 確定無疑的。因此， 就減少水化熱而論， 生產(chǎn)摻混合材的水泥是十分有效的。5 ）增加混合材摻量雖然可以降低水泥的水化速度和水化熱，但水泥以及所配混凝土的早期強(qiáng)度也隨之降低，從而影響拆模時(shí)間和施工進(jìn)度。對于該問題，可以從以下兩方面認(rèn)識和解決：廉慧珍等認(rèn)為， 早期強(qiáng)度過高的水泥所配混凝土的后期強(qiáng)度增長率下降甚至倒縮，對混凝土的耐久性不利。吳笑梅等認(rèn)為，“水泥的3 d強(qiáng)度是施工的要求，水泥的2 8 d強(qiáng)度是混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的需要，而遠(yuǎn)齡期強(qiáng)度指標(biāo)則是混凝土耐久性（強(qiáng)度補(bǔ)充及自愈合）的需要。 合理或較低的早期強(qiáng)度，較

16、高的后期及遠(yuǎn)齡期強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)水泥重要的性能指標(biāo) 之一”。因此，應(yīng)將混凝土耐久性放在第一位，施工進(jìn)度應(yīng)服從混凝土耐久性的需要，摻入混合材后水泥的早期強(qiáng)度適當(dāng)降低是可以接受的。在不增加水 化熱的情況下，可以通過調(diào)整膠凝材料的顆粒級配來提高早期強(qiáng)度。硬化漿體的 強(qiáng)度取決于材料的原始堆積密度和水泥水化產(chǎn)物對原始空隙的填充程度，在不提高水泥水化速度即早期水化產(chǎn)物數(shù)量的情況下，降低膠凝材料的原始空隙率即提高其堆積密度，可以提高其強(qiáng)度特別是早期強(qiáng)度。張大康的研究表明，在 P - I 4 2 . 5 R 硅酸鹽水泥（比表面積 3 3 3 m /kg）,中摻入4 % 的高細(xì)石灰石粉（比表面積1194m kg）和2

17、6 %的礦渣粉（比表面積4 14m 2/k g）,與單摻3 0 %礦渣粉相比較，水泥3 d抗 壓強(qiáng)度顯著增加（從2 4 . 6 M P a 增加至2 9. 4MP a）; 與母體水 泥（P I 4 2 . 5 R） 比較，3 d抗壓強(qiáng)度只有很少的降低， 2 8d抗 壓強(qiáng)度提高了 9 . 4MP a,其原因與高細(xì)石灰石粉的填充作用有很大關(guān)系?？梢娍梢酝ㄟ^調(diào)整顆粒級配， 在混合材摻量不變的情況下提高水泥的早期強(qiáng)度，或者在水泥的3 d強(qiáng)度基本保持不變的情況下，摻入較多混合材。朱寶林等的試驗(yàn)表明， 當(dāng)水泥堆積密度從0 . 6 0 6 2 增加至0.6 6 8 5 時(shí)，達(dá) 到相同凈漿流動(dòng)度時(shí)的水泥水灰比

18、從 0.196降低到0. 150,降幅達(dá) 2 3. 5 %,在相同水泥用量及工作性能的情況下，混凝土的強(qiáng)度必然隨之增加。由此可見應(yīng)設(shè)法提高水泥顆粒的堆積密度。據(jù)報(bào)道，最佳堆積密度的理想篩析曲線可用F u 1 1 e r 曲線來表示， 具顆粒分布特點(diǎn)是比較寬，以8 0Il m為最大顆粒計(jì)算， 其 1 m的顆粒含量約為1 7 %, 3 m的顆粒含量約為27%,而32Nm的顆粒含量約為3 1 %。但從充分發(fā)揮熟 料的膠凝作用來說，具顆粒分布應(yīng)盡量集中在332nib(65%), 1的顆粒含量最好為 0,即顆粒分布盡量窄一些。為了滿足顆粒最佳堆積 密度和充分發(fā)揮熟料的膠凝作用這兩方面的要求，可以單獨(dú)粉磨

19、熟料， 使其顆粒分布盡量集中在 33 2 m,再摻入顆粒分布適當(dāng)?shù)幕旌喜?，使混合后的水泥顆粒級配盡量靠近 F u 1 16r曲線，由于配制出的水泥中 3m的熟料顆粒含量低，因此其水化熱比較低；由于摻入混合材后水泥顆粒堆積密實(shí)了，因此其早期強(qiáng)度不會明顯降低。趙東鎬將3-30 m顆粒含量為6 8 %、 3 m的顆粒含量為 9.5% 的水泥(X'=21. 4 m, n = l. 17) 與 Fuller 曲線進(jìn)行了 對比，發(fā)現(xiàn)前者 2. 7nhi及42. 2 m的顆粒含量分別比后者約低 1 5 %和1 8 %,而2 . 74 2 . 2 m的顆粒含量則相應(yīng)比后者高 3 3 %。 進(jìn)而提出用硅

20、酸鹽水泥配制膠凝材料時(shí)，用硅灰來補(bǔ)充0. 1 m的顆粒，用風(fēng)選粉煤灰、磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣、磨細(xì)石灰石和磨細(xì)火山灰質(zhì)材料來補(bǔ)充 0.12. 7 m的顆粒，用風(fēng)選后的粗粉煤灰、粗磨鋼渣等來補(bǔ)充4 2 . 2 仙m的顆粒，并可以通過計(jì)算求出各種混合材的摻量，使膠凝材料的顆粒分 布盡量接近 Fuller曲線。當(dāng)然， 除了在生產(chǎn)水泥時(shí)通過摻加混合材的 形式調(diào)整水泥顆粒級配外，也可在配制混凝土?xí)r通過摻入礦物摻合料進(jìn)行調(diào)整。6）另外， 對水泥進(jìn)行冷卻也可使水泥使用時(shí)的水化熱降低。因?yàn)闇囟忍?高水化加快，另外溫度高使混凝土拌和物溫度提高。 國內(nèi)外的實(shí)踐表明， 采用 水泥冷卻器可使成品水泥從 1 0 01 2

21、 0 C冷卻至 6 07 0 C。7）水泥的均勻性影響混凝土中水泥的用量，從而影響混凝土的溫開。水泥的強(qiáng)度直接影響混凝土中水泥的用量，穩(wěn)定性不好的水泥（水泥的強(qiáng)度、水化熱及需水量等標(biāo)準(zhǔn)偏差大），設(shè)計(jì)混凝土配比時(shí)為了構(gòu)件的安全只能按水泥強(qiáng)度的低限值計(jì)算水泥摻量，這樣對于處于強(qiáng)度上限附近的水泥摻入量相對過 多，強(qiáng)度過高， 水化熱也相對增大， 從而影響混凝土的溫開。因此， 水泥技 術(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差過大， 既影響水泥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益， 又對混凝土的溫升造成 不利影響， 水泥企業(yè)應(yīng)采取措施確保出廠水泥的均勻性。2. 2減少混凝土溫度應(yīng)力的措施減少混凝土溫度應(yīng)力的措施有摻礦物摻 合料和緩凝劑。前者可減少水泥

22、水化熱和水泥堿含量，后者可推遲放熱峰出現(xiàn)的時(shí)間，這已在很多實(shí)踐中得到證實(shí)。但混凝土的養(yǎng)護(hù)問題尚未引起人們的充 分重視。GB50204 2002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范第 7. 4. 7條規(guī)定：”應(yīng)在混凝土澆注完畢后 1 2 h以內(nèi)對混凝土加以覆蓋并 保濕養(yǎng)護(hù)；混凝土澆注養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于 14d,澆水次數(shù)應(yīng)能保持混凝土處 于潮濕狀態(tài)；采用塑料布覆蓋養(yǎng)護(hù)的混凝土，其敞開的全部產(chǎn)品應(yīng)覆蓋嚴(yán)密，并 保持塑料布內(nèi)有凝結(jié)水”。目前的混凝土有多少工程按照規(guī)范對混凝土養(yǎng)護(hù)14 d ?混凝土的早期開裂， 恐怕與養(yǎng)護(hù)不好有很大關(guān)系。又如，J TG F 3 0 2 0 0 3公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范 第9.3.5條規(guī)定，水 泥混凝土路面”應(yīng)特別注意前7 d 的養(yǎng)生。一般養(yǎng)生天數(shù)宜為 1 42 1 d ,高溫天不宜少于 1 4 d ,低溫天不宜少于 2 1 d。摻粉煤灰的混凝土路面，最 短養(yǎng)生時(shí)間不宜少于 2 8 d,低溫天氣適當(dāng)延長”?？峙戮透儆腥俗龅搅恕?筆者認(rèn)為，澆注完畢后應(yīng)加塑料膜覆蓋避免混凝土的早期水分損失，另外在塑料膜上蓋麻袋或草袋保溫， 避免混凝土內(nèi)外溫差過大， 減少表面與內(nèi)部之間過 大的溫度梯度引起的應(yīng)力。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，普通混凝土澆注后第 34d內(nèi)部溫度達(dá)到峰值， 摻粉煤灰后可推遲至第 56 d,因此不要在澆注后的