大體積混凝土絕熱溫升研究現(xiàn)狀及展望

沈松霖 常 晨 季凡杰

（1、西京學院，陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安710123 2、河北建筑工程學院，河北 張家口075000）

新拌混凝土在凝結(jié)硬化過程中會由于水泥基材料與水的水化反應(yīng)產(chǎn)生大量的水化熱。隨著水化熱的累積，混凝土的溫度迅速上升，直到數(shù)日后水化熱產(chǎn)生速率逐漸降低至與散熱速率相當。由于工民建的一些普通尺寸的混凝土構(gòu)件斷面尺寸較小，因此構(gòu)件散熱條件好，其混凝土內(nèi)外溫差不大，整個構(gòu)件的變形基本保持一致，不至于產(chǎn)生嚴重的溫度裂縫。隨著我國經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，大體積混凝土工程也在逐漸增多。大體積混凝土由于尺寸較大，散熱慢，水化熱導致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫升顯著。當溫度回落時混凝土收縮會受到周圍約束限制從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，若溫度應(yīng)力超過混凝土抗裂拉應(yīng)力將導致混凝土開裂。

1 水化機理

水化熱是水泥基材料與水拌和后，水泥熟料礦物等被水化生成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、氫氧化鈣等水化產(chǎn)物時的熱效應(yīng)。各種物質(zhì)的水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量相差很大，水化熱的值與物質(zhì)的本質(zhì)及所結(jié)合的水分子的數(shù)目有關(guān)。硅酸鹽水泥中含有多種水硬性礦物，水硬性礦物與水發(fā)生化學反應(yīng)形成含水結(jié)晶物，在發(fā)生硬化時所放出的熱量就是該礦物水化熱的值。當混凝土水化時放出熱的速率較快且放熱總量較多時，大體積混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而導致混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，嚴重損害混凝土的結(jié)構(gòu)，影響其使用壽命。因此，水化熱是大體積混凝土的主要技術(shù)指標之一。

近幾十年來，人們對水泥基材料水化機理進行了大量的研究，并建立了從大體積混凝土的危害性問題出發(fā)，不僅要考慮水泥基材料水化的放熱數(shù)量，還要考慮水泥基材料水化的水化動力學。Kondo 提出了水化數(shù)學模型，通過研究水化程度與水化動力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水泥的水化分為5 個時期，分別為起始期、誘導期、加速期、減速期和穩(wěn)定期。Krstulovic-Dabic 提出了水泥基材料水化反應(yīng)的動力學模型，該模型將水泥基材料的水化反應(yīng)過程分為成核結(jié)晶與晶體生長過程（NG）、相邊界反應(yīng)過程（I）和擴散過程（D）。雖然近幾年提出了幾種不同的較為準確的模型模擬了水泥早期的水化過程，但是水化機理的許多細節(jié)至今仍不確定。

2 絕熱溫升影響因素

2.1 初始入模溫度

化學反應(yīng)方程式所表達的反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系，都是在恒溫條件下描述的，即反應(yīng)速率k 在給定溫度下是常數(shù)。但是反應(yīng)溫度變了，k 值也隨之改變，所以溫度對化學反應(yīng)速率的影響就是反應(yīng)溫度對速率k 的影響。范特霍夫規(guī)則表示，溫度每升高10℃，反應(yīng)速率大約為原來速率的2-4 倍。

Alexandre G. Evsukoff 等[1]運用混凝土水化絕熱溫升過程的數(shù)據(jù)挖掘方法得到的結(jié)果，表明了混凝土的初始溫度是在水化反應(yīng)過程中起重要作用的變量。馮德飛[2]針對混凝土箱梁進行水化熱溫度試驗，在箱梁的頂板、腹板、底板分別布置了溫度傳感器，從混凝土入模開始量測水化熱溫度的變化情況。對秦沈客運專線箱梁溫度實測結(jié)果的分析，總結(jié)了箱梁混凝土早期水化熱溫升的發(fā)展規(guī)律，初始入模溫度越高，水化溫升越高。并指出，為了防止混凝土因溫度應(yīng)力而開裂，初始入模溫度應(yīng)控制在30℃以下。

2.2 摻合料

粉煤灰和礦渣等是目前大體積混凝土工程中常見的摻和料。摻合料對混凝土的絕熱溫升有著重要影響，粉煤灰的主要化學成分為SiO2、Fe2O3和Al2O3。將一部分水泥置換成粉煤灰后，混凝土的絕熱溫升值會隨著粉煤灰摻量的增加而降低，這是因為粉煤灰水化反應(yīng)放出的熱量低于水泥水化反應(yīng)放出的熱量。吳浪等[3]針對粉煤灰- 水泥漿體二元體系的水化動力學研究表明，添加粉煤灰會降低混凝土的總水化程度，隨著粉煤灰的摻加，水泥顆粒周圍水化硅酸鈣的有效擴散系數(shù)會增大，進一步促進水分在水化硅酸鈣層的擴散。因此可以得出結(jié)論，與普通硅酸鹽水泥相比，摻加粉煤灰的硅酸鹽水泥會加速水泥的水化進程。

2.3 水灰比

水灰比對大體積混凝土的絕熱溫升有著重要的影響。其他條件相同時，水灰比越低，混凝土水化溫升達到的峰值越高。但因為水化熱會放出大量的熱，導致反應(yīng)溫度升高，進而促進了水化反應(yīng)的進行。所以在標準狀態(tài)下得溫升峰值有所偏低。HU J[4]等針對水泥細度和水灰比對砂漿早期水化熱和凝結(jié)時間的影響進行研究發(fā)現(xiàn)，水化初期低水灰比的混凝土比高水灰比的混凝土產(chǎn)生的水化熱多。

2.4 混凝土的組分

混凝土水化熱引起的絕熱溫升與水泥用量和水泥品種有關(guān)，并且隨混凝土齡期的增加呈指數(shù)增長。在2d～4d 時內(nèi)達到最大的絕熱溫升。水泥各個孰料的反應(yīng)速率是有差別的，它們的水化熱放熱值順序約為：C3A>C3S>C4AF>C2S[5]。水泥熟料中，以上四種礦物可占95%以上。所以盡量選用C3A 含量少的水泥，以膠凝材料的選取來降低混凝土的絕熱溫升值。

2.5 活化能

為了能夠發(fā)生化學反應(yīng)，普通的分子需要吸收足夠的能量，使其轉(zhuǎn)化成活化分子。普通分子轉(zhuǎn)化成活化分子需要的最少能量就是活化能。在水化過程中，反應(yīng)溫度對化學反應(yīng)速率的影響系數(shù)服從Arrhenius 方程，活化能越高水泥水化反應(yīng)的溫度越敏感以及養(yǎng)護溫度越高化學反應(yīng)速率越高。祝小靚[6]對ASTM C1074-04 活化能測試方法做了改進，指出了溫度對混凝土水化反應(yīng)速率的影響，通過測得抗沖摩混凝土的活化能，總結(jié)出了摻合料和外加劑對混凝土活化能的影響，硅粉和膨脹劑能夠提高混凝土的活化能。

3 絕熱溫升模型研究

朱伯芳[7]提出的考慮水泥水化溫度影響的復合指數(shù)模型：

式中：θ0為最終絕熱溫升值；a、b、c 為由試驗數(shù)據(jù)確定的系數(shù)；τ 為時間。該模型解決了溫度對絕熱溫升的影響因素。陳川等[8]考慮水化齡期以及初始水化溫度的基礎(chǔ)上，又考慮了水化反應(yīng)程度對水泥水化放熱影響，提出了新的水泥絕熱溫升模型：

式中：θ0為最終絕熱溫升值；a、b、c、d 為由試驗數(shù)據(jù)確定的系數(shù)；τ 為時間；θ 為τ 時刻的絕熱溫升值。此模型進一步提高了水泥絕熱溫升計算模型的擬合精度。陳嘉健等[9]針對粉煤灰混凝土，利用熱補償法推導出了包含水灰比和粉煤灰摻量影響因素的絕熱溫升經(jīng)驗公式：

式中：△T 為混凝土絕熱溫升；W 為水量；C 為水泥量；F 為粉煤灰量。

4 存在的問題和展望

近年來，大體積混凝土的溫度控制得到了很大的發(fā)展，但目前，混凝土的各項性能指標基本都在20℃的標準養(yǎng)護條件下得出的，這會與實際工程的性能有所不同。張國新等[10]指出，要對大體混凝土結(jié)構(gòu)全面溫控、長期保溫、結(jié)束“無壩不裂”歷史。國內(nèi)外混凝土壩都在進行溫控措施，如預冷骨料、摻加摻合料、水管冷卻等措施。但是壩體依然存在著或大或小的溫度裂縫。如果在真實環(huán)境中得到大體積混凝土的水化熱規(guī)律，那么對大體積混凝土溫度裂縫的防護有著重要的意義。

在新材料方面陶建強等[11]針對鐵路工程大體積混凝土的水化熱及裂縫控制的研究，認為摻入相變材料會是控制大體積混凝土水化溫升的一種有效的方法。相變材料是一種具有蓄熱特性的材料，將相變材料摻入混凝土時，當混凝土內(nèi)部溫度升高至相變材料相變點時發(fā)生相變吸收熱量，當混凝土溫度冷卻后，溫度降低至相變點時，相變材料放出熱量。因此，可以降低混凝土的絕熱溫升峰值并有效地控制大體積混凝土中水化熱的上升速度，從而抑制混凝土溫度的裂縫。

5 結(jié)論

水化熱對大體積混凝土的性能有著重要的影響，然而目前還不能夠表達出實際工程中真實的大體積混凝土的化學反應(yīng)放熱。因為實際工程中的水化反應(yīng)非常復雜，影響因素眾多。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了混凝土的水化機理，分析總結(jié)了大體積混凝土水化熱引起絕熱溫升的影響因素，綜述了國內(nèi)外針對混凝土水化熱的研究。指出了目前絕熱溫升研究存在的問題，并對今后的研究進行了展望。