水泥水化热对混凝土早期开裂影响

1、水泥水化热对混凝士早期开裂影响【来源：水泥工艺网】【2011年09月13日】0引言对于预拌混凝土应用过程出现的早期开裂现象， 有些混凝土专家归因于水泥 比表面积太大和早期强度太高；而水泥界则认为，我国目前水泥的比表面积和早 期强度并不比国外的高，混凝土的早期开裂主要是混凝土施工和养护不当所致。 笔者认为，必须通过混凝土生产者和水泥生产商沟通， 对早期裂缝的成因达成共 识，在水泥生产、混凝土配制及施工养护等环节共同采取措施加以解决。“高强早强、高比表面积”及“水泥磨得太细”，这些都是表面现象，其本质是早期水化热太高及混凝土温度应力大的缘故。1水化热高是混凝土早期开裂的重要原因混凝土早期开裂主要是

2、由于初凝前后干燥失水引起的收缩应变和水化热产 生的热应变所引起。关于混凝土的开裂，大家都已接受如下认识：抗拉强度越高， 则混凝土开裂的危险性越小；弹性模量大、收缩大则开裂的危险性大；徐变大则 开裂的危险性小。弹性模量越低，一定收缩量（或应变）产生的拉应力越小。混 凝土处于塑性状态时弹性模量几乎为零，任何收缩或应变都不会产生拉应力，只 有凝结固化具有一定强度后才有弹性模量，混凝土弹性模量随强度增加而增大。 因此，混凝土强度的发展既有利于减少混凝土的开裂又因弹性模量增大而增加混 凝土的开裂性。根据美国AC I建筑法规，混凝土弹性模量与标准圆柱体2 8d 抗压强度的平方根成正比。混凝土徐变越大，应力

3、松弛量越大，纯拉应力越小。 因此，弹性模量低、徐变大及收缩小的混凝土开裂的危险小。高强混凝土因收缩 较大和徐变较小而较易开裂，而低强混凝土可能因收缩小和徐变大， 而往往裂缝较少。 关于干燥收缩及其避免或减少收缩的措施，大家都已达成共识，本文不拟 赘述，但对于温度应变引起的应力往往认识不足。温度应力是目前预拌混凝土早期开裂的一个很重要的因素。R. S p r 1 ngcnschmi d认为，混凝土的2/3应力来自于温度变化，1/3来自干 缩和湿胀。水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源。 按照瑞典学者J . B y f o r s的观点，“混凝土拌和物成型的最初几个小时，还没有形成凝聚结构，

4、此时主要表现为黏塑性。随着水化进行，塑性减少，弹性模量增大，成型后48 h , 弹性模量从 1 01 0 2Mp a 迅速增长至 1 0 41 05Mp a ,增加了 3个数量级，而此期间抗压和抗拉强度以正常速度增长， 因此 极限抗拉应变由 2 h的4.0Xl()T急剧下降至 68h的0.04X 1 0 3左右，即极限应变减小到原来的1 / 1 0 0 ,因此成型后68 h极限抗拉应变达到最低值”。在混凝土终凝时， 抗压强度只有0. 7MPa,抗 拉强度只有 0 . 0 7 M P a ,混凝土弹性模量按 1.0X104MPa 计，只 要产生大于 0. 07/(1. 0X104)=7X10 -

5、的应变即可使混凝土开裂。混凝土的热膨胀系数为 10X10 一/C,只要混凝土内外温差为 1 C就足可使此时混凝土开裂。国外为使混凝土的早期不开裂， 要求1 2 h抗 压强度不大于 6 M P a ,相应的抗拉强度约 0 . 6 M P a ,即使弹性模量仍 按1.0X104MPa 计， 此时应变不应大于相当于内外温度梯度不大于 6 C。而国内学者要求 2 4 h抗压强度不大于 1 2 MP a , 相应的抗拉强度约 1 . 2 MP a, 此时应变不应大于 12X10 5 ,相当于 内外温差不大于1 2 C。不幸的是，水泥的水化热释放主要集中在早期，水泥加水拌和后，立即出现放热(称为第一个放热

6、峰)，持续几分钟，这可能是铝酸盐和硫酸盐的溶解热。下一阶段是形成钙矾石所放出的热量，对于大部分波特兰水泥， 大约在48h后，会达到第二个放热峰顶点，除钙矶石形成热外它也包括 C3s的一些溶解热和C S- H的形成热。典型的波特兰水泥在开始 3 d内大致会放出5 0 %的水化热。某 P 0 4 2 . 5 水泥 1 d 水化热为 188kJ/kg, 3d为231kJ/kg, 按混凝土密 度2400kg/m葭比热o. 96kJ/ (kgC)计，混凝土 1 d和 3 d的绝热温升相应为 2 4. 4 C和3 0.0混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3-4 d,掺粉煤灰后可推迟至第56 d , 因此，

7、从减少混 凝土早期温度应变出发，应尽量减少水泥水化热。笔者认为，国内外混凝土专家要求混凝土 1 d抗压强度不大于 1 2 M P a或1 2 h抗压强度不大于 6MP a,其实质是降低早期水化速率和水化热， 减少温度应变所产生的应力。 有些施工人员反映细度太细强度太高的水泥配制的混凝土容易开裂，其实质也是这些水泥早期水化快，水化热大，使混凝土温度应力大的结果。混凝土成型后盖湿麻袋养护不开裂是因为它起到保湿保温的作用。综上所述，对混凝土的早期开裂必须具体分析，不能一概归咎于水泥。笔者认为，对于低强度等级的混凝土特别是 C 3 0以下的混凝土，具早期开裂 主要是由于养护不当所引起，而对低水胶比高强

8、度等级的混凝土，除此之外，水泥水化热也起着重要的作用。2 减少水泥水化热和混凝土温升的重要途径2. 1减少水泥水化热的措施水泥水化热的大小和放热速率与熟料的矿物组成有关。C 3 A的水化热和水化放热速率最大， C 3s和CdAF次之，C2 s的水化热最小， 放热速率 最慢。因此减少 C3A相应增加 CdAF、减少 C3 s相应增加 C2 s均能 降低水化热。但高 C 3 S、高C 3 A是水泥高强早强和预分解窑熟料工艺煨烧 所需，因此降低熟料矿物中的 C3s和C3A有一定难度。尽管已有预分解窑 生产出中热硅酸盐水泥熟料， 但仍不普遍。笔者认为， 高温煨烧快速冷却、调 整硫酸盐饱和度、减少碱含量

9、、掺入混合材、优化水泥颗粒级配以及对水泥进行 冷却等降低水泥水化热的措施均是切实可行的。1）高温煨烧快速冷却是减少水泥熟料 C3A含量的有效途径。我们通常 所讲的C 3 A含量是根据熟料的化学成分计算而得的潜在含量或称理论含量。实际上，在硅酸盐水泥熟料煨烧过程中， 一部分A1 2。3固溶于C 3 s中, 使实际生成的 C 3 A减少；另外高温煨烧使铁相以 C 6 A 2F形式存在， 也 使实际生成的C 3 A减少；特别是预分解窑出窑熟料于 1 3 5 01 2 8 0 c时在篦冷机上骤冷，使一部分 C3 A以玻璃体形式存在。因此预分解窑熟 料中的C3 A实际含量要比理论计算的少。2）除C3A实

10、际含量外，C3A晶型对其活性有显著影响， 从而影响 其水化热和水化放热速率。据文献报道，使用X射线衍射法的 R 1 e t v e 1 d法能够快速准确地测出熟料各矿物的实际含量。 测试结果表明，由于使用 二次燃料造成熟料中 SO3含量降低，碱的硫酸盐饱和度降低， 多余的碱进 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活性特别高，因此其水化速率及水化热增加，水泥凝结时间大为缩短， 对聚酯类超塑化剂的匹配产生影响。某厂使用二次燃料后硫酸 盐饱和度从6 0 %降为 4 0%,熟料中立方晶型的 C 3 A含量从5. 3 %降 为2. 2%,

11、而斜方晶型的 C3A含量从6. 0%增加到10. 0%, 水 泥初凝时间从 3 h 2 0m i n 降为2 h 0 5 m i n。因此，熟料煨烧时一定 要注意硫酸盐饱和度变化对矿物品型的影响，从配料或燃料方面调整硫酸盐饱和度。3） 碱使水泥水化加速， 早期水化热增加， 增大早期的温度应力。R. W. Burrows 认为，碱是影响混凝土抗裂性能的最重要因素。“碱 不但增大混凝土的收缩率，即使水泥的水化速率和自由收缩值相同， 碱也使混凝土的抗裂性能明显下降。低碱水泥有良好的抗开裂性能，特别是当碱钠当量低于 0 . 6 %时，抗裂性大幅度提高" 0R. Springenschmid

12、也认 为，碱使高速公路出现表面开裂。 他在给Burrows的信中写到：“我 们因5 %高速公路出现表面开裂而遇到很大的困难， 这只限于那些含碱钠当量(N a 2 O+ 0 . 6 5 8 K 2。)超过1 . 0 %水泥的路段，有时碱钠当量达 1 .3 %,”。文献报道，德国“道路建筑通函” 1 8/1 998 (ARS18 / 1 9 9 8 ) 规定，用于高速公路的混凝土路面的水泥 “总碱含量 N a 2 O当量0 0 . 8 4%”，“最近又将使用 CEMI和CEMH/A 类水泥 时的总碱含量降为 Na 2O当量00 . 8 0%”。由此看来，碱对水泥混凝土的 收缩开裂性能影响很大，在水

13、泥生产和应用过程中必须控制。我国北方某些厂的水泥碱含量偏高，在用于混凝土路面或飞机场跑道时应加以注意。不过， 南方地区由于土壤经常有雨水冲洗，碱含量不高。4)水泥越细，水化越快，放热速率越大， 早期水化热越集中， 产生的温度应力越大，越容易产生早期开裂。但掺入混合材细粉，既可改善水泥级配，减小水泥标准稠度用水量又可减少水化热。美国混凝土学会2 0 7 委员会认为，当用火山灰代替部分水泥时，要初估水泥发热量，一个颇为实用的方法是假定火山灰的发热量为所取代的水泥发热量的50%, 即HP = HO(1 0.5P), 式中 H p 和H O分别为火 山灰取代后和取代前的水化热，P为火山灰取代量。蔡正咏

14、根据刘家峡和三门 峡的经验得到 HP = HO(1 0. 5 5 P)。据报道， 某粉煤灰3 d、7 d水化热分别为11. 7kJ/g和20. 5kJ/g,用它分别取代2 0%、4 0%、6 0 %和8 0 %的水泥后， 水化热3 d分别下降到原来的 7 5 . 1 %、7 2 . 8 %、5 4 . 6 %和 3 1.4%; 7 d分别下降到原来的 8 0. 7%、69. 2%、52. 7 %和3 1. 8%。用比表面积 4 0 0 m2/ k g的矿渣粉取代3 5 %的某普通水泥时， 3 d水化热从2 3 5 k J/k g下降至1 6 0 k J/k g , 水化热减少了 3 2%。尽管

15、混合材取代水泥后 水化热下降情况随水泥品种和工程实际情况变化较大， 但减少水化热的趋势是 确定无疑的。因此， 就减少水化热而论， 生产掺混合材的水泥是十分有效的。5 ）增加混合材掺量虽然可以降低水泥的水化速度和水化热，但水泥以及所配混凝土的早期强度也随之降低，从而影响拆模时间和施工进度。对于该问题，可以从以下两方面认识和解决：廉慧珍等认为， 早期强度过高的水泥所配混凝土的后期强度增长率下降甚至倒缩，对混凝土的耐久性不利。吴笑梅等认为，“水泥的3 d强度是施工的要求，水泥的2 8 d强度是混凝土设计强度的需要，而远龄期强度指标则是混凝土耐久性（强度补充及自愈合）的需要。 合理或较低的早期强度，较

16、高的后期及远龄期强度是优质水泥重要的性能指标 之一”。因此，应将混凝土耐久性放在第一位，施工进度应服从混凝土耐久性的需要，掺入混合材后水泥的早期强度适当降低是可以接受的。在不增加水 化热的情况下，可以通过调整胶凝材料的颗粒级配来提高早期强度。硬化浆体的 强度取决于材料的原始堆积密度和水泥水化产物对原始空隙的填充程度，在不提高水泥水化速度即早期水化产物数量的情况下，降低胶凝材料的原始空隙率即提高其堆积密度，可以提高其强度特别是早期强度。张大康的研究表明，在 P - I 4 2 . 5 R 硅酸盐水泥（比表面积 3 3 3 m /kg）,中掺入4 % 的高细石灰石粉（比表面积1194m kg）和2

17、6 %的矿渣粉（比表面积4 14m 2/k g）,与单掺3 0 %矿渣粉相比较，水泥3 d抗 压强度显著增加（从2 4 . 6 M P a 增加至2 9. 4MP a）; 与母体水 泥（P I 4 2 . 5 R） 比较，3 d抗压强度只有很少的降低， 2 8d抗 压强度提高了 9 . 4MP a,其原因与高细石灰石粉的填充作用有很大关系。可见可以通过调整颗粒级配， 在混合材掺量不变的情况下提高水泥的早期强度，或者在水泥的3 d强度基本保持不变的情况下，掺入较多混合材。朱宝林等的试验表明， 当水泥堆积密度从0 . 6 0 6 2 增加至0.6 6 8 5 时，达 到相同净浆流动度时的水泥水灰比

18、从 0.196降低到0. 150,降幅达 2 3. 5 %,在相同水泥用量及工作性能的情况下，混凝土的强度必然随之增加。由此可见应设法提高水泥颗粒的堆积密度。据报道，最佳堆积密度的理想筛析曲线可用F u 1 1 e r 曲线来表示， 具颗粒分布特点是比较宽，以8 0Il m为最大颗粒计算， 其 1 m的颗粒含量约为1 7 %, 3 m的颗粒含量约为27%,而32Nm的颗粒含量约为3 1 %。但从充分发挥熟 料的胶凝作用来说，具颗粒分布应尽量集中在332nib(65%), 1的颗粒含量最好为 0,即颗粒分布尽量窄一些。为了满足颗粒最佳堆积 密度和充分发挥熟料的胶凝作用这两方面的要求，可以单独粉磨

19、熟料， 使其颗粒分布尽量集中在 33 2 m,再掺入颗粒分布适当的混合材，使混合后的水泥颗粒级配尽量靠近 F u 1 16r曲线，由于配制出的水泥中 3m的熟料颗粒含量低，因此其水化热比较低；由于掺入混合材后水泥颗粒堆积密实了，因此其早期强度不会明显降低。赵东镐将3-30 m颗粒含量为6 8 %、 3 m的颗粒含量为 9.5% 的水泥(X'=21. 4 m, n = l. 17) 与 Fuller 曲线进行了 对比，发现前者 2. 7nhi及42. 2 m的颗粒含量分别比后者约低 1 5 %和1 8 %,而2 . 74 2 . 2 m的颗粒含量则相应比后者高 3 3 %。 进而提出用硅

20、酸盐水泥配制胶凝材料时，用硅灰来补充0. 1 m的颗粒，用风选粉煤灰、磨细粉煤灰、磨细矿渣、磨细石灰石和磨细火山灰质材料来补充 0.12. 7 m的颗粒，用风选后的粗粉煤灰、粗磨钢渣等来补充4 2 . 2 仙m的颗粒，并可以通过计算求出各种混合材的掺量，使胶凝材料的颗粒分 布尽量接近 Fuller曲线。当然， 除了在生产水泥时通过掺加混合材的 形式调整水泥颗粒级配外，也可在配制混凝土时通过掺入矿物掺合料进行调整。6）另外， 对水泥进行冷却也可使水泥使用时的水化热降低。因为温度提 高水化加快，另外温度高使混凝土拌和物温度提高。 国内外的实践表明， 采用 水泥冷却器可使成品水泥从 1 0 01 2

21、 0 C冷却至 6 07 0 C。7）水泥的均匀性影响混凝土中水泥的用量，从而影响混凝土的温开。水泥的强度直接影响混凝土中水泥的用量，稳定性不好的水泥（水泥的强度、水化热及需水量等标准偏差大），设计混凝土配比时为了构件的安全只能按水泥强度的低限值计算水泥掺量，这样对于处于强度上限附近的水泥掺入量相对过 多，强度过高， 水化热也相对增大， 从而影响混凝土的温开。因此， 水泥技 术指标的标准偏差过大， 既影响水泥企业的经济效益， 又对混凝土的温升造成 不利影响， 水泥企业应采取措施确保出厂水泥的均匀性。2. 2减少混凝土温度应力的措施减少混凝土温度应力的措施有掺矿物掺 合料和缓凝剂。前者可减少水泥

22、水化热和水泥碱含量，后者可推迟放热峰出现的时间，这已在很多实践中得到证实。但混凝土的养护问题尚未引起人们的充 分重视。GB50204 2002混凝土结构工程施工质量验收规范第 7. 4. 7条规定：”应在混凝土浇注完毕后 1 2 h以内对混凝土加以覆盖并 保湿养护；混凝土浇注养护时间不得少于 14d,浇水次数应能保持混凝土处 于潮湿状态；采用塑料布覆盖养护的混凝土，其敞开的全部产品应覆盖严密，并 保持塑料布内有凝结水”。目前的混凝土有多少工程按照规范对混凝土养护14 d ?混凝土的早期开裂， 恐怕与养护不好有很大关系。又如，J TG F 3 0 2 0 0 3公路水泥混凝土路面施工技术规范 第9.3.5条规定，水 泥混凝土路面”应特别注意前7 d 的养生。一般养生天数宜为 1 42 1 d ,高温天不宜少于 1 4 d ,低温天不宜少于 2 1 d。掺粉煤灰的混凝土路面，最 短养生时间不宜少于 2 8 d,低温天气适当延长”。恐怕就更少有人做到了。 笔者认为，浇注完毕后应加塑料膜覆盖避免混凝土的早期水分损失，另外在塑料膜上盖麻袋或草袋保温， 避免混凝土内外温差过大， 减少表面与内部之间过 大的温度梯度引起的应力。根据国外经验，普通混凝土浇注后第 34d内部温度达到峰值， 掺粉煤灰后可推迟至第 56 d,因此不要在浇注后的