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混凝土水化热防治措施

作者:
张庆莲,姚 伟
来源:
中国论文网
2017/09/25 13:34
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       水泥混凝土是以水泥等材料与水反应生成的的胶结材料为粘结介质,将分散其间的不同粒径的粗、细集料联结起来,在一定条件下,硬化成为具有一定力学性能的一种人工石材。它是现在世界范围内应用最广、用量最大的人造建筑材料。改革开放以来的20多年,是我国基础设施建设历史上发展速度最快、规模最大、最具活力的时期。特别是国家实施西部大开发战略以来,我国工程建设历史空前,随着工程建设范围和规模不断扩大,水泥混凝土的用量也越来越大,大坝、桥梁、房屋等大体积混凝土结构物越来越多,混凝土水化热对结构物的影响越来越受到人们的关注。 
  混凝土水化热源于水泥等胶凝材料水化产生的热量,由于这些热量未能及时散失而累积使混凝土内部温度升高,混凝土内外温差过大产生温度应力,从而使混凝土结构产生破坏。混凝土的水化热危害的防治应该从减小水化热产生量和及时散热等方面着手。 
  1混凝土水化热产生机理与危害 
  水泥水化释放的热量是混凝土水化热的来源。水泥熟料主要由硅酸三钙(3CaO・SiO)、硅酸二钙(2CaO・SiO)、铝酸三钙(3CaO・AlO)和铁铝酸四钙(4CaO・AlO・FeO)等矿物组成。水泥加适量的水拌和后,立即发生化学反应,水泥的各个组分开始溶解并产生了复杂的物理、化学与物理化学、力学的变化,这种变化可以持续很长的时间,随着反应的进行,形成的粘结砂石材料的可塑性浆体,逐渐失去流动能力,并凝结硬化成为一定强度的石状体。 
  水泥熟料的四种主要矿物水化均是放热反应,研究水泥熟料矿物水化的熵变值、系统的自由能变化以及水化过程中键能变化可以判断水泥熟料活性的大小和释放热量的大小,研究表明:铝酸三钙反应速度最快,释放热量最大;硅酸三钙反应速度较快,释放热量较大:铁铝酸四钙反应速度和释放热量居中,硅酸二钙反应速度最慢,释放热量最小。 
  水泥凝结硬化过程可以分为诱导期、凝结期和硬化期三个阶段,水泥水化放热研究表明,水泥水化过程中在水化初期(钙钒石形成)、凝结终期(水化硅酸钙形成)、硬化初期(单硫型水化硅酸钙形成)形成放热高峰。 
  在混凝土硬化过程中,混凝土构筑物可能要承受各种温度和湿度及其它原因引起变形而产生应力裂缝,因为混凝土在内、外约束应力作用的情况下,混凝土构件的自约束应力是由于非线性的不均匀变形引起,它产生了局部裂缝,而混凝土构件(结构)在外部的约束应力由于结构与结构的相互约束,这种约束变形可能使混凝土构件(结构)产生贯穿性断裂和局部裂缝。 
  根据王铁梦教授的理论,在混凝土尤其是大体积混凝土浇捣完后,水泥已经开始水化,其混凝土内部的最高温度峰值可按以下经验公式计算,即: 
  T0=T+C・Q 
  式中: 
  T――混凝土内部峰值温度(℃) 
  T――混凝土浇灌入模时的温度(℃) 
  C――每立方米混凝土水泥用量(kg/m3) 
  Q――经验系数 
  当采用矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥时;Q:0.1:当采用普通水泥时Q=0.105。 
  因为混凝土拌合物内的水泥在水化时,要产生大量的水化热,当混凝土内外温差超过一定的限度,混凝土的拉应力小于混凝土的热涨应力时,便会产生温度应力裂缝。这种裂缝主要出现在大体积混凝土或在冬期施工的混凝土。裂缝往往发生在混凝土结构物的变截面和混凝土断面较小的部位。 
  2防治措施混凝土水化热的措施 
  2.1降低混凝土水化热 
  如前所述,混凝土水化热来源于水泥水化释放的热量,因此防治混凝土水化热的措施中,首先可以设法减少混凝土中的水泥熟料的数量,从而降低混凝土水化热。主要有两个具体措施: 
  1)选用低水化热的普通硅酸盐水泥。铝酸三钙和硅酸三钙是水泥熟料中反应速度较快,释放热量较多的两种矿物,为降低混凝土水化热,在大体积混凝土中可考虑选用铝酸三钙和硅酸三钙含量较低的水泥。 
  2)优化混凝土配合比,推广高性能混凝土技术,在大体积混凝土中采用粉煤灰等矿物掺和料替代部分水泥,减少混凝土中水泥用量。高性能混凝土(High performance concrete)是混凝土技术的发展方向,掺用矿物掺和料高性能混凝土的主要技术特征。粉煤灰等矿物掺和料是在后期与水泥水化时析出的Ca(OH)2产生二次反应(火山灰反应),生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙,反应速度较慢,在混凝土凝结硬化初期基本不参与水泥水化反应,因此采用矿物掺和料替代部分水泥可以降低混凝土凝结硬化初期的水化热。 
  2.2设置散热装置,及时散失混凝土内部的热量 
  有的混凝土结构由于体积过大,尽管设法降低了混凝土水化热的产生量,但是混凝土内部热量不能及时散失,累积使得混凝土内部温度很高,产生了较大的温度应力,导致混凝土结构产生温度应力裂缝。这种情况可以根据混凝土结构特点,设置适当的散热装置,及时消散混凝土的水化热,如设置散热孔、通水排热等。 
  2.3避免混凝土原材料温度过高,将部分热量带入混凝土内部 
  如果混凝土原材料温度过高,会部分热量带入混凝土内部,将使混凝土内部温度过高,增加混凝土的温度梯度,因此要预防混凝土水化热的危害应注意避免混凝土原材料温度过高,主要用两种措施: 
  1)采用温度较低的水来拌制混凝土。 
  2)在混凝土粗、细集料堆积处搭设遮阳棚,避免日光曝晒。 
  2.4加强混凝土养护,保证混凝土内外温差在规范规定范围之内 
  国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》明确规定,“对大体积混凝土的养护,应根据气候条件采取控温措施,并按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度,将温差控制在设计要求的范围内;当设计无具体要求时,温差不宜超过25℃”。 
  大体积混凝土施工时应该加强混凝土的内外温差的监测,当发现混凝土内外温差超过规范要求时,应采取措施提高混凝土外部温度,避免内外温差过大产生温度应力给混凝土结构带来危害。 
  4结语 
  混凝土的水化热是混凝土凝结硬化过程中水泥水化产生的热量,若这些热量未能及时散失使混凝土内外温差过大而产生温度应力,将导致混凝土温度应力裂缝,破坏混凝土结构。采用“选用低水化热的普通硅酸盐水泥,矿物掺和料替代部分水泥等降低混凝土水化热;设置散热装置,及时散失混凝土内部的热量;加强原材料管理,避免混凝土原材料温度过高:保证混凝土内外温差在规范规定范围之内”等措施可以有效防治混凝土水化热的危害。 

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