工程建設混凝土水化熱控制

張啟恒

摘 要：被澆筑之后的混凝土，混凝土在水化過程中產生了較高的水化熱能量，這些能量使混凝土整體的溫度升高，但混凝土外表面散熱較快，內部熱量散失慢，所以就造成混凝土表面的溫度低而內部溫度高，于是在混凝土的內部產了生壓應力，而這些應力極大的對影響力工程質量，本文致力于生產需要，主要是對混凝土水化熱的影響。

關鍵詞：混凝土，水化熱，拉應力，溫度應力，熱膨脹系數，集料

一、混凝土水化熱特性

混凝土的水化熱特性與水泥的生產過程有關，由于水泥主要是石灰石進過高溫鍛造，吸收了大量的熱所以本身就有較大的能量。而水泥的的水化過程就是鍛造水泥的逆反應過程，正反應吸收的熱量在逆反應過程又放出了。鍛造水泥的溫度很高所以這個反應也放出了較高的能量，一般為270～350kJ/kg。現代生產過程中水泥的成分復雜，生產部門也會根據市場需要生產的水泥種類也是不同的，所以不同種類的水泥水化反應所放出的的能量也是不同的。絕熱條件較好實驗條件下混泥土能夠升高40～50℃。熱脹冷縮，水化反應放出的的熱量使得混凝土膨脹。由于濕量影響水泥石膨脹系數，范圍在10～20-6/℃。用水泥石和骨料所組成的混凝土，骨料的熱膨脹系數比水泥石低，試驗范圍在5～13E10-6/℃，所以食料和水泥石的比例就影響混凝土的熱膨脹系數。已經有實驗證明混凝土在空氣中的養護時的膨脹系數比混凝土在水中養護時高。

二、影響混凝土水化熱溫度應力的因素

1. 溫度應力的產生

混凝土必然受到熱脹冷縮的影響。一般當溫度變化較小時熱膨脹系數可近似按常量處理，而一旦在較大的溫度變化范圍內則不是常量。不同混凝的的配合設計一般不同，混凝土中凈漿硬化體、細骨料和粗骨料的組成比例也有差異，并且內部空隙不同和尚未參加水化反應的殘留結合水，這些因素往往造成了混凝土的膨脹系數不同。水泥石和集料的膨脹系數不同一般在10～20 E -6/℃之間。因為水泥石的熱膨脹系數較高，所以混凝土的熱膨脹系數隨著水泥石的增多而升高。補充：集料的膨脹系數：5～13E-6/℃

混凝土變形不受約束自由膨脹（收縮）時，混凝土內部和表面是不會產生溫度應力的。但當混凝土構建所受的溫度影響不均，混凝土的膨脹（收縮）受到不同的阻礙就會產生溫度應力。如圖3-1所示長為L的AB桿，AB端固定約束，若桿的溫度升高了△T，如果A端自由，桿就伸長了△L。如虛線所示。但此時A端固定，桿就相當于壓縮了△L。公式的應變為：εt=Δ L/（ L+Δ L），應力此時為應為σ t =Eεt（AB桿的彈性模量為E）。降降溫亦成立。桿收到的是拉力，方向相反。

在施工初期，混凝土水化熱產生溫度應力。前面已經講道，混凝土溫度升高是水泥在水化反應所產生的，溫度的升高程度和水化反應的劇烈程度有關。因為是熱的不良導體，緩慢的散熱，所以水化反應所產生的熱在混凝土的內部難以散發，因為水化反應放出的較多的熱，所以混凝土內部溫度較高，由于熱脹冷縮，這又使得混凝土體積變大，外部熱量散發快，體積就膨脹的少。這是這些因素使得混凝土內部和外部分別受到壓應力和拉引力。 溫度裂紋的產生就是因為拉應力大于混凝土的抗拉強度。

2.影響溫度應力的因素。

根據式（3-1）可以得出出熱膨脹系數α越大，混凝土單位溫升的自由膨脹或收縮的體積的ΔV就越大，而溫度應力σt與變型受到的的約束成正比。當溫差保持穩定時，溫度應力σt的大小就和熱膨脹系數α有關。 此外由式（3-1）還可以分析得出，在混凝土熱的膨脹系數相同時（即同種材料）溫差ΔT越大，體積變化ΔV也就越大，因此所受到的的溫度應力σt也就越大。故在同一構件中，溫度應力σt的大小由溫差ΔT的大小決定。但相對于體積較大的混凝土，外邊界的散熱情況和混凝土水化放熱量則是主要影響溫差ΔT的因素。

三、處理混凝土水化熱溫度的方法

混凝土水化熱溫度應力控制的參考是混凝土最大的絕熱溫升，而最大絕熱溫升越高則表明著混凝土的內部溫度越高，外部混凝土的溫度則因為與環境接觸，所以溫度降低的較快，這樣內外溫差就會很大，這樣就對混凝土的溫度裂縫控制不利。降低混凝土的最大絕熱溫升是減弱混凝土內外溫差的很重要的方法。

前幾章談到混凝土溫度主要是由兩部分疊加而組成，一是混凝土本身因為水化熱產生的熱，二是混凝土所處環境的初始溫度，即：τ=τ0+T。τ0和T 降低都可以使混凝土內部溫度降。

（1）對混凝土集料降溫降低可以使混凝土初始溫度τ0降低，降低混凝土入模的初始溫度的具體操作如下：

使用水冷骨料、風冷骨料、加冰水拌等一些方法相結合措施，可以使得混凝土的混凝土澆筑和出機口溫度降低很多。這就是預冷混凝土的方法來降低混凝土澆筑溫度。

加快澆筑和混凝土運輸速度，但在運輸過程中盡量保溫，而在澆筑倉噴霧降溫，這樣盡可以避免混凝土溫度的回升。

選擇如夜間和清晨等氣溫相對較低的時間段進行混凝土的澆筑。環境溫度較低，就可以使混凝土在澆筑的過程當中溫度不至于很快回升。

（2）單位質量的水泥最大水化的放熱量 Q0 與混凝土水化熱溫升 ，混凝土比熱c，單位體積的水泥用量W，混凝土密度ρ 有關。混凝土強度滿足要求的前提下，降低單位質量水泥水化的放熱量 Q0 ，適量的調整配合比，減少單位體積水泥用量W，骨料使得混凝土密度ρ和比熱c乘積盡量較大，根據以上想法調整混凝土配合比例，盡量的使用低熱水泥，同時減少單位體積水泥的用量和摻和料外加劑，這樣就可以使得水泥水化熱產生的總熱量降低，混凝土內部的最高溫度也就隨之降低了。

本文采用了控制水泥水化熱，改變水泥石和集料比例的技術，介紹了混凝土水化熱特性，影響混凝土水化熱溫度應力的因素內容，設計出了處理混凝土水化熱溫度的方法，實踐證明本文的結論。endprint