淺談大體積混凝土水化熱問題

劉有奇

淺談大體積混凝土水化熱問題

劉有奇

（陽泉煤業集團吉成建設工程檢測有限責任公司 山西省 045000）

影響大體積混凝土水化熱的因素有很多，總體可分為內部因素與外部因素。內部因素主要包括混凝土的配合比、水泥品種、水泥用量、摻合料品種、摻合料用量等；外部因素則主要包括混凝土的入模溫度、大氣溫度、冷卻水管以及邊界條件等。文章概述了水化熱產生機理與危害，探討了大體積混凝土水化熱控制措施。

大體積混凝土；水化熱；影響因素

引言

混凝土是有多種物質共同組成的，它具有較強的抗壓性能，并且有和好的可塑性，能夠滿足不同形式的工程需要，因此，樓房建造、橋梁工程以及各種土木工程中被廣泛的應用。但是，在混凝土工作過程中，如果遇到水就會在混凝土結構中產生大量的熱量，這些熱量如果過大就會嚴重影響整體工程的質量。混凝土遇水產生熱量的現象成為混凝土的水化熱，這在混凝土工程中也是一種常見的現象，特別是在大體積的混凝土中則是一種普遍的現象。由于混凝土水化熱改變了混凝土內部的物質組成，破壞了混凝土的整體結構性，因此，分析計算大體積混凝土水化熱以及水化熱的防治措施具有非常重要的意義和實際價值，對于實際過程有非常大的幫助。

一、水化熱產生機理與危害

水泥水化釋放的熱量是混凝士水化熱的來源。水泥熟料主要由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等礦物組成。水泥加適量的水拌和后，立即發生化學反應，水泥的各個組分開始溶解并產生復雜的物理、化學和力學的變化，水泥熟料的四種主要礦物水化均是放熱反應，這種變化可以持續很長的時間。水泥凝結硬化過程可以分為誘導期、凝結期和硬化期三個階段。水泥水化放熱研究表明，水泥水化過程中在水化初期、凝結終期、硬化初期形成放熱高峰。大體積混凝土澆筑完畢后，由于水泥水化作用所放出的熱量使混凝土內部溫度逐漸升高，與一般結構相比較，大體積混凝土內部水化熱不易散出，結構表面與內部溫度不一致，外層混凝土熱量很快散發，而內部混凝土熱量散發較慢，內外溫度變形不同，產生溫度應力，使混凝土產生拉應力。若拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表層將產生裂縫，從而不利于構件的工作。

水泥水化過程產生熱量是大體積混凝土施工的主要熱源，工程中常用的水泥水化放熱的經驗公式為指數式水化熱公式Q（t）=Q0（1-e-mt）。

式中：Q（t）—齡期t時1kg水泥的累積水化熱，kJ/ kg；Q0—每1kg水泥的最終散熱量，kJ/ kg；m—水化熱系數；t—齡期，d.

對式1進行微分推導可得混凝土生熱速率HGEN如 HGEN=W=WmQ0e-mt；HGEN—混凝土水化生熱速率，W/m3；W—單位體積混凝土的水泥用量，kg/m3。

二、大體積混凝土水化熱的控制措施

XX大橋主橋墩、承臺采用C30低標號砼，采用華新水泥廠家生產的普通硅酸鹽P.0 42.5級水泥。承臺混凝土方量1662.5m3，屬于大體積混凝土，混凝土配合比的原則為：滿足設計混凝土強度等級條件下，摻適量粉煤灰，同時加緩凝劑，延長混凝土的初凝時間，盡可能降低混凝土的水泥用量，盡量降低混凝土內最大溫升值。

1、原材料配合比控制

如前所述，混凝土水化熱來源于水泥水化釋放的熱量，因此防治混凝土水化熱的措施中，首先可以設法減少混凝土中的水泥熟料的數量，從而降低混凝土水化熱。主要有兩個具體措施：

（1）選用低水化熱的普通硅酸鹽水泥。鋁酸三鈣和硅酸三鈣是水泥熟料中反應速度較快，釋放熱量較多的兩種礦物，為降低混凝土水化熱，在大體積混凝土中可考慮選用鋁酸三鈣和硅硅酸三鈣含量較低的水泥。

（2）優化混凝土配合比，推廣高性能混凝土技術，在大體積混凝土中采用粉煤灰等礦物摻和料替代部分水泥，減少混凝土中水泥用量。高性能混凝土（ High performance concrete ）是混凝土技術的發展方向，摻用礦物摻和料高性能混凝土的主要技術特征。粉煤灰等礦物摻和料是在后期與水泥水化時析出的Ca（OH）2產生二次反應（火山灰反應），生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，反應速度較慢，在混凝土凝結硬化初期基本不參與水泥水化反應，因此采用礦物摻和料替代部分水泥可以降低混凝土凝結硬化初期的水化熱。

有的混凝土結構由于體積過大，盡管設法降低了混凝土水化熱的產生量，但是混凝土內部熱量不能及時散失，累積使得混凝土內部溫度很高，產生了較大的溫度應力，導致混凝土結構產生溫度應力裂縫。這種情況可以根據混凝土結構特點，設置適當的散熱裝置，及時消散混凝土的水化熱，如設置散熱孔、通水排熱等。

2、避免混凝土原材料溫度過高，將部分熱量帶入混凝土內部

如果混凝土原材料溫度過高，會部分熱量帶入混凝土內部，將使混凝土內部溫度過高，增加混凝土的溫度梯度，因此要預防混凝土水化熱的危害應注意避免混凝土原材料溫度過高主要用兩種措施：（1）采用溫度較低的水來拌制混凝土。（2）在混凝土粗、細集料堆積處搭設遮陽棚。

3、施工降溫措施

在承臺安裝鋼筋后期，安裝直徑50的鋼循環水管，以混凝土中心范圍水管間距不大于4米構成一個循環系統。承臺混凝土施工關鍵是控制混凝土內部中心溫度與表面溫度溫度差值不大25℃，而采取混凝土配合比優化、混凝土生產、運輸和澆筑過程中的降溫措施以及采取保溫保濕養護方法等措施是本工程施工控制的主要措施，能有效控制溫差變化；采用循環水管僅作為輔助混凝土內部進行水冷散熱作用，如采用前幾項措施未能令混凝土中心溫度與表面溫度差值小于25℃，又或者混凝土中心溫度過高(如超過75℃)時使用。使用時，須將混凝土測溫增加到每1小時測溫一次，當溫度受到控制時，可減少水冷至停止，以免降溫過快。

4、加強混凝土養護，保證混凝土內外溫差在規范規定范圍之內

國家標準《混凝土結構工程施工及驗收規范》明確規定，“對大體積混凝土的養護，應根據氣候條件采取控溫措施，并按需要測定澆筑后的混凝土表面和內部溫度，將溫差控制在設計要求的范圍內；當設計無具體要求時，溫差不宜超過25℃”。

大體積混凝土施工時應該加強混凝土的內外溫差的監測，當發現混凝土內外溫差超過規范要求時，應采取措施提高混凝土外部溫度，避免內外溫差過大產生溫度應力給混凝土結構帶來危害。

結束語

大體積混凝土開裂問題是在工程建設中帶有一定普遍性的技術問題，裂縫一旦形成，特別是基礎貫穿裂縫出現在重要結構部位，危害極大，它會降低結構的耐久性，消弱構件的承載力，同時可能危害到建筑物的安全使用。通過以上分析筆者認為在對原材料，以及施工過程中采用合理的方法，從每一個小的細節入手，可以有效的防止裂縫的發生。

[1] 劉睫，陳兵.大體積混凝土水化熱溫度場數值模擬[J].混凝土與水泥制品，2010（10）.

[2] 王偉.Ansys14.0土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2013.

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1007-6344（2017）03-0286-01