水泥水化熱與混凝土絕熱溫升研究綜述

楊如東 權(quán)娟娟 陳 健

（西京學(xué)院，陜西 西安710123）

本文從絕熱溫升理論，影響因素，計(jì)算模型三個(gè)方面對(duì)混凝土絕熱溫升進(jìn)行談?wù)摵途C述，并展望今后開展的研究及其方向，希望為混凝土性能的研究方面提供參考。

1 混凝土絕熱溫升理論

1.1 水泥水化反應(yīng)機(jī)理

水泥水化反應(yīng)是水泥熟料與水接觸發(fā)生化學(xué)變化，生成水化物的過程。一般通常認(rèn)為水泥水化需要進(jìn)行NG-I-D 這三個(gè)過程。水泥熟料的礦物相主要化學(xué)成分是鈣離子，硅酸離子，鋁酸離子等，這四種礦物成分與水接觸后，礦物成分的離子濃度進(jìn)行累積，水解至一定飽和程度后，開始有沉淀物產(chǎn)生。但是由于這四種礦物成分分子結(jié)構(gòu)的差異性，造成每種礦物與水發(fā)生水化和水解反應(yīng)的速率，時(shí)間不同，一般來說，鋁酸三鈣最先開始進(jìn)行水化，研究水泥水化過程的前期可以著手于鋁酸三鈣的水解反應(yīng)。硅酸二鈣（C2S）開始水化的時(shí)間比較長，大約從養(yǎng)護(hù)10天后開始。因此鋁酸三鈣是混凝土的產(chǎn)生早期強(qiáng)度的主要來源，而混凝土養(yǎng)護(hù)28 天內(nèi)增加的強(qiáng)度逐漸由硅酸二鈣所提供。熟料礦物經(jīng)過水化最終生成沉淀的膠狀物，生成的膠狀物相互之間也會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，最后變成堅(jiān)硬的石狀體。

1.2 熱力學(xué)理論

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知：

式中：ΔU系統(tǒng)內(nèi)能的增量，Q 為系統(tǒng)吸收的熱量，W 為功，而混凝土絕熱溫升過程中，混凝土不對(duì)外界做功，因此公式中W 為0。在混凝土絕熱溫升的過程中，水泥水化過程中產(chǎn)生的能量變化只跟反應(yīng)系統(tǒng)的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)有關(guān)，而與變化的途徑無關(guān)，也就是水化反應(yīng)的能量變化會(huì)與混凝土入模溫度以及早期水泥水化反應(yīng)有關(guān)，因而可以得到在混凝土絕熱溫升的過程中，混凝土內(nèi)部的能量是一個(gè)定值，內(nèi)部能量是一狀態(tài)的性質(zhì)。

在研究混凝土絕熱溫升中一般是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，一般將熱力學(xué)第一定律與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，也就是“熱化學(xué)”。根據(jù)熱力學(xué)定律混凝土絕熱溫升值，是因?yàn)樗嗖煌V物相以及摻合料（通常使用粉煤灰和礦粉）之間有著不同的內(nèi)能或反應(yīng)焓以至于能量的變化發(fā)生在水化反應(yīng)的各個(gè)階段，于是這種能量的變化就會(huì)與外界環(huán)境發(fā)生作用，產(chǎn)生放熱的熱效應(yīng)。水泥熟料的水化過程是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)變化過程，根據(jù)蓋斯理論，我們可以在復(fù)雜的水化反應(yīng)中測(cè)得水化反應(yīng)熱。根據(jù)蓋斯定律可以采用熱溶解法來測(cè)得水泥水化熱，在控制反應(yīng)環(huán)境溫度相同下，在標(biāo)準(zhǔn)酸溶液中放入干水泥粉以及有一定程度的水化的水泥，從而測(cè)得水泥水化熱。這個(gè)方法主要適用于工程中使用的硅酸鹽水泥水化熱的測(cè)定。

2 混凝土絕熱溫升影響因素

2.1 水泥顆粒粒徑

在水泥水化過程中，水泥的顆粒的粗細(xì)程度決定了水泥與水接觸的面積，接觸面積直接影響化學(xué)反應(yīng)的速率，在水化模型中，水化深度與水化速度滿足如下等式：

水泥顆粒的粒徑與水化度滿足下列等式：

因此水泥水化反應(yīng)的總水化度滿足下列等式：

其中p(r)為粒徑為r 的水泥顆粒占所有水泥顆粒的百分比。

2.2 溫度

將Arrhenius 的公式變形可以得到：

式中的B 為積分常數(shù)，根據(jù)變形公式可以得到，lnk 與1/T滿足線性關(guān)系，也就說明控制混凝土澆筑時(shí)候的溫度，以及水泥水化過程時(shí)周圍環(huán)境的溫度，在一定的程度上可以減慢反應(yīng)的速率，從而降低混凝土絕熱溫升值。

2.3 摻合料

粉煤灰和工業(yè)產(chǎn)生的礦渣廣泛的應(yīng)用到混凝土的制備中，雖然粉煤灰和礦渣組成成分不同，但是都具備三大效應(yīng)。粉煤灰顆粒形狀為規(guī)則的球形，這類形狀顆粒通常都具有較高的活性。I 類粉煤灰能夠明顯降低混凝土前期的絕熱溫升，新排放的礦渣顆粒尺寸較大，不能直接用于混凝土中，必須經(jīng)過細(xì)磨，讓顆粒表面呈光滑，礦渣在一定程度上也能減小水泥水化熱，但是較于粉煤灰降熱的效果不明顯。因此可以采用粉煤灰等效替代水泥的方法，來延緩水泥水化反應(yīng)的放熱峰，進(jìn)而降低混凝土早期的絕熱溫升值。

3 水泥水化熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型

水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化熱可用表示Q(τ)，當(dāng)前的計(jì)算公式有三種：

3.1 基于齡期（τ）的計(jì)算模型

3.1.1 指數(shù)經(jīng)驗(yàn)式

3.1.2 雙曲線經(jīng)驗(yàn)式

3.1.3 復(fù)合指數(shù)經(jīng)驗(yàn)式

3.2 考慮溫度和齡期影響

3.3 考慮水膠比，粉煤灰，混凝土溫度影響

4 存在的問題及展望

影響混凝土絕熱溫升的不僅僅只有齡期，溫度，水膠比等因素，還與混凝土的自身的性能，外界環(huán)境有關(guān)，目前采用的水泥水化熱的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型只考慮了其中一個(gè)或者兩個(gè)因素，存在一定的誤差，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確的計(jì)算出混凝土的絕熱溫升值，從而影響建筑物的強(qiáng)度以及耐久性。目前計(jì)算水泥水化熱的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕\(yùn)用熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)，缺少化學(xué)動(dòng)力學(xué)的相應(yīng)知識(shí)，具有一定的局限性。

在后面的研究中，希望將熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)結(jié)合起來，從宏觀和微觀的兩個(gè)方面考慮多種因素影響下的水泥水化熱的計(jì)算模型，將經(jīng)驗(yàn)和理論結(jié)合起來，對(duì)已有的模型進(jìn)行改善，從而提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。