水泥水化热对混凝土早期开裂影响【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ＡＣＩ建筑法规，混凝土弹性模量与标准圆柱体２８ｄ抗压强度的平方根成正比。
混凝土徐变越大，应力松弛量越大，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．Ｓｐｒｉｎｇｅｎｓｃｈｍｉｄ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．Ｂｙｆｏｒｓ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，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４～８ｈ，弹性模量从１０～１０２ＭＰａ迅速增长至１０４～１０５ＭＰａ，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２ｈ的４．０×１０－３急剧下降至６～８ｈ的０.０４×１０－３左右，即极限应变减小到原来的１／１００，因此成型后６～８ｈ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０.０７ＭＰａ，混凝土弹性模量按１．０×１０４ＭＰａ计，只要产生大于０．０７／（１．０×１０４）＝７×１０－６的应变即可使混凝土开裂。
混凝土的热膨胀系数为１０×１０－６／℃，只要混凝土内外温差为１℃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１２ｈ抗压强度不大于６ＭＰａ，相应的抗拉强度约０．６ＭＰａ，即使弹性模量仍按１．０×１０４ＭＰａ计，此时应变不应大于６×１０－５，相当于内外温度梯度不大于６℃。
而国内学者要求２４ｈ抗压强度不大于１２ＭＰａ，相应的抗拉强度约１．２ＭＰａ，此时应变不应大于１２×１０－５，相当于内外温差不大于１２℃。
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４～８ｈ后，会达到第二个放热峰顶点，除钙矾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３ｄ内大致会放出５０％的水化热。
某Ｐ·Ｏ４２．５水泥１ｄ水化热为１８８ｋＪ／ｋｇ，３ｄ为２３１ｋＪ／ｋｇ，按混凝土密度２４００ｋｇ／ｍ３、比热０．９６ｋＪ／（ｋｇ·℃）计，混凝土１ｄ和３ｄ的绝热温升相应为２４．４℃和３０．１℃。
混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的３～４ｄ，掺粉煤灰后可推迟至第５～６ｄ，因此，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１ｄ抗压强度不大于１２ＭＰａ或１２ｈ抗压强度不大于６ＭＰａ，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Ｃ３０以下的混凝土，其早期开裂主要是由于养护不当所引起，而对低水胶比高强度等级的混凝土，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。
Ｃ３Ａ的水化热和水化放热速率最大，Ｃ３Ｓ和Ｃ４ＡＦ次之，Ｃ２Ｓ的水化热最小，放热速率最慢。
因此减少Ｃ３Ａ相应增加Ｃ４ＡＦ、减少Ｃ３Ｓ相应增加Ｃ２Ｓ均能降低水化热。
但高Ｃ３Ｓ、高Ｃ３Ａ是水泥高强早强和预分解窑熟料工艺煅烧所需，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，高温煅烧快速冷却、调整硫酸盐饱和度、减少碱含量、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）高温煅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Ｃ３Ａ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，在硅酸盐水泥熟料煅烧过程中，一部分Ａｌ２Ｏ３固溶于Ｃ３Ｓ中，使实际生成的Ｃ３Ａ减少；另外高温煅烧使铁相以Ｃ６Ａ２Ｆ形式存在，也使实际生成的Ｃ３Ａ减少；特别是预分解窑出窑熟料于１３５０～１２８０℃时在篦冷机上骤冷，使一部分Ｃ３Ａ以玻璃体形式存在。
因此预分解窑熟料中的Ｃ３Ａ实际含量要比理论计算的少。
２）除Ｃ３Ａ实际含量外，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Ｒｉｅｔｖｅｌｄ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Ｃ３Ａ晶格，使立方晶型的Ｃ３Ａ含量下降，斜方晶型的Ｃ３Ａ含量增加，而斜方晶型的Ｃ３Ａ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６０％降为４０％，熟料中立方晶型的Ｃ３Ａ含量从５．３％降为２．２％，而斜方晶型的Ｃ３Ａ含量从６．０％增加到１０．０％，水泥初凝时间从３ｈ２０ｍｉｎ降为２ｈ０５ｍｉｎ。
因此，熟料煅烧时一定要注意硫酸盐饱和度变化对矿物晶型的影响，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”。
Ｒ．Ｓｐｒｉｎｇｅｎｓｃｈｍｉｄ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（Ｎａ２Ｏ＋０．６５８Ｋ２Ｏ）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”１８／１９９８（ＡＲＳ１８／１９９８）规定，用于高速公路的混凝土路面的水泥“总碱含量Ｎａ２Ｏ当量≤０．８４％”，“最近又将使用ＣＥＭＩ和ＣＥＭⅡ／Ａ类水泥时的总碱含量降为Ｎａ２Ｏ当量≤０.８０％”。
由此看来，碱对水泥混凝土的收缩开裂性能影响很大，在水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２０７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Ｈｐ和ＨＯ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。
蔡正咏根据刘家峡和三门峡的经验得到ＨＰ＝ＨＯ（１－０．５５Ｐ）。
据报道，某粉煤灰３ｄ、７ｄ水化热分别为１１．７ｋＪ／ｇ和２０．５ｋＪ／ｇ，用它分别取代２０％、４０％、６０％和８０％的水泥后，水化热３ｄ分别下降到原来的７５．１％、７２．８％、５４．６％和３１．４％；７ｄ分别下降到原来的８０．７％、６９．２％、５２．７％和３１．８％。
用比表面积４００ｍ２／ｋｇ的矿渣粉取代３５％的某普通水泥时，３ｄ水化热从２３５ｋＪ／ｋｇ下降至１６０ｋＪ／ｋｇ，水化热减少了３２％。
尽管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：①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３ｄ强度是施工的要求，水泥的２８ｄ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。
②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·Ｉ４２．５Ｒ硅酸盐水泥（比表面积３３３ｍ２／ｋｇ），中掺入４％的高细石灰石粉（比表面积１１９４ｍ２／ｋｇ）和２６％的矿渣粉（比表面积４１４ｍ２／ｋｇ），与单掺３０％矿渣粉相比较，水泥３ｄ抗压强度显著增加（从２４．６ＭＰａ增加至２９．４ＭＰａ）；与母体水泥（Ｐ·Ｉ４２．５Ｒ）比较，３ｄ抗压强度只有很少的降低，２８ｄ抗压强度提高了９．４ＭＰａ，其原因与高细石灰石粉的填充作用有很大关系。