水泥材料水化热探究

姜小敏

摘要：砂浆混凝土是以混凝土等基础物质和水泥反应后形成的粘结物质为主要连接材料，把散布在其中的各种颗粒大小的粗、细骨料连接一起，在特定情况下，经过硬化形成带有特定力学性能的一类人造石材。它是现在全球范围内使用最广泛、用量最高的人造建材。阐明水泥水化热的形成原因和及对水泥的影响，给出具体的预防方法。

关键词：混凝土；建筑材料；水化热；防治措施

混凝土水化热源于砂浆等胶凝材料水化所形成的热能，但由于这部分热气没有尽快散失而加剧使建筑物内部结构的环境温度迅速升高，建筑物温差增大形成了高温应力，因而使混凝土的结构发生了损坏。混凝土的水化热影响的预防，可以从减少水化热产生量和适时冷却散热等问题入手。

一、混凝土水化热产生机理与危害

混凝土水化放出的热能称为混凝土水化热能的源泉。混凝土熟料一般是由铁硅酸三钙(3CaO SiO)、硅酸二钙(2CaO SiO)、铝酸三钙（3CaO AlO）和铁铝酸四钙（4CaO alofeo）等矿物所构成。物料在与适当的水分拌和后，迅速进行了化学反应，物料的不同成分开始相互水解并发生了复杂的物理、化学过程与物理化学、机械过程的相互转变，这些过程都能够维持很长的时期，但随着化学反应的逐步开展，所产生的能黏附在砂石材料的高流动性浆体，慢慢地没有了运动功能，而凝固并硬化形成相应硬度的石状物。

水泥熟料的四个主体矿物水化都属于放热反应，通过了解水泥熟料矿物水化的熵变值、热系统的自由能变化规律及其与水化反应的键能变化规律，有助于确定水泥熟料活性的高低以及放出能量的多少，实验结果表明：铝酸三钙反应温度最高，放出能量也最高；硅酸三钙反应时最快，放出的热能也最高：与铁铝酸四钙反应时放出热能居中，而硅酸二钙反应时较慢，放出热能也最少。

材料凝固的阶段，主要包括了诱导阶段、凝固期和硬化阶段三种过程，而建筑材料水化放热理论则指出，混凝土水化过程主要是在水化初期（钙钒石生成）、凝固终期（水化硅酸钙生成）、变硬初期（单硫型水化硅酸钙生成）的放热过程。在水泥硬化过程中，水泥构件或许会经受不同气温和相对湿度及其他因素的引起变化而出现结构应力断裂，在由于材料内、外界自约束应力相互作用的情形下，水泥结构的内部自约束应力是由于非线性的热不平衡变化所致，它引起的内部裂纹，而水泥构件（框架）在外界的约束应力由于框架与框架的互相制约，这些约束变形可以使混凝土构件（框架）出现贯穿性破裂和内部裂纹。

二、防治措施混凝土水化热的措施

1.降低混凝土水化热

如上所述，由于混凝土水化热量来自混凝土水化后放出的热能，所以防止混凝土水化热量的主要方法是，首先可以尽量降低水泥中的混凝土熟料的含量，以便于减少混凝土水化热量。主要包括以下二个具体措施：

(1)采用低水化热的普通硅酸盐材料。铝酸三钙和硅酸三钙是混凝土结构熟料中反应速度较高，放出热能最多的二类矿物，因此为了减少混凝土水化热，在生产大尺寸砂浆时可以考虑采用铝酸三钙和硅酸三钙等成分较少的混凝土结构。

(2)通过调整材料配置比，引进新型的水泥材料，在大体面积砂浆中使用粉煤灰水泥或矿石掺和料代替局部钢筋，以降低建筑物的砂浆质量。高性能水泥（High performance concrete）是建筑材料科技的发展，掺用矿石掺和料新型建筑物的主要技术特点。粉煤灰等矿石掺和料是在后期与砂浆水化时析出的Ca(OH)2发生两次化学反应（火山灰化学反应），形成了具备胶凝性能的水化硅酸钙和水化硅酸钙，由于反应过程缓慢，在钢筋凝结硬化初期基本不进行水泥水化反应，所以用矿石掺和料替换局部钢筋结构能够减少砂浆混凝土硬化初期的水化热。

有的构件由于容积较大，虽然设法减少了混凝土水化热的形成量，但是由于水泥内在热力没有有效散失，累积致使水泥内在环境温度很高，从而形成了较大的高温应力，致使构件内层形成了高温应力裂缝。这个状况下应该依据水泥凝结特点，设定合适的分散设备，以及时消散混凝土的水化热，如设定分散孔、通水排热等。

2.避免水泥中气温太高，把局部热源带到水泥里面。

一旦水泥产品水温偏高，会部分热能进入水泥内部结构，将使水泥内部结构环境温度偏高，从而加大了水泥的高温梯度，所以若要防止混凝土水化热的影响应小心，防止水泥产品水温偏高一般用以下两种预防措施：1）使用水温较低的温水来搅拌水泥。2）在水泥等粗、细集料的堆放处搭建遮阳棚。

3.加大对水泥保养，以确保水泥内外温差在标准规定区域以内。

国家标准《混凝土结构工程施工及验收标准》中明确规定，"对钢筋混凝土构件的养护工作，应依据天气特殊条件采用加温预防措施，并按需求确定施工后的钢筋混凝土表层和内层环境温度，将气温差别限制在规定的区域内；当工程设计中无具体要求时，温差不得大于二十五℃。

大体面积水泥施工时应当强化对水泥的内外部压力的检测，当出现水泥内外部压力超出标准条件时，应采取适当措施以增加水泥的外界工作温度，从而防止因内外部压力太大造成高温应力给混凝土凝结造成危险。

参考文献：

[1].水泥基材料水化硬化机理与微结构形成研讨会将在济南召开[J].硅酸盐学报，2016,44(05):622.

[2].水泥基材料水化硬化机理与微结构形成研讨会将在济南召开[J].硅酸盐学报，2016,44(04):482