水泥水化熱對混凝土早期開裂的影響

中圖分類號: TQ172.1 文獻標識碼: B 文章編號: 1002- 9877( 2007) 04- 0012- 04

0 引言

　　對于預(yù)拌混凝土應(yīng)用過程出現(xiàn)的早期開裂現(xiàn)象,有些混凝土專家歸因于水泥比表面積太大和早期強度太高; 而水泥界則認為, 我國目前水泥的比表面積和早期強度并不比國外的高, 混凝土的早期開裂主要是混凝土施工和養(yǎng)護不當所致。筆者認為, 必須通過混凝土生產(chǎn)者和水泥生產(chǎn)商溝通, 對早期裂縫的成因達成共識, 在水泥生產(chǎn)、混凝土配制及施工養(yǎng)護等環(huán)節(jié)共同采取措施加以解決。“高強早強、高比表面積”及“水泥磨得太細”, 這些都是表面現(xiàn)象, 其本質(zhì)是早期水化熱太高及混凝土溫度應(yīng)力大的緣故。

1 水化熱高是混凝土早期開裂的重要原因

　　混凝土早期開裂主要是由于初凝前后干燥失水引起的收縮應(yīng)變和水化熱產(chǎn)生的熱應(yīng)變所引起。關(guān)于混凝土的開裂, 大家都已接受如下認識: 抗拉強度越高, 則混凝土開裂的危險性越小; 彈性模量大、收縮大則開裂的危險性大; 徐變大則開裂的危險性小。彈性模量越低, 一定收縮量(或應(yīng)變)產(chǎn)生的拉應(yīng)力越小。

　　混凝土處于塑性狀態(tài)時彈性模量幾乎為零, 任何收縮或應(yīng)變都不會產(chǎn)生拉應(yīng)力, 只有凝結(jié)固化具有一定強度后才有彈性模量, 混凝土彈性模量隨強度增加而增大。因此, 混凝土強度的發(fā)展既有利于減少混凝土的開裂又因彈性模量增大而增加混凝土的開裂性。根據(jù)美國ACI 建筑法規(guī)318- 83, 混凝土彈性模量與標準圓柱體28d 抗壓強度的平方根成正比[1]?；炷列熳冊酱? 應(yīng)力松弛量越大, 純拉應(yīng)力越小。因此, 彈性模量低、徐變大及收縮小的混凝土開裂的危險小。高強混凝土因收縮較大和徐變較小而較易開裂, 而低強混凝土可能因收縮小和徐變大, 而往往裂縫較少。關(guān)于干燥收縮及其避免或減少收縮的措施, 大家都已達成共識, 本文不擬贅述, 但對于溫度應(yīng)變引起的應(yīng)力往往認識不足。

　　溫度應(yīng)力是目前預(yù)拌混凝土早期開裂的一個很重要的因素。R.Springenschmid[2]認為, 混凝土的2/3 應(yīng)力來自于溫度變化, 1/3 來自干縮和濕脹。水泥水化熱是混凝土早期溫度應(yīng)力的主要來源。按照瑞典學(xué)者J.Byfors[3]的觀點, “混凝土拌和物成型的最初幾個小時,還沒有形成凝聚結(jié)構(gòu),此時主要表現(xiàn)為黏塑性。隨著水化進行, 塑性減少, 彈性模量增大, 成型后4～8h, 彈性模量從10～102MPa 迅速增長至104～105MPa , 增加了3 個數(shù)量級, 而此期間抗壓和抗拉強度以正常速度增長, 因此極限抗拉應(yīng)變由2h 的4.0×10- 3 急劇下降至6～8h 的0.04×10- 3 左右, 即極限應(yīng)變減小到原來的1/100, 因此成型后6～8h 極限抗拉應(yīng)變達到最低值”。

　　在混凝土終凝時, 抗壓強度只有0.7MPa[1], 抗拉強度只有0.07MPa, 混凝土彈性模量按1.0×104MPa 計, 只要產(chǎn)生大于0.07/( 1.0×104) =7×10- 6 的應(yīng)變即可使混凝土開裂。混凝土的熱膨脹系數(shù)為10×10- 6/℃[1], 只要混凝土內(nèi)外溫差為1℃就足可使此時混凝土開裂。國外為使混凝土的早期不開裂, 要求12h 抗壓強度不大于6MPa, 相應(yīng)的抗拉強度約0.6MPa, 即使彈性模量仍按1.0×104MPa 計, 此時應(yīng)變不應(yīng)大于6×10- 5, 相當于內(nèi)外溫度梯度不大于6℃。而國內(nèi)學(xué)者要求24h 抗壓強度不大于12MPa, 相應(yīng)的抗拉強度約1.2MPa, 此時應(yīng)變不應(yīng)大于12×10- 5, 相當于內(nèi)外溫差不大于12℃。不幸的是, 水泥的水化熱釋放主要集中在早期,文獻[1]認為, 水泥加水拌和后, 立即出現(xiàn)放熱(稱為第一個放熱峰), 持續(xù)幾分鐘, 這可能是鋁酸鹽和硫酸鹽的溶解熱。下一階段是形成鈣礬石所放出的熱量, 對于大部分波特蘭水泥, 大約在4～8h 后, 會達到第二個放熱峰頂點, 除鈣礬石形成熱外它也包括C3S 的一些溶解熱和C- S- H 的形成熱。典型的波特蘭水泥在開始3d 內(nèi)大致會放出50%的水化熱。某P·O42.5 水泥1d 水化熱為188kJ/kg, 3d 為231kJ/kg, 按混凝土密度2 400kg/m3、比熱0.96kJ/(kg·℃)計, 混凝土1d 和3d 的絕熱溫升相應(yīng)為24.4℃和30.1℃?；炷翜厣母叻逡话愠霈F(xiàn)在澆注后的3～4d, 摻粉煤灰后可推遲至第5～6d, 因此, 從減少混凝土早期溫度應(yīng)變出發(fā), 應(yīng)盡量減少水泥水化熱。筆者認為, 國內(nèi)外混凝土專家要求混凝土1d 抗壓強度不大于12MPa 或12h 抗壓強度不大于6MPa, 其實質(zhì)是降低早期水化速率和水化熱, 減少溫度應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)力。有些施工人員反映細度太細強度太高的水泥配制的混凝土容易開裂, 其實質(zhì)也是這些水泥早期水化快, 水化熱大, 使混凝土溫度應(yīng)力大的結(jié)果。混凝土成型后蓋濕麻袋養(yǎng)護不開裂是因為它起到保濕保溫的作用。

　　綜上所述, 對混凝土的早期開裂必須具體分析,不能一概歸咎于水泥。筆者認為, 對于低強度等級的混凝土特別是C30 以下的混凝土, 其早期開裂主要是由于養(yǎng)護不當所引起, 而對低水膠比高強度等級的混凝土, 除此之外, 水泥水化熱也起著重要的作用。

2 減少水泥水化熱和混凝土溫升的重要途徑

2.1 減少水泥水化熱的措施

　　水泥水化熱的大小和放熱速率與熟料的礦物組成有關(guān)。C3A 的水化熱和水化放熱速率最大, C3S 和C4AF 次之, C2S 的水化熱最小, 放熱速率最慢。因此減少C3A 相應(yīng)增加C4AF、減少C3S 相應(yīng)增加C2S 均能降低水化熱。但高C3S、高C3A 是水泥高強早強和預(yù)分解窯熟料工藝煅燒所需, 因此降低熟料礦物中的C3S和C3A 有一定難度。盡管已有預(yù)分解窯生產(chǎn)出中熱硅酸鹽水泥熟料, 但仍不普遍。筆者認為, 高溫煅燒快速冷卻、調(diào)整硫酸鹽飽和度、減少堿含量、摻入混合材、優(yōu)化水泥顆粒級配以及對水泥進行冷卻等降低水泥水化熱的措施均是切實可行的。

　　1) 高溫煅燒快速冷卻是減少水泥熟料C3A 含量的有效途徑。我們通常所講的C3A 含量是根據(jù)熟料的化學(xué)成分計算而得的潛在含量或稱理論含量。實際上, 在硅酸鹽水泥熟料煅燒過程中, 一部分Al2O3 固溶于C3S 中, 使實際生成的C3A 減少; 另外高溫煅燒使鐵相以C6A2F 形式存在, 也使實際生成的C3A 減少; 特別是預(yù)分解窯出窯熟料于1 350～1 280℃時在篦冷機上驟冷,使一部分C3A 以玻璃體形式存在。因此預(yù)分解窯熟料中的C3A 實際含量要比理論計算的少。

　　2) 除C3A 實際含量外, C3A 晶型對其活性有顯著影響, 從而影響其水化熱和水化放熱速率。據(jù)文獻[4]報道, 使用X 射線衍射法的Rietveld 法能夠快速準確地測出熟料各礦物的實際含量。測試結(jié)果表明, 由于使用二次燃料造成熟料中SO3 含量降低, 堿的硫酸鹽飽和度降低, 多余的堿進入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 活性特別高, 因此其水化速率及水化熱增加, 水泥凝結(jié)時間大為縮短, 對聚酯類超塑化劑的匹配產(chǎn)生影響。某廠使用二次燃料后硫酸鹽飽和度從60%降為40%, 熟料中立方晶型的C3A 含量從5.3%降為2.2%, 而斜方晶型的C3A 含量從6.0%增加到10.0%, 水泥初凝時間從3h20min 降為2h05min。因此, 熟料煅燒時一定要注意硫酸鹽飽和度變化對礦物晶型的影響, 從配料或燃料方面調(diào)整硫酸鹽飽和度。

　　3) 堿使水泥水化加速, 早期水化熱增加, 增大早期的溫度應(yīng)力。R.W.Burrows 認為[2],堿是影響混凝土抗裂性能的最重要因素?！皦A不但增大混凝土的收縮率,即使水泥的水化速率和自由收縮值相同,堿也使混凝土的抗裂性能明顯下降。低堿水泥有良好的抗開裂性能,特別是當堿鈉當量低于0.6%時,抗裂性大幅度提高”。R.Springenschmid 也認為[2], 堿使高速公路出現(xiàn)表面開裂。他在給Burrows 的信中寫到[2]: “我們因5%高速公路出現(xiàn)表面開裂而遇到很大的困難, 這只限于那些含堿鈉當量(Na2O+0.658K2O) 超過1.0%水泥的路段, 有時堿鈉當量達1.3%, ⋯⋯”。文獻[ 5] 報道,德國“道路建筑通函”18/1998(ARS18/1998) 規(guī)定, 用于高速公路的混凝土路面的水泥“總堿含量Na2O 當量≤0.84%”,“最近又將使用CEM I 和CEM Ⅱ/A 類水泥時的總堿含量降為Na2O 當量≤0.80%”。由此看來,堿對水泥混凝土的收縮開裂性能影響很大,在水泥生產(chǎn)和應(yīng)用過程中必須控制。我國北方某些廠的水泥堿含量偏高, 在用于混凝土路面或飛機場跑道時應(yīng)加以注意。不過, 南方地區(qū)由于土壤經(jīng)常有雨水沖洗, 堿含量不高。

　　4)水泥越細, 水化越快, 放熱速率越大, 早期水化熱越集中, 產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大, 越容易產(chǎn)生早期開裂。但摻入混合材細粉, 既可改善水泥級配, 減小水泥標準稠度用水量又可減少水化熱[6]。美國混凝土學(xué)會207 委員會認為[7], 當用火山灰代替部分水泥時, 要初估水泥發(fā)熱量, 一個頗為實用的方法是假定火山灰的發(fā)熱量為所取代的水泥發(fā)熱量的50%, 即HP=HO(1-0.5P), 式中Hp 和HO 分別為火山灰取代后和取代前的水化熱, P 為火山灰取代量。蔡正詠根據(jù)劉家峽和三門峽的經(jīng)驗得到HP=HO(1- 0.55P)[7]。據(jù)報道[8], 某粉煤灰3d、7d 水化熱分別為11.7kJ/g 和20.5kJ/g, 用它分別取代20%、40%、60%和80%的水泥后, 水化熱3d分別下降到原來的75.1%、72.8%、54.6%和31.4%;7d分別下降到原來的80.7%、69.2%、52.7%和31.8%。用比表面積400m2/kg 的礦渣粉取代35%的某普通水泥時, 3d 水化熱從235kJ/kg 下降至160kJ/kg, 水化熱減少了32%。盡管混合材取代水泥后水化熱下降情況隨水泥品種和工程實際情況變化較大, 但減少水化熱的趨勢是確定無疑的。因此, 就減少水化熱而論, 生產(chǎn)摻混合材的水泥是十分有效的。

　　5) 增加混合材摻量雖然可以降低水泥的水化速度和水化熱, 但水泥以及所配混凝土的早期強度也隨之降低, 從而影響拆模時間和施工進度。對于該問題,可以從以下兩方面認識和解決: ①廉慧珍等認為[9], 早期強度過高的水泥所配混凝土的后期強度增長率下降甚至倒縮, 對混凝土的耐久性不利。吳笑梅等認為[10], “水泥的3d 強度是施工的要求, 水泥的28d 強度是混凝土設(shè)計強度的需要, 而遠齡期強度指標則是混凝土耐久性( 強度補充及自愈合) 的需要。合理或較低的早期強度, 較高的后期及遠齡期強度是優(yōu)質(zhì)水泥重要的性能指標之一”。因此, 應(yīng)將混凝土耐久性放在第一位, 施工進度應(yīng)服從混凝土耐久性的需要, 摻入混合材后水泥的早期強度適當降低是可以接受的。②在不增加水化熱的情況下, 可以通過調(diào)整膠凝材料的顆粒級配來提高早期強度。硬化漿體的強度取決于材料的原始堆積密度和水泥水化產(chǎn)物對原始空隙的填充程度, 在不提高水泥水化速度即早期水化產(chǎn)物數(shù)量的情況下, 降低膠凝材料的原始空隙率即提高其堆積密度, 可以提高其強度特別是早期強度。張大康的研究表明[11], 在P·I 42.5R 硅酸鹽水泥( 比表面積333m2/kg) , 中摻入4%的高細石灰石粉( 比表面積1 194m2/kg) 和26%的礦渣粉( 比表面積414m2/kg) , 與單摻30%礦渣粉相比較, 水泥3d 抗壓強度顯著增加( 從24.6MPa 增加至29.4MPa) ; 與母體水泥( P·I42.5R) 比較, 3d 抗壓強度只有很少的降低, 28d 抗壓強度提高了9.4MPa, 其原因與高細石灰石粉的填充作用有很大關(guān)系?？梢娍梢酝ㄟ^調(diào)整顆粒級配, 在混合材摻量不變的情況下提高水泥的早期強度, 或者在水泥的3d 強度基本保持不變的情況下, 摻入較多混合材。朱寶林等的試驗表明[12], 當水泥堆積密度從0.606 2 增加至0.668 5 時, 達到相同凈漿流動度時的水泥水灰比從0.196 降低到0.150, 降幅達23.5%, 在相同水泥用量及工作性能的情況下, 混凝土的強度必然隨之增加。由此可見應(yīng)設(shè)法提高水泥顆粒的堆積密度。據(jù)報道[13], 最佳堆積密度的理想篩析曲線可用Fuller 曲線來表示, 其顆粒分布特點是比較寬, 以80μm 為最大顆粒計算, 其< 1μm 的顆粒含量約為17%, < 3μm 的顆粒含量約為27%, 而>32μm 的顆粒含量約為31%。但從充分發(fā)揮熟料的膠凝作用來說,其顆粒分布應(yīng)盡量集中在3～32μm( >65%) , < 1μm的顆粒含量最好為0, 即顆粒分布盡量窄一些。為了滿足顆粒最佳堆積密度和充分發(fā)揮熟料的膠凝作用這兩方面的要求, 可以單獨粉磨熟料, 使其顆粒分布盡量集中在3～32μm, 再摻入顆粒分布適當?shù)幕旌喜? 使混合后的水泥顆粒級配盡量靠近Fuller 曲線,由于配制出的水泥中< 3μm 的熟料顆粒含量低, 因此其水化熱比較低; 由于摻入混合材后水泥顆粒堆積密實了, 因此其早期強度不會明顯降低。趙東鎬[14]將3～30μm 顆粒含量為68%、< 3μm 的顆粒含量為9.5%的水泥(X′=21.4μm, n=1.17) 與Fuller 曲線進行了對比,發(fā)現(xiàn)前者< 2.7μm 及>42.2μm 的顆粒含量分別比后者約低15%和18%, 而2.7～42.2μm 的顆粒含量則相應(yīng)比后者高33%。進而提出用硅酸鹽水泥配制膠凝材料時, 用硅灰來補充< 0.1μm 的顆粒, 用風選粉煤灰、磨細粉煤灰、磨細礦渣、磨細石灰石和磨細火山灰質(zhì)材料來補充0.1～2.7μm 的顆粒, 用風選后的粗粉煤灰、粗磨鋼渣等來補充>42.2μm 的顆粒, 并可以通過計算求出各種混合材的摻量, 使膠凝材料的顆粒分布盡量接近Fuller 曲線。當然, 除了在生產(chǎn)水泥時通過摻加混合材的形式調(diào)整水泥顆粒級配外, 也可在配制混凝土?xí)r通過摻入礦物摻合料進行調(diào)整。

　　6) 另外, 對水泥進行冷卻也可使水泥使用時的水化熱降低。因為溫度提高水化加快, 另外溫度高使混凝土拌和物溫度提高。國內(nèi)外的實踐表明, 采用水泥冷卻器可使成品水泥從100～120℃冷卻至60～70℃。

　　7) 水泥的均勻性影響混凝土中水泥的用量, 從而影響混凝土的溫升。水泥的強度直接影響混凝土中水泥的用量, 穩(wěn)定性不好的水泥( 水泥的強度、水化熱及需水量等標準偏差大) , 設(shè)計混凝土配比時為了構(gòu)件的安全只能按水泥強度的低限值計算水泥摻量, 這樣對于處于強度上限附近的水泥摻入量相對過多, 強度過高, 水化熱也相對增大, 從而影響混凝土的溫升。因此, 水泥技術(shù)指標的標準偏差過大, 既影響水泥企業(yè)的經(jīng)濟效益, 又對混凝土的溫升造成不利影響, 水泥企業(yè)應(yīng)采取措施確保出廠水泥的均勻性。

2.2 減少混凝土溫度應(yīng)力的措施

　　減少混凝土溫度應(yīng)力的措施有摻礦物摻合料和緩凝劑。前者可減少水泥水化熱和水泥堿含量, 后者可推遲放熱峰出現(xiàn)的時間, 這已在很多實踐中得到證實。但混凝土的養(yǎng)護問題尚未引起人們的充分重視。GB50204—2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》第7.4.7 條規(guī)定:“應(yīng)在混凝土澆注完畢后12h以內(nèi)對混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護;混凝土澆注養(yǎng)護時間不得少于14d, 澆水次數(shù)應(yīng)能保持混凝土處于潮濕狀態(tài);采用塑料布覆蓋養(yǎng)護的混凝土,其敞開的全部產(chǎn)品應(yīng)覆蓋嚴密,并保持塑料布內(nèi)有凝結(jié)水”。目前的混凝土有多少工程按照規(guī)范對混凝土養(yǎng)護14d? 混凝土的早期開裂, 恐怕與養(yǎng)護不好有很大關(guān)系。又如,JTG F30—2003 《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》第9.3.5 條規(guī)定, 水泥混凝土路面“應(yīng)特別注意前7d 的養(yǎng)生。一般養(yǎng)生天數(shù)宜為14～21d, 高溫天不宜少于14d, 低溫天不宜少于21d。摻粉煤灰的混凝土路面, 最短養(yǎng)生時間不宜少于28d, 低溫天氣適當延長”。恐怕就更少有人做到了。筆者認為, 澆注完畢后應(yīng)加塑料膜覆蓋避免混凝土的早期水分損失, 另外在塑料膜上蓋麻袋或草袋保溫, 避免混凝土內(nèi)外溫差過大, 減少表面與內(nèi)部之間過大的溫度梯度引起的應(yīng)力。根據(jù)國外經(jīng)驗, 普通混凝土澆注后第3～4d 內(nèi)部溫度達到峰值, 摻粉煤灰后可推遲至第5～6d, 因此不要在澆注后的頭幾天直接向裸露的混凝土表面澆冷水,因為溫度高的混凝土表面驟然遇冷水會產(chǎn)生大的溫差應(yīng)力使表面出現(xiàn)裂縫;若要噴水, 應(yīng)將水在太陽照射下曬熱。降低混凝土原材料的溫度是降低溫度應(yīng)力的另一重要措施。一般地, 混凝土從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時, 其澆注溫度越低, 越少出現(xiàn)開裂傾向。就水泥而論, 目前大型新型干法窯出磨水泥溫度較高,加上貯存庫體積大, 水泥熱量很難散失, 庫內(nèi)水泥溫度可高達90～100℃, 攪拌站水泥庫容量一般偏小, 水泥多為隨到隨用, 造成混凝土拌和物出機和入模溫度高, 加劇了混凝土的早期溫升, 使溫度應(yīng)力更大。為此JTG F30—2003 《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》第3.1.4 條規(guī)定, “散裝水泥的夏季出廠溫度: 南方不宜高于65℃, 北方不宜高于55℃;混凝土攪拌時的水泥溫度: 南方不宜高于60℃;北方不宜高于50℃”。只要遵守這些規(guī)定, 混凝土的早期開裂將會大大減少。至于降低砂石和水的溫度的方法, 大家很熟悉, 不再詳述。

3 結(jié)束語

　　要減少混凝土的早期開裂除減少早期的干燥收縮外, 還必須減少其早期溫度應(yīng)變。水泥水化熱對混凝土的早期開裂影響很大, 水泥生產(chǎn)企業(yè)可以通過高溫煅燒快速冷卻、調(diào)整硫酸鹽飽和度、減少堿含量、摻入混合材、優(yōu)化水泥顆粒級配、對水泥進行冷卻等措施降低水泥水化熱; 在配制混凝土?xí)r可以摻入礦物摻合料和高效緩凝劑、降低混凝土攪拌時水泥的溫度和澆注后覆蓋保溫層養(yǎng)護等, 以有利于減少混凝土的早期溫度應(yīng)變。另外, 混凝土結(jié)構(gòu)和配方設(shè)計也要改革,應(yīng)根據(jù)工程需要選用合適的水泥品種和水泥用量, 根據(jù)水泥品種調(diào)整膨脹縫的間距, 根據(jù)水泥的顆粒級配調(diào)整細集料的用量和顆粒級配, 在滿足混凝土各項性能的前提下, 盡量減少水泥及外加劑用量、降低水灰比, 從而減少混凝土的開裂傾向。

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