水泥水化热试验研究分析

冀　伟

(河北省高速公路邢汾管理处， 河北 邢台　 054009)



水泥水化热试验研究分析

冀伟

(河北省高速公路邢汾管理处， 河北 邢台 054009)

摘要：水泥水化热是影响混凝土工程的一个主要因素，且被认为是混凝土早期开裂的主要原因之一。选取不同种类的硅酸盐水泥进行水泥水化热试验，并基于试验结果，研究不同水泥种类、粉煤灰和减水剂对水泥水化热的影响。

关键词：水泥；水化热；粉煤灰；减水剂；试验

混凝土结构浇筑后，在硬化过程中，由于胶凝材料水化反应会产生大量的水化热，使混凝土内部温度升高；而混凝土热传导性能较低，当混凝土体积较大时，其内部近似为绝热状态，散热很慢，内外形成明显的温差，从而产生温度应力，当温度应力超过混凝土的抗拉极限时，混凝土会产生裂缝，其对混凝土的整体性、耐久性和安全性造成不良影响。

水泥的水化热是影响混凝土工程的一个主要因素。随着混凝土运用越来越广泛，混凝土水化热问题就越发明显。已有实测资料数据表明，混凝土水化热引起的温度可高达70 ℃。实际工程中，硅酸盐水泥的绝对放热量或水化放热速率对于混凝土工程有很大的影响，水化热温度应力已被认为是混凝土早期开裂的主要原因之一。本文通过选取不同种类的硅酸盐水泥进行水泥水化热试验，并根据试验结果来研究不同水泥种类、粉煤灰和减水剂对水泥水化热的影响，进而分析其作用机理。

1水泥水化热

水泥的水化是指水泥熟料、石膏和水之间一系列化学反应的叠加，水化热是水泥水化过程中发生放热反应而产生的热量。影响水泥水化热的因素有很多，主要有内部因素和外部因素。内部因素主要指材料本身，包括水泥的类型和用量，外加剂料的类型和用量等。外部因素指混凝土的入模温度、冷却水温度、大气温度、冷却管的水流量、边界条件等。

根据水泥水化放热速率与时间的关系，可以将硅酸盐水泥水化分为4个阶段[1]，即诱导前期、诱导期、凝结期、硬化期，如图1所示。

图1　硅酸盐水泥在水化过程中的放热曲线

1.1诱导前期

水泥加水后，立即发生急剧放热反应，放热率剧增，可达最大值，并出现第1个放热高峰；游离的石灰、石膏与铝酸盐溶解，形成钙钒石(C3A·3CaSO4·32H2O)；水化体系迅速放热，且放热率很大，而随后几min又降至很低。这个阶段称为诱导前期。

1.2诱导期

诱导前期发生一段时间后，随着Ca2+浓度提高，相当一段时间(2～4 h)内，水化反应速率极其缓慢，放热率也很低。这一阶段反应几乎停止，故称此为潜化期或诱导期。有些研究者将诱导前期和诱导期合并称为诱导期，故凝结硬化4个阶段便分为3个阶段。

1.3凝结期

诱导期结束，实质上就是凝结期的开始。由于诱导期的潜化作用，围绕水泥颗粒成长的凝胶体膜层破裂，致使水泥颗粒进一步水化，而使水化反应速度加快，所以放热量也很快增加，出现第2个释热峰。一般认为，这是与硅酸三钙水化后形成水化硅酸钙(C-H-S)和氢氧化钙(CH)的原因。这一阶段，由于C-S-H和C3A·3CaSO4·32H2O形成网状结构，水泥浆失去塑性，开始凝结，故称为凝结期。

1.4硬化期

终凝以后，又出现第3个释热峰，一般认为这是由石膏耗尽后，钙矾石(C3A·3CaSO4·32H2O)转变为单硫盐(AFm)所致。这一阶段，各种水化产物数量增加，孔隙减少，强度提高，逐渐硬化，故称为硬化期。同时，水泥放热速率下降，颗粒间、浆体与集料间粘结。

2水泥水化热试验

2.1试验目的

选取不同种类的硅酸盐水泥进行水泥水化热试验，并根据试验结果来研究不同水泥种类、粉煤灰和减水剂对水泥水化热的影响。

2.2试验方案

为了解外掺剂对水泥水化热的影响，采用以下试验方案进行研究。

1) 选取永宁32.5、太行山32.5、东岳32.5普通硅酸盐水泥进行水化热试验，分析不同水泥种类水泥的水化热，试验规程按照GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法(直接法)》[2]进行。

2) 根据不同种类水泥水化热试验结果，选择永宁32.5普通硅酸盐水泥来研究单掺粉煤灰对水泥水化热的影响。

3) 对永宁32.5普通硅酸盐水泥采用单掺减水剂进行水化热试验，研究单掺减水剂对水泥水化热的影响。

4) 本试验委托国家水泥质量监督检验中心进行。

3试验数据分析

3.1水泥种类水化热试验结果

对试验结果数据进行整理，列出不同种类水泥的水化热温度曲线和不同种类水泥水化热数值，如图2及表1所示。

图2　不同种类水泥的水化热温度曲线

水泥种类水泥重/g水量/mL水泥浆稠度/%水化热平均值/(kJ·kg-1)3d7d永宁32.51846329289332太行山32.51846329278325东岳32.51846329257309

注：达到水化热最高值时间一般为3～7 d，由图2可知，72 h水化热过程已经基本完成，因此表中取前3 d和前7 d的水化热平均值。

从图2可以看出，3种水泥的水化放热量基本相等，但由表1可知，3种水泥3 d和7 d的温度峰值和最小值各不相同，永宁的第1个峰值最小，而第2个峰值最大，其余2种水泥的大小波峰走向都非常明显，由此说明不同种类的水泥水化热不同。

1) 永宁32.5水泥第1阶段释放的热量比其他2种要少，水化诱导期时间短，且水化热温度回落不大，基本平稳地过渡到水化加速期，但它水化热第2阶段的温度峰值最高。

2) 太行山32.5水泥第1阶段释放热量居中，水化加速期的热释放率极快。

3) 东岳32.5水泥的第1阶段释放热量最多，第2阶段温度峰值最低，水化热放热量最多。

3.2粉煤灰对水泥水化热的影响

整理试验数据，得出不同粉煤灰掺加量的水泥水化热温度变化曲线和水泥水化热量图，如图3、图4所示。从图3、图4可以看出：

1) 不同粉煤灰掺加量的水泥水化热温度不同，水化热放热量随粉煤灰掺加量的增加而降低。

2) 添加粉煤灰可以明显抑制水泥诱导期前期的水化反应。在水泥水化诱导前期，遇水发生剧烈放热反应，温度曲线非常陡。

10%粉煤灰的水泥曲线，开始几min曲线斜率比纯水泥要小一点，但不太明显。20%粉煤灰掺量水泥曲线可以明显看出，开始几min的温度曲线斜率小，变得缓和。在水泥硬化阶段，当粉煤灰掺量较大时，很快就进入稳定期。当粉煤灰掺量较小时，需要很长时间才进入稳定期，10%粉煤灰掺量水泥水化放热速率曲线在水化缓慢反应阶段又出现了一些放热峰，这也是之前水化未完全的熟料继续水化的结果[3-8]。

3) 添加粉煤灰后明显降低了水化热峰值，且随着粉煤灰掺加量的增加而降低。掺入粉煤灰后，胶凝材料总的水化热和水化峰值基本随粉煤灰掺量的增加而降低。粉煤灰的加入推迟了最大温度值的出现时间，最大值推迟时间在1～5 h内，且温度曲线趋于平缓，这说明粉煤灰降低了水化热的反应激烈程度，在水化早期粉煤灰被视为惰性粉体[4-7]。

图3　不同粉煤灰掺加量的水泥水化热温度变化曲线

图4　不同粉煤灰掺加量的水泥水化热量图

3.3减水剂对水化热的影响

整理试验数据，得出不同减水剂掺加量的水泥水化热温度变化曲线和水泥水化热量图，如图5、图6所示。从图5可以看出，水泥中掺加减水剂后可有效降低水化热，且效果明显。温度峰值比纯水泥的峰值降低了4.9 ℃，比20%粉煤灰的水泥水化热峰值降低了约1 ℃。这是因为使用减水剂后，增加了水泥浆内游离的水，减少了参加水化反应的水，从而减少了水化反应放出的热量。在水泥中添加减水剂可以延缓水化反应，推迟水泥水化热温度峰值的出现。添加1%的减水剂后，可以明显看出峰值推迟了9 h。从图6可以看出，水化热3 d和7 d放热量随着减水剂添加剂量增大而减小，这也证明了减水剂的使用在一定程度上可以减小水泥水化热放热量。

图5　不同减水剂掺加量的水泥水化热温度变化曲线

图6　不同减水剂掺加量的水泥水化热量图

4结论

本文对单掺粉煤灰和单掺减水剂对普通硅酸盐水泥水化热的影响进行了对比研究，并得到如下结论。

1) 粉煤灰可以降低水泥总水化热，水泥总水化热量随粉煤灰掺入量的增加而降低，但不成正比。粉煤灰具有较高的活性，但比其所替代那部分水泥的水化热量要小得多。

2) 水泥中加入粉煤灰可以降低水化热峰值，添加30%粉煤灰时，水化热3 d和7 d的水化热量分别下降了65、43 kJ/kg，峰值出现时间推迟了5 h，水化热过程得到延缓，初期水化的激烈程度得到抑制。

3) 掺入高效减水剂可节约水泥用量，大幅度降低用水量，降低水灰比，改善混凝土和易性，减少泌水，使混凝土致密化。添加1%减水剂时，明显延迟水泥放热峰值出现时间约9 h。

参 考 文 献

[1]侯子义.道路建筑材料[M].天津：天津大学出版社，2004.

[2]中国标准管理委员会.GB/T 12959—2008水泥水化热测定方法(直接法)[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]高少霞，穆红英.粉煤灰对硅酸盐水泥水化热影响的试验研究[J].大众科技，2005(9)：68-69.

[4]汪澜.水泥混凝土组成性能应用[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

[5]吴景晖，董维佳.掺矿渣粉、粉煤灰对水泥水化热的影响[J].科学研究，2005(6)：646-652.

[6]陈美祝，吕梁.粉煤灰混凝土技术的发展[J].电力环境保护，2000(3)：49-51.

[7]谢友均.超细粉煤灰高性能混凝土的研究与应用[D].长沙：中南大学，2006.

[8]王培铭，丰曙霞，刘贤萍.水泥水化程度研究方法及其进展[J].建筑材料学报，2005(6)：646-652.

Experimental Research and Analysis of Hydration Heat of Cement

JI Wei

Abstract:Hydration heat of cement is one of main factors affecting concrete works and is regarded as one of main reasons of early stage cracking of concrete. This paper selects different kinds of Portland cement to carry out the test of hydration heat of cement, and researches influences of different kinds of cement, coal ash and water reducer on hydration heat of cement based on the test results.

Keywords:cement; hydration heat; coal ash; water reducer; test

文章编号：1009-6477(2016)01-0013-04

中图分类号：U416.216

文献标识码：B

作者简介：冀伟(1983-)，男，河北省邯郸市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-08-03

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.004