浅谈大体积混凝土水化热问题

刘有奇

浅谈大体积混凝土水化热问题

刘有奇

（阳泉煤业集团吉成建设工程检测有限责任公司 山西省 045000）

影响大体积混凝土水化热的因素有很多，总体可分为内部因素与外部因素。内部因素主要包括混凝土的配合比、水泥品种、水泥用量、掺合料品种、掺合料用量等；外部因素则主要包括混凝土的入模温度、大气温度、冷却水管以及边界条件等。文章概述了水化热产生机理与危害，探讨了大体积混凝土水化热控制措施。

大体积混凝土；水化热；影响因素

引言

混凝土是有多种物质共同组成的，它具有较强的抗压性能，并且有和好的可塑性，能够满足不同形式的工程需要，因此，楼房建造、桥梁工程以及各种土木工程中被广泛的应用。但是，在混凝土工作过程中，如果遇到水就会在混凝土结构中产生大量的热量，这些热量如果过大就会严重影响整体工程的质量。混凝土遇水产生热量的现象成为混凝土的水化热，这在混凝土工程中也是一种常见的现象，特别是在大体积的混凝土中则是一种普遍的现象。由于混凝土水化热改变了混凝土内部的物质组成，破坏了混凝土的整体结构性，因此，分析计算大体积混凝土水化热以及水化热的防治措施具有非常重要的意义和实际价值，对于实际过程有非常大的帮助。

一、水化热产生机理与危害

水泥水化释放的热量是混凝士水化热的来源。水泥熟料主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等矿物组成。水泥加适量的水拌和后，立即发生化学反应，水泥的各个组分开始溶解并产生复杂的物理、化学和力学的变化，水泥熟料的四种主要矿物水化均是放热反应，这种变化可以持续很长的时间。水泥凝结硬化过程可以分为诱导期、凝结期和硬化期三个阶段。水泥水化放热研究表明，水泥水化过程中在水化初期、凝结终期、硬化初期形成放热高峰。大体积混凝土浇筑完毕后，由于水泥水化作用所放出的热量使混凝土内部温度逐渐升高，与一般结构相比较，大体积混凝土内部水化热不易散出，结构表面与内部温度不一致，外层混凝土热量很快散发，而内部混凝土热量散发较慢，内外温度变形不同，产生温度应力，使混凝土产生拉应力。若拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表层将产生裂缝，从而不利于构件的工作。

水泥水化过程产生热量是大体积混凝土施工的主要热源，工程中常用的水泥水化放热的经验公式为指数式水化热公式Q（t）=Q0（1-e-mt）。

式中：Q（t）—龄期t时1kg水泥的累积水化热，kJ/ kg；Q0—每1kg水泥的最终散热量，kJ/ kg；m—水化热系数；t—龄期，d.

对式1进行微分推导可得混凝土生热速率HGEN如 HGEN=W=WmQ0e-mt；HGEN—混凝土水化生热速率，W/m3；W—单位体积混凝土的水泥用量，kg/m3。

二、大体积混凝土水化热的控制措施

XX大桥主桥墩、承台采用C30低标号砼，采用华新水泥厂家生产的普通硅酸盐P.0 42.5级水泥。承台混凝土方量1662.5m3，属于大体积混凝土，混凝土配合比的原则为：满足设计混凝土强度等级条件下，掺适量粉煤灰，同时加缓凝剂，延长混凝土的初凝时间，尽可能降低混凝土的水泥用量，尽量降低混凝土内最大温升值。

1、原材料配合比控制

如前所述，混凝土水化热来源于水泥水化释放的热量，因此防治混凝土水化热的措施中，首先可以设法减少混凝土中的水泥熟料的数量，从而降低混凝土水化热。主要有两个具体措施：

（1）选用低水化热的普通硅酸盐水泥。铝酸三钙和硅酸三钙是水泥熟料中反应速度较快，释放热量较多的两种矿物，为降低混凝土水化热，在大体积混凝土中可考虑选用铝酸三钙和硅硅酸三钙含量较低的水泥。

（2）优化混凝土配合比，推广高性能混凝土技术，在大体积混凝土中采用粉煤灰等矿物掺和料替代部分水泥，减少混凝土中水泥用量。高性能混凝土（ High performance concrete ）是混凝土技术的发展方向，掺用矿物掺和料高性能混凝土的主要技术特征。粉煤灰等矿物掺和料是在后期与水泥水化时析出的Ca（OH）2产生二次反应（火山灰反应），生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙，反应速度较慢，在混凝土凝结硬化初期基本不参与水泥水化反应，因此采用矿物掺和料替代部分水泥可以降低混凝土凝结硬化初期的水化热。

有的混凝土结构由于体积过大，尽管设法降低了混凝土水化热的产生量，但是混凝土内部热量不能及时散失，累积使得混凝土内部温度很高，产生了较大的温度应力，导致混凝土结构产生温度应力裂缝。这种情况可以根据混凝土结构特点，设置适当的散热装置，及时消散混凝土的水化热，如设置散热孔、通水排热等。

2、避免混凝土原材料温度过高，将部分热量带入混凝土内部

如果混凝土原材料温度过高，会部分热量带入混凝土内部，将使混凝土内部温度过高，增加混凝土的温度梯度，因此要预防混凝土水化热的危害应注意避免混凝土原材料温度过高主要用两种措施：（1）采用温度较低的水来拌制混凝土。（2）在混凝土粗、细集料堆积处搭设遮阳棚。

3、施工降温措施

在承台安装钢筋后期，安装直径50的钢循环水管，以混凝土中心范围水管间距不大于4米构成一个循环系统。承台混凝土施工关键是控制混凝土内部中心温度与表面温度温度差值不大25℃，而采取混凝土配合比优化、混凝土生产、运输和浇筑过程中的降温措施以及采取保温保湿养护方法等措施是本工程施工控制的主要措施，能有效控制温差变化；采用循环水管仅作为辅助混凝土内部进行水冷散热作用，如采用前几项措施未能令混凝土中心温度与表面温度差值小于25℃，又或者混凝土中心温度过高(如超过75℃)时使用。使用时，须将混凝土测温增加到每1小时测温一次，当温度受到控制时，可减少水冷至停止，以免降温过快。

4、加强混凝土养护，保证混凝土内外温差在规范规定范围之内

国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》明确规定，“对大体积混凝土的养护，应根据气候条件采取控温措施，并按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度，将温差控制在设计要求的范围内；当设计无具体要求时，温差不宜超过25℃”。

大体积混凝土施工时应该加强混凝土的内外温差的监测，当发现混凝土内外温差超过规范要求时，应采取措施提高混凝土外部温度，避免内外温差过大产生温度应力给混凝土结构带来危害。

结束语

大体积混凝土开裂问题是在工程建设中带有一定普遍性的技术问题，裂缝一旦形成，特别是基础贯穿裂缝出现在重要结构部位，危害极大，它会降低结构的耐久性，消弱构件的承载力，同时可能危害到建筑物的安全使用。通过以上分析笔者认为在对原材料，以及施工过程中采用合理的方法，从每一个小的细节入手，可以有效的防止裂缝的发生。

[1] 刘睫，陈兵.大体积混凝土水化热温度场数值模拟[J].混凝土与水泥制品，2010（10）.

[2] 王伟.Ansys14.0土木工程有限元分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013.

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1007-6344（2017）03-0286-01