水泥水化熱對(duì)混凝土早期開裂的影響

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1、5/5水泥水化熱對(duì)混凝土早期開裂的影響`引言　　對(duì)于預(yù)拌混凝土應(yīng)用過(guò)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(qiáng)度太高;而水泥界則認(rèn)為,我國(guó)目前水泥的比表面積和早期強(qiáng)度并不比國(guó)外的高,混凝土的早期開裂主要是混凝土施工和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)所致。筆者認(rèn)為,必須通過(guò)混凝土生產(chǎn)者和水泥生產(chǎn)商溝通,對(duì)早期裂縫的成因達(dá)成共識(shí),在水泥生產(chǎn)、混凝土配制及施工養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)共同采取措施加以解決?！案邚?qiáng)早強(qiáng)、高比表面積”及“水泥磨得太細(xì)”,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

2、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(rèn)識(shí):抗拉強(qiáng)度越高,則混凝土開裂的危險(xiǎn)性越小;彈性模量大、收縮大則開裂的危險(xiǎn)性大;徐變大則開裂的危險(xiǎn)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?！　』炷撂幱谒苄誀顟B(tài)時(shí)彈性模量幾乎為零,任何收縮或應(yīng)變都不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,只有凝結(jié)固化具有一定強(qiáng)度后才有彈性模量,混凝土彈性模量隨強(qiáng)度增加而增大。因此,混凝土強(qiáng)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(guó)ACI建筑法規(guī)318-83,混凝土彈性模量與標(biāo)準(zhǔn)圓柱體28d抗壓強(qiáng)度的平方根成正比[1

3、]。混凝土徐變?cè)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(xiǎn)小。高強(qiáng)混凝土因收縮較大和徐變較小而較易開裂,而低強(qiáng)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(dá)成共識(shí),本文不擬贅述,但對(duì)于溫度應(yīng)變引起的應(yīng)力往往認(rèn)識(shí)不足?！　囟葢?yīng)力是目前預(yù)拌混凝土早期開裂的一個(gè)很重要的因素。R.Springenschmid[2]認(rèn)為,混凝土的2/3應(yīng)力來(lái)自于溫度變化,1/3來(lái)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(lái)源。按照瑞典學(xué)者J.Byfors[3]的觀點(diǎn),“混凝土拌和物成型的最初

4、幾個(gè)小時(shí),還沒(méi)有形成凝聚結(jié)構(gòu),此時(shí)主要表現(xiàn)為黏塑性。隨著水化進(jìn)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(zhǎng)至104～105MPa,增加了3個(gè)數(shù)量級(jí),而此期間抗壓和抗拉強(qiáng)度以正常速度增長(zhǎng),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(lái)的1/100,因此成型后6～8h極限抗拉應(yīng)變達(dá)到最低值”。　　在混凝土終凝時(shí),抗壓強(qiáng)度只有0.7MPa[1],抗拉強(qiáng)度只有0.07MPa,混凝土彈性模量按1.0×104MPa計(jì),只要產(chǎn)生大于0.07/(1.0×104)=7×10-6的應(yīng)變即可

5、使混凝土開裂?；炷恋臒崤蛎浵禂?shù)為10×10-6/℃[1],只要混凝土內(nèi)外溫差為1℃就足可使此時(shí)混凝土開裂。國(guó)外為使混凝土的早期不開裂,要求12h抗壓強(qiáng)度不大于6MPa,相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度約0.6MPa,即使彈性模量仍按1.0×104MPa計(jì),此時(shí)應(yīng)變不應(yīng)大于6×10-5,相當(dāng)于內(nèi)外溫度梯度不大于6℃。而國(guó)內(nèi)學(xué)者要求24h抗壓強(qiáng)度不大于12MPa,相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度約1.2MPa,此時(shí)應(yīng)變不應(yīng)大于12×10-5,相當(dāng)于內(nèi)外溫差不大于12℃。不幸的是,5/5水泥的水化熱釋放主要集中在早期,文獻(xiàn)[1]認(rèn)為,水泥加水拌和后,立即出現(xiàn)放熱(稱為第一個(gè)放熱峰),持續(xù)幾分鐘,這可能

6、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(duì)于大部分波特蘭水泥,大約在4～8h后,會(huì)達(dá)到第二個(gè)放熱峰頂點(diǎn),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(huì)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2400kg/m3、比熱0.96kJ/(kg·℃)計(jì),混凝土1d和3d的絕熱溫升相應(yīng)為24.4℃和30.1℃。混凝土溫升的高峰一般出現(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

7、。筆者認(rèn)為,國(guó)內(nèi)外混凝土專家要求混凝土1d抗壓強(qiáng)度不大于12MPa或12h抗壓強(qiáng)度不大于6MPa,其實(shí)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(xì)度太細(xì)強(qiáng)度太高的水泥配制的混凝土容易開裂,其實(shí)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?；炷脸尚秃笊w濕麻袋養(yǎng)護(hù)不開裂是因?yàn)樗鸬奖癖氐淖饔?。　　綜上所述,對(duì)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(rèn)為,對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)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(hù)不當(dāng)所引起,而對(duì)低水膠比高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,除此之外,水泥水化熱也起著重要的作

8、用。2減少水泥水化熱和混