大体积混凝土水化温升影响因素分析_江守恒

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大体积混凝土水化温升影响因素分析

江守恒, 李家和, 朱卫中, 董淑慧

1,2

1

2

1

(11哈尔滨工业大学材料学院, 哈尔滨 150006; 21黑龙江省寒地建筑科学研究院, 哈尔滨 150080)

=摘 要> 大体积混凝土施工的突出难点在于如何防止因水泥水化热产生的内部温升引起混凝土温度裂缝出现的问题。通过大量的模拟试验与工程的实践,针对混凝土的水化温升变化影响因素进行了具体地分析,包括:水泥、掺合料的类型与用量,水灰比,结构尺寸,环境温度,施工工艺和养护措施等各方面的因素。可供大体积混凝土设计、施工时参考。

=关键词> 大体积混凝土;水泥水化热;水化温升

=中图分类号> TU52810 =文献标识码> A =文章编号> 1001-6864(2006)02-0007-03

ANALYSISONINFLUENCINGFACTORSOFHYDRATIONTEMPERATURE

RISINGINSIDELARGEVOLUMECONCRETE

JIANGShou-heng, LIJia-he, ZHUWe-izhong, DONGShu-hui

1,2

1

2

1

(11SchoolofMaterialScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150006,China;

21HeilongjiangColdRegionInstituteofConstructionScienceandResearch,Harbin150080,China) Abstract:Inthisarticletheinfluencingfactorsoftemperaturerisinginconcretehydrationwereanalyzedthroughthedatumfromlargeamountofsimulatingtestsandexperiencesoftenprojects.Theinfluencingfac-torsincludethekindsandaddingpercentageofcementandaddictive,watercementratio,structuredimen-sion,concretecastingseason,constructionprocess,curingmethodandsoon.Andconclusionsbasedonthearticlewillprovidegoodreferencetothedesignandconstructionoflargevolumeconcrete.

Keywords:largevolumeconcrete;heatofcementhydration;hydrationtemperaturerising

大体积混凝土施工时控制和降低结构中心水化温度峰值是温控的关键,是具有决定性的内因。为此对水化温升变化影响因素结合工程实例和试验数据进行系统分析,对于类似工程具有指导与借鉴意义。

1 水泥型号与矿物组成、细度、用量对水化温升影响111 水泥型号、细度与矿物组成影响水泥型号、矿物组成和细度对混凝土内部水化温升有直接的影响,硅酸盐水泥主要矿物成份的水化放热量与在水泥中的比例如表1。由于矿物组成可在较大范围内变化,细度也会有很大差别,所以同样强度等级水泥的水化热也会有差异,按照同一配比得出的水化放热量将会有较大的变化。一般说来,大体积混凝土用水泥,C3A与C3S的含量应低,C2S含量高。高细度水泥早期水化放热速率集中,所以不宜选用高细度水泥,优先选用矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥或具有热稳定性能好低水化放热的高贝利特水泥。选用早强水泥或强度等级较高的水泥则必须在配合比中降低水泥用量及大量掺加矿物掺合料。

表1 熟料矿物水化热与在熟料中的含量范围

矿物

水化热P(kJ#kg-1)

含量P%

3d28d

C3S32238940~50

C2S2510920~35

C3A502778315~515

C4AF134364<20

112 水泥用量的直接影响

混凝土水化温升与水泥用量成正比,随水泥用量的增加温升增加,这已被工程试验所验证。采用天鹅牌P.O32.5水泥,进行模拟准绝热环境下的结构尺寸为1m3试体试验,从A、B、C、D四组同尺寸不同水泥用量试体的温升曲线图1可知,A组为460kgPm3纯水泥,其温升峰值出现最早最高,浇筑后42h便达到峰值50.6e;B、C、D组水化温升随水泥用量的8

低 温 建 筑 技 术2006年第2期(总第110期)

降低逐次递减。本试验略去了B、C、D组中掺合料的影响。113 WPC对水化温升影响

通过实践与试验,发现WPC变化对于水化温升的影响也是存在的。当WPC较大时,水化温升随用水量增加而降低,在低WPC条件下相反。研究表明,对于低WPC的单位质量水泥最终水化放热峰值远远低于高WPC的相应值,随着水化进程的发展,低WPC的水泥水化速度也迅速降低。以前,人们总忽略了WPC的影响,然而,Cook等在边长1m柱中的试验表明,对于水泥用量为470kgPm3(WPC为0.31)和540kgPm3(WPC为0125)的最高温升完全相同。可见,忽视WPC的影响,会导致过大估计总的水化放热量。2 掺合料种类与用量对水化温升影响211 掺合料的种类影响

工程中常用混凝土掺合料主要有:粉煤灰、沸石粉、高炉矿渣、增钙液态渣粉与硅灰等。使用这些掺合料,相对降低了单位水泥用量,且掺合料与水泥相比,几乎放热量可以忽略。因此掺合料的使用可以降低混凝土内部水化热温升值,但不同种类掺合料的影响情况各异。212 掺合料用量对水泥水化影响

随着掺合料用量的增加,混凝土内部的水化热温升呈现出降低趋势。针对粉煤灰进行研究发现,等量替代10%的水泥时,可使水化温升值下降6%左右,替代20%的水泥,可使水化热温升值下降10%~15%,替代30%的水泥时下降20%~25%。增钙液态渣粉的温升值基本与粉煤灰相同。3 混凝土外加剂对水化温升影响311 减水剂对水化温升影响

通常情况下,高效减水剂不影响混凝土中水泥或火山灰质材料的总水化热,但可能改变早期放热速率。对早期水泥水化有两种作用,一是,延迟水化开始时间;二是,加速硬化后的水化速率。通常掺量下不延迟水化,当掺量增加时,水化开始时间(温升迅速提高的起点)延迟。另外,高效减水剂趋于加速凝结后的水化反应,结果使放热速度提高,基本对水泥混凝土的温升无过大的影响。312 缓凝剂影响

缓凝是混凝土或水泥凝结时间延缓的过程。而非降低所有化学反应速度,因而无论是否加缓凝剂混凝土的总放热量都保持不变。然而,缓凝剂却使得混凝土热性能发生了改变。它延缓了水化热温升峰值出现的时间,可以将空白混凝土在3d内出现的温升峰值延迟到4~8d出现,从而延长了水化放热的时间,使得混凝土内部的水化热在此期间得以充分地向外部释放。在总放热量不变条件下,混凝土内部热量积聚得越少,则产生的温升峰值便越低。这可以解释为什么缓凝剂会降低大体积混凝土内部水化热峰值。

试验表明,混凝土配合比相同的准绝热情况下,如图2,掺0.2%木钙混凝土温升曲线峰值比基准低。表明木钙不但具有减水作用,还具有一定缓凝作用。掺0.2%糖钙的温升曲线,其温升程度比基准缓和得多。糖钙有明显的缓凝作用,延缓了早期水化热的释放。因此,缓凝剂应用于大体积混凝土中对降低温升值有很大作用,大体积混凝土施工技术人员应重视缓凝剂的重要作用。

5 混凝土浇筑季节、环境温度与入模温度影响511 浇筑温度对水化温升影响

浇筑时拌合料温度即混凝土起始温度,对水化温升有很大影响。如图4,可以看出浇筑温度越高,混凝土内部的水化热温升越高。初始温度的高低,对混凝土内部热量计算影响很大,不应仅是简单地累加计算,因浇筑温度高会加速促进水泥水化进程,从而导致热量加速释放,增加水化热峰值。512 季节、环境温度对水化温升影响

在春、秋与冬季进行的混凝土施工,相同尺寸条件的混凝土内部温升峰值出现的时间较夏季推迟,峰值的大小也低

表2 混凝土浇筑9d时热阻系数N与厚度关系

厚度Pm系数N

1.00.17

1.50.38

2.50.59

3.00.63

4.00.72

5.00.98

4 混凝土结构尺寸影响

大体积混凝土是根据结构断面最小尺寸来定义的,当混凝土的厚度超过1m时,混凝土内部受到的外界影响已不十分显著,类似于准绝热状态,仅沿最小尺寸方向一维散热。可以看出在大体积混凝土中热量的散失主要依靠混凝土裸露表面且散热能力很低。

试验结果表明同条件不同尺寸试体的温度变化是随着结构尺寸的增加混凝土的温升峰值在不断地升高(图3)。不同龄期时水化热温升与浇筑块厚度的关系是不同的,其热阻系数N随着厚度的增加而不断地加大。工程实测结果龄期9d时,N变化如表2。

江守恒等:大体积混凝土水化温升影响因素分析

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许多。图4不同季节施工的相近配比同厚度尺寸工程结构实体的温度变化曲线可明显地看出其影响结果。如果条件允许,应尽量避免夏季或避开炎热气候下的施工作业。513 其它环境影响因素

此外,其它几种环境因素的影响,如结构所处位置、太阳辐射热、风速会使同样气温条件下混凝土结构的散热受到影响,太阳辐射越强,风速越小则大体积混凝土的内部热峰值越高。但必须注意风速大小带走的热量是导致大体积混凝土温度梯度过大,产生开裂的重要因素之一。6 施工工艺与保温养护措施对水化温升影响611 施工工艺影响

施工工艺直接影响浇筑温度与浇筑速度,它们又间接地影响水泥水化进程,因此对水化热温升峰值产生影响。在炎热天气下施工时,可采用管道通水冷却、冰屑或采用液氮进行骨料冷却等方法,降低浇筑温度,以达到降低水化温升目的。

在设计、施工与养护的每个阶段,对水化温升峰值的影响均有不同的主导因素,并起关键作用。因此大体积混凝土的施工应进行系统性考虑,在不同时期抓住主要因素进行解决,以达到整个综合降温措施的最佳化。

参考文献

[1] CookWD,MiaoB,AitcinPC,MitchellD.Thermalstresseslarge

high-strengthconcretecolumns[C].ACIMaterialsJournal,1992,89,61-68.

[2] 朱卫中,钮长仁.冬期施工技术教程[M]12000,62-72.[3] 黄文熙,等.水泥工艺学[M].武汉:武汉工业大学出版社,

1985.

[收稿日期] 2006-02-25

[作者简介] 江守恒(1976)),男,工程硕士,助理工程师,主

要从事混凝土与混凝土外加剂科研工作。

书讯

5黑龙江省建筑地基基础设计规范6

发 布 实 施

地方标准5黑龙江省建筑地基基础设计规范6已

于2005年1月12日获省技术监督局、省建设厅批

浇筑方式也有较大影响,采用分层或分块进行浇筑时,可以有效地降低水化热峰值。内部使用冷却水管循环水冷,可带走大量的热,降低热峰值。另外可采用加入石块,减少单位体积内的水泥实际量以降温的措施。612 保温措施影响

保温的目的在于给大体积混凝土创造一个温度稳定环境,此时在升降温阶段混凝土内部形成稳定的温度场后,就不会产生过大温度梯度,这一点特别在冬施中尤为重要。7 结语

711 配合比设计时,依据实际情况以降低水化热温升为前提,正确选取水泥型号、掺合料与外加剂。在满足强度的条件下,应降低水泥用量。胶结材、掺合料、高效减水剂与缓凝

剂等是必不可少的组分,且应匹配合理。

712 根据混凝土结构尺寸选取合理的浇筑方式、冷却工艺,确定适宜的浇筑温度,根据环境温度,采取必要的冷却或加热骨料的办法,保证设计浇筑温度的实现。

713 采取适当的保温养护措施,提供一个稳定变化的温度场,在规范允许的条件下,尽量使混凝土结构的热量在早龄期充分释放出去。

准,2005年3月1日开始实施。该规范本着科学、先

进、合理、适用的原则,综合了国标岩土工程勘察规范、冻土勘察规范、地基基础设计规范和行业标准建筑桩基础技术规范、冻土地基基础设计规范、地基处理技术规范、基坑支护技术规程等内容,在大量收集地方资料的基础上,给出了我省地基承载力表和桩基阻值表,在勘察天然冻土、基础设计计算、构造要求,基坑支护及检验与监测等方面,均在国家、行业标准基础上有所突破和提高,突出地方特点,方便适用。

黑龙江省建筑地基基础设计规范,每本30100元。需购本规范的单位与个人可通过邮局汇款到哈尔滨市南岗区清滨路60号5低温建筑技术6编辑部订阅即可。

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