水泥水化热对混凝土早期开裂的影响

中图分类号: TQ172.1 文献标识码: B 文章编号: 1002- 9877( 2007) 04- 0012- 04

0 引言

　　对于预拌混凝土应用过程出现的早期开裂现象,有些混凝土专家归因于水泥比表面积太大和早期强度太高; 而水泥界则认为, 我国目前水泥的比表面积和早期强度并不比国外的高, 混凝土的早期开裂主要是混凝土施工和养护不当所致。笔者认为, 必须通过混凝土生产者和水泥生产商沟通, 对早期裂缝的成因达成共识, 在水泥生产、混凝土配制及施工养护等环节共同采取措施加以解决。“高强早强、高比表面积”及“水泥磨得太细”, 这些都是表面现象, 其本质是早期水化热太高及混凝土温度应力大的缘故。

1 水化热高是混凝土早期开裂的重要原因

　　混凝土早期开裂主要是由于初凝前后干燥失水引起的收缩应变和水化热产生的热应变所引起。关于混凝土的开裂, 大家都已接受如下认识: 抗拉强度越高, 则混凝土开裂的危险性越小; 弹性模量大、收缩大则开裂的危险性大; 徐变大则开裂的危险性小。弹性模量越低, 一定收缩量(或应变)产生的拉应力越小。

　　混凝土处于塑性状态时弹性模量几乎为零, 任何收缩或应变都不会产生拉应力, 只有凝结固化具有一定强度后才有弹性模量, 混凝土弹性模量随强度增加而增大。因此, 混凝土强度的发展既有利于减少混凝土的开裂又因弹性模量增大而增加混凝土的开裂性。根据美国ACI 建筑法规318- 83, 混凝土弹性模量与标准圆柱体28d 抗压强度的平方根成正比[1]。混凝土徐变越大, 应力松弛量越大, 纯拉应力越小。因此, 弹性模量低、徐变大及收缩小的混凝土开裂的危险小。高强混凝土因收缩较大和徐变较小而较易开裂, 而低强混凝土可能因收缩小和徐变大, 而往往裂缝较少。关于干燥收缩及其避免或减少收缩的措施, 大家都已达成共识, 本文不拟赘述, 但对于温度应变引起的应力往往认识不足。

　　温度应力是目前预拌混凝土早期开裂的一个很重要的因素。R.Springenschmid[2]认为, 混凝土的2/3 应力来自于温度变化, 1/3 来自干缩和湿胀。水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源。按照瑞典学者J.Byfors[3]的观点, “混凝土拌和物成型的最初几个小时,还没有形成凝聚结构,此时主要表现为黏塑性。随着水化进行, 塑性减少, 弹性模量增大, 成型后4～8h, 弹性模量从10～102MPa 迅速增长至104～105MPa , 增加了3 个数量级, 而此期间抗压和抗拉强度以正常速度增长, 因此极限抗拉应变由2h 的4.0×10- 3 急剧下降至6～8h 的0.04×10- 3 左右, 即极限应变减小到原来的1/100, 因此成型后6～8h 极限抗拉应变达到最低值”。

　　在混凝土终凝时, 抗压强度只有0.7MPa[1], 抗拉强度只有0.07MPa, 混凝土弹性模量按1.0×104MPa 计, 只要产生大于0.07/( 1.0×104) =7×10- 6 的应变即可使混凝土开裂。混凝土的热膨胀系数为10×10- 6/℃[1], 只要混凝土内外温差为1℃就足可使此时混凝土开裂。国外为使混凝土的早期不开裂, 要求12h 抗压强度不大于6MPa, 相应的抗拉强度约0.6MPa, 即使弹性模量仍按1.0×104MPa 计, 此时应变不应大于6×10- 5, 相当于内外温度梯度不大于6℃。而国内学者要求24h 抗压强度不大于12MPa, 相应的抗拉强度约1.2MPa, 此时应变不应大于12×10- 5, 相当于内外温差不大于12℃。不幸的是, 水泥的水化热释放主要集中在早期,文献[1]认为, 水泥加水拌和后, 立即出现放热(称为第一个放热峰), 持续几分钟, 这可能是铝酸盐和硫酸盐的溶解热。下一阶段是形成钙矾石所放出的热量, 对于大部分波特兰水泥, 大约在4～8h 后, 会达到第二个放热峰顶点, 除钙矾石形成热外它也包括C3S 的一些溶解热和C- S- H 的形成热。典型的波特兰水泥在开始3d 内大致会放出50%的水化热。某P·O42.5 水泥1d 水化热为188kJ/kg, 3d 为231kJ/kg, 按混凝土密度2 400kg/m3、比热0.96kJ/(kg·℃)计, 混凝土1d 和3d 的绝热温升相应为24.4℃和30.1℃。混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3～4d, 掺粉煤灰后可推迟至第5～6d, 因此, 从减少混凝土早期温度应变出发, 应尽量减少水泥水化热。笔者认为, 国内外混凝土专家要求混凝土1d 抗压强度不大于12MPa 或12h 抗压强度不大于6MPa, 其实质是降低早期水化速率和水化热, 减少温度应变所产生的应力。有些施工人员反映细度太细强度太高的水泥配制的混凝土容易开裂, 其实质也是这些水泥早期水化快, 水化热大, 使混凝土温度应力大的结果。混凝土成型后盖湿麻袋养护不开裂是因为它起到保湿保温的作用。

　　综上所述, 对混凝土的早期开裂必须具体分析,不能一概归咎于水泥。笔者认为, 对于低强度等级的混凝土特别是C30 以下的混凝土, 其早期开裂主要是由于养护不当所引起, 而对低水胶比高强度等级的混凝土, 除此之外, 水泥水化热也起着重要的作用。

2 减少水泥水化热和混凝土温升的重要途径

2.1 减少水泥水化热的措施

　　水泥水化热的大小和放热速率与熟料的矿物组成有关。C3A 的水化热和水化放热速率最大, C3S 和C4AF 次之, C2S 的水化热最小, 放热速率最慢。因此减少C3A 相应增加C4AF、减少C3S 相应增加C2S 均能降低水化热。但高C3S、高C3A 是水泥高强早强和预分解窑熟料工艺煅烧所需, 因此降低熟料矿物中的C3S和C3A 有一定难度。尽管已有预分解窑生产出中热硅酸盐水泥熟料, 但仍不普遍。笔者认为, 高温煅烧快速冷却、调整硫酸盐饱和度、减少碱含量、掺入混合材、优化水泥颗粒级配以及对水泥进行冷却等降低水泥水化热的措施均是切实可行的。

　　1) 高温煅烧快速冷却是减少水泥熟料C3A 含量的有效途径。我们通常所讲的C3A 含量是根据熟料的化学成分计算而得的潜在含量或称理论含量。实际上, 在硅酸盐水泥熟料煅烧过程中, 一部分Al2O3 固溶于C3S 中, 使实际生成的C3A 减少; 另外高温煅烧使铁相以C6A2F 形式存在, 也使实际生成的C3A 减少; 特别是预分解窑出窑熟料于1 350～1 280℃时在篦冷机上骤冷,使一部分C3A 以玻璃体形式存在。因此预分解窑熟料中的C3A 实际含量要比理论计算的少。

　　2) 除C3A 实际含量外, C3A 晶型对其活性有显著影响, 从而影响其水化热和水化放热速率。据文献[4]报道, 使用X 射线衍射法的Rietveld 法能够快速准确地测出熟料各矿物的实际含量。测试结果表明, 由于使用二次燃料造成熟料中SO3 含量降低, 碱的硫酸盐饱和度降低, 多余的碱进入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 活性特别高, 因此其水化速率及水化热增加, 水泥凝结时间大为缩短, 对聚酯类超塑化剂的匹配产生影响。某厂使用二次燃料后硫酸盐饱和度从60%降为40%, 熟料中立方晶型的C3A 含量从5.3%降为2.2%, 而斜方晶型的C3A 含量从6.0%增加到10.0%, 水泥初凝时间从3h20min 降为2h05min。因此, 熟料煅烧时一定要注意硫酸盐饱和度变化对矿物晶型的影响, 从配料或燃料方面调整硫酸盐饱和度。

　　3) 碱使水泥水化加速, 早期水化热增加, 增大早期的温度应力。R.W.Burrows 认为[2],碱是影响混凝土抗裂性能的最重要因素。“碱不但增大混凝土的收缩率,即使水泥的水化速率和自由收缩值相同,碱也使混凝土的抗裂性能明显下降。低碱水泥有良好的抗开裂性能,特别是当碱钠当量低于0.6%时,抗裂性大幅度提高”。R.Springenschmid 也认为[2], 碱使高速公路出现表面开裂。他在给Burrows 的信中写到[2]: “我们因5%高速公路出现表面开裂而遇到很大的困难, 这只限于那些含碱钠当量(Na2O+0.658K2O) 超过1.0%水泥的路段, 有时碱钠当量达1.3%, ⋯⋯”。文献[ 5] 报道,德国“道路建筑通函”18/1998(ARS18/1998) 规定, 用于高速公路的混凝土路面的水泥“总碱含量Na2O 当量≤0.84%”,“最近又将使用CEM I 和CEM Ⅱ/A 类水泥时的总碱含量降为Na2O 当量≤0.80%”。由此看来,碱对水泥混凝土的收缩开裂性能影响很大,在水泥生产和应用过程中必须控制。我国北方某些厂的水泥碱含量偏高, 在用于混凝土路面或飞机场跑道时应加以注意。不过, 南方地区由于土壤经常有雨水冲洗, 碱含量不高。

　　4)水泥越细, 水化越快, 放热速率越大, 早期水化热越集中, 产生的温度应力越大, 越容易产生早期开裂。但掺入混合材细粉, 既可改善水泥级配, 减小水泥标准稠度用水量又可减少水化热[6]。美国混凝土学会207 委员会认为[7], 当用火山灰代替部分水泥时, 要初估水泥发热量, 一个颇为实用的方法是假定火山灰的发热量为所取代的水泥发热量的50%, 即HP=HO(1-0.5P), 式中Hp 和HO 分别为火山灰取代后和取代前的水化热, P 为火山灰取代量。蔡正咏根据刘家峡和三门峡的经验得到HP=HO(1- 0.55P)[7]。据报道[8], 某粉煤灰3d、7d 水化热分别为11.7kJ/g 和20.5kJ/g, 用它分别取代20%、40%、60%和80%的水泥后, 水化热3d分别下降到原来的75.1%、72.8%、54.6%和31.4%;7d分别下降到原来的80.7%、69.2%、52.7%和31.8%。用比表面积400m2/kg 的矿渣粉取代35%的某普通水泥时, 3d 水化热从235kJ/kg 下降至160kJ/kg, 水化热减少了32%。尽管混合材取代水泥后水化热下降情况随水泥品种和工程实际情况变化较大, 但减少水化热的趋势是确定无疑的。因此, 就减少水化热而论, 生产掺混合材的水泥是十分有效的。

　　5) 增加混合材掺量虽然可以降低水泥的水化速度和水化热, 但水泥以及所配混凝土的早期强度也随之降低, 从而影响拆模时间和施工进度。对于该问题,可以从以下两方面认识和解决: ①廉慧珍等认为[9], 早期强度过高的水泥所配混凝土的后期强度增长率下降甚至倒缩, 对混凝土的耐久性不利。吴笑梅等认为[10], “水泥的3d 强度是施工的要求, 水泥的28d 强度是混凝土设计强度的需要, 而远龄期强度指标则是混凝土耐久性( 强度补充及自愈合) 的需要。合理或较低的早期强度, 较高的后期及远龄期强度是优质水泥重要的性能指标之一”。因此, 应将混凝土耐久性放在第一位, 施工进度应服从混凝土耐久性的需要, 掺入混合材后水泥的早期强度适当降低是可以接受的。②在不增加水化热的情况下, 可以通过调整胶凝材料的颗粒级配来提高早期强度。硬化浆体的强度取决于材料的原始堆积密度和水泥水化产物对原始空隙的填充程度, 在不提高水泥水化速度即早期水化产物数量的情况下, 降低胶凝材料的原始空隙率即提高其堆积密度, 可以提高其强度特别是早期强度。张大康的研究表明[11], 在P·I 42.5R 硅酸盐水泥( 比表面积333m2/kg) , 中掺入4%的高细石灰石粉( 比表面积1 194m2/kg) 和26%的矿渣粉( 比表面积414m2/kg) , 与单掺30%矿渣粉相比较, 水泥3d 抗压强度显著增加( 从24.6MPa 增加至29.4MPa) ; 与母体水泥( P·I42.5R) 比较, 3d 抗压强度只有很少的降低, 28d 抗压强度提高了9.4MPa, 其原因与高细石灰石粉的填充作用有很大关系。可见可以通过调整颗粒级配, 在混合材掺量不变的情况下提高水泥的早期强度, 或者在水泥的3d 强度基本保持不变的情况下, 掺入较多混合材。朱宝林等的试验表明[12], 当水泥堆积密度从0.606 2 增加至0.668 5 时, 达到相同净浆流动度时的水泥水灰比从0.196 降低到0.150, 降幅达23.5%, 在相同水泥用量及工作性能的情况下, 混凝土的强度必然随之增加。由此可见应设法提高水泥颗粒的堆积密度。据报道[13], 最佳堆积密度的理想筛析曲线可用Fuller 曲线来表示, 其颗粒分布特点是比较宽, 以80μm 为最大颗粒计算, 其< 1μm 的颗粒含量约为17%, < 3μm 的颗粒含量约为27%, 而>32μm 的颗粒含量约为31%。但从充分发挥熟料的胶凝作用来说,其颗粒分布应尽量集中在3～32μm( >65%) , < 1μm的颗粒含量最好为0, 即颗粒分布尽量窄一些。为了满足颗粒最佳堆积密度和充分发挥熟料的胶凝作用这两方面的要求, 可以单独粉磨熟料, 使其颗粒分布尽量集中在3～32μm, 再掺入颗粒分布适当的混合材, 使混合后的水泥颗粒级配尽量靠近Fuller 曲线,由于配制出的水泥中< 3μm 的熟料颗粒含量低, 因此其水化热比较低; 由于掺入混合材后水泥颗粒堆积密实了, 因此其早期强度不会明显降低。赵东镐[14]将3～30μm 颗粒含量为68%、< 3μm 的颗粒含量为9.5%的水泥(X′=21.4μm, n=1.17) 与Fuller 曲线进行了对比,发现前者< 2.7μm 及>42.2μm 的颗粒含量分别比后者约低15%和18%, 而2.7～42.2μm 的颗粒含量则相应比后者高33%。进而提出用硅酸盐水泥配制胶凝材料时, 用硅灰来补充< 0.1μm 的颗粒, 用风选粉煤灰、磨细粉煤灰、磨细矿渣、磨细石灰石和磨细火山灰质材料来补充0.1～2.7μm 的颗粒, 用风选后的粗粉煤灰、粗磨钢渣等来补充>42.2μm 的颗粒, 并可以通过计算求出各种混合材的掺量, 使胶凝材料的颗粒分布尽量接近Fuller 曲线。当然, 除了在生产水泥时通过掺加混合材的形式调整水泥颗粒级配外, 也可在配制混凝土时通过掺入矿物掺合料进行调整。

　　6) 另外, 对水泥进行冷却也可使水泥使用时的水化热降低。因为温度提高水化加快, 另外温度高使混凝土拌和物温度提高。国内外的实践表明, 采用水泥冷却器可使成品水泥从100～120℃冷却至60～70℃。

　　7) 水泥的均匀性影响混凝土中水泥的用量, 从而影响混凝土的温升。水泥的强度直接影响混凝土中水泥的用量, 稳定性不好的水泥( 水泥的强度、水化热及需水量等标准偏差大) , 设计混凝土配比时为了构件的安全只能按水泥强度的低限值计算水泥掺量, 这样对于处于强度上限附近的水泥掺入量相对过多, 强度过高, 水化热也相对增大, 从而影响混凝土的温升。因此, 水泥技术指标的标准偏差过大, 既影响水泥企业的经济效益, 又对混凝土的温升造成不利影响, 水泥企业应采取措施确保出厂水泥的均匀性。

2.2 减少混凝土温度应力的措施

　　减少混凝土温度应力的措施有掺矿物掺合料和缓凝剂。前者可减少水泥水化热和水泥碱含量, 后者可推迟放热峰出现的时间, 这已在很多实践中得到证实。但混凝土的养护问题尚未引起人们的充分重视。GB50204—2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》第7.4.7 条规定:“应在混凝土浇注完毕后12h以内对混凝土加以覆盖并保湿养护;混凝土浇注养护时间不得少于14d, 浇水次数应能保持混凝土处于潮湿状态;采用塑料布覆盖养护的混凝土,其敞开的全部产品应覆盖严密,并保持塑料布内有凝结水”。目前的混凝土有多少工程按照规范对混凝土养护14d? 混凝土的早期开裂, 恐怕与养护不好有很大关系。又如,JTG F30—2003 《公路水泥混凝土路面施工技术规范》第9.3.5 条规定, 水泥混凝土路面“应特别注意前7d 的养生。一般养生天数宜为14～21d, 高温天不宜少于14d, 低温天不宜少于21d。掺粉煤灰的混凝土路面, 最短养生时间不宜少于28d, 低温天气适当延长”。恐怕就更少有人做到了。笔者认为, 浇注完毕后应加塑料膜覆盖避免混凝土的早期水分损失, 另外在塑料膜上盖麻袋或草袋保温, 避免混凝土内外温差过大, 减少表面与内部之间过大的温度梯度引起的应力。根据国外经验, 普通混凝土浇注后第3～4d 内部温度达到峰值, 掺粉煤灰后可推迟至第5～6d, 因此不要在浇注后的头几天直接向裸露的混凝土表面浇冷水,因为温度高的混凝土表面骤然遇冷水会产生大的温差应力使表面出现裂缝;若要喷水, 应将水在太阳照射下晒热。降低混凝土原材料的温度是降低温度应力的另一重要措施。一般地, 混凝土从塑性状态转变为弹性状态时, 其浇注温度越低, 越少出现开裂倾向。就水泥而论, 目前大型新型干法窑出磨水泥温度较高,加上贮存库体积大, 水泥热量很难散失, 库内水泥温度可高达90～100℃, 搅拌站水泥库容量一般偏小, 水泥多为随到随用, 造成混凝土拌和物出机和入模温度高, 加剧了混凝土的早期温升, 使温度应力更大。为此JTG F30—2003 《公路水泥混凝土路面施工技术规范》第3.1.4 条规定, “散装水泥的夏季出厂温度: 南方不宜高于65℃, 北方不宜高于55℃;混凝土搅拌时的水泥温度: 南方不宜高于60℃;北方不宜高于50℃”。只要遵守这些规定, 混凝土的早期开裂将会大大减少。至于降低砂石和水的温度的方法, 大家很熟悉, 不再详述。

3 结束语

　　要减少混凝土的早期开裂除减少早期的干燥收缩外, 还必须减少其早期温度应变。水泥水化热对混凝土的早期开裂影响很大, 水泥生产企业可以通过高温煅烧快速冷却、调整硫酸盐饱和度、减少碱含量、掺入混合材、优化水泥颗粒级配、对水泥进行冷却等措施降低水泥水化热; 在配制混凝土时可以掺入矿物掺合料和高效缓凝剂、降低混凝土搅拌时水泥的温度和浇注后覆盖保温层养护等, 以有利于减少混凝土的早期温度应变。另外, 混凝土结构和配方设计也要改革,应根据工程需要选用合适的水泥品种和水泥用量, 根据水泥品种调整膨胀缝的间距, 根据水泥的颗粒级配调整细集料的用量和颗粒级配, 在满足混凝土各项性能的前提下, 尽量减少水泥及外加剂用量、降低水灰比, 从而减少混凝土的开裂倾向。

参考文献:

　　[1] P 梅泰.混凝土的结构、性能与材料[M].祝永年, 沈威, 陈志源,译.上海: 同济大学出版社, 1991.

　　[2] R W Burrows. 混凝土的可见与不可见裂缝(内部资料). 廉慧珍, 覃维袓, 译.

　　[3] 黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[J].混凝土, 2003,(7): 3- 9.

　　[4] 喇华璞.关于水泥工业中二次原燃料的应用[J].水泥, 2006, ( 1) : 8-11.

　　[5] 乔龄山.硅酸盐水泥的性能及其应用[J].水泥, 2006, (1): 1- 7.

　　[6] 胡如进, 李琳, 王善拔. 水泥颗粒级配的优化[J].水泥,2005, (8):15- 17.

　　[7] 蔡正咏.混凝土性能[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1979.94- 105.

　　[8] 余学芳, 董邑宁.粉煤灰混凝土的抗裂性分析[J].混凝土, 2003, (2):48- 49.

　　[9] 廉慧珍, 韩素芳.现代混凝土需要什么样的水泥[J].水泥, 2006,( 9) : 13- 18.

　　[10] 吴笑梅, 樊粤明.优质水泥的评价[J].水泥, 2007, ( 2) : 1- 3.

　　[11] 张大康.高细石灰石粉用作水泥混合材料的试验研究[J].水泥,2005, ( 7) : 7- 11.

　　[12] 朱宝林, 黄新, 郭晔, 等.连续粒径水泥颗粒在浆体中的堆积密度[J].建筑材料学报, 2006, 9( 4) : 447- 452.

　　[13] 乔龄山.水泥的最佳颗粒分布及其评价方法[J]. 水泥, 2001, ( 8) :1- 5.

　　[14] 赵东镐. 适于配制高性能混凝土的硅酸盐水泥及其胶凝材料的最佳颗粒级配[J].水泥, 2007, (3): 1- 3.