普通硅酸盐水泥水化热影响因素试验研究

时间：2024-07-28

陈松，刘汝生，王起才

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070;2.济南铁路局设计所，山东济南 250000)

水泥水化过程是一个多因素影响下的水泥与水的物理化学反应过程，水泥水化过程将直接影响混凝土构造物的各项性能指标[1]。现有水泥水化热的研究主要是针对各矿物组分水化反应的研究[2]，由于水泥各组分化学反应过程中相互作用、相互影响，将各组分分开研究对实际工程指导意义较小。本文基于水泥净浆水化热试验，分析水泥水化反应影响因素及其作用机理，为具体工程中水化热控制及水泥水化理论研究提供参考。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

水泥为兰州甘草牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度为2.6%，比表面积332 m2/kg，其他性能指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求;水为普通饮用水;测温元件为JDC-2建筑电子测温仪。

1.2 试验方案

试验共分5组，入模温度分别为25℃，35℃，45℃，化学反应速率常数k与温度T的关系服从阿伦尼乌斯(Arrhenius S A)方程[3]，因此设置不同初始温度研究其影响。根据危鼎等人的研究，当水灰比低于0.42时，水泥材料水化反应不彻底[4]，即水灰比会影响水泥最终的水化状态，因此将试验中水灰比定为0.24，0.42，0.60。各组水泥净浆的试验参数见表1。

表1 各组水泥净浆试验参数

1.3 试验方法

根据《水泥水化热测定方法》(GB/T 12959—2008)中的直接法测定水泥净浆7 d水化热，将热量计放在恒温(相对绝热)环境中，测定水泥水化的温度变化，计算热量筒中能量变化以及热量桶散失的热量，两者相加得到水泥的水化热。

2 试验结果与分析

各组水泥净浆试验结果见表2。

表2 各组水泥净浆试验结果

2.1 水灰比

图1 不同水灰比水泥温度变化曲线

不同水灰比水泥温度变化曲线见图1。由图1可得，CS-3组最早达到温度峰值，温度峰值为93.7℃，在达到峰值后温度迅速降低;CS-2组最晚达到温度峰值，温度峰值为81℃，在达到峰值后温度降低较为缓慢;CS-1组在达到温度峰值前，变化规律与CS-3相似，在达到温度峰值后，变化规律与CS-2相似。分析原因，温度峰值大小以及出现时间的差异与水的比热容有关，水的比热容较大，水灰比最大的CS-2组在吸收相同甚至更多热量时，温度变化值较小。CS-3组在温度达到峰值后迅速降低的原因是水灰比最小，由于水分较少，前期水化反应耗尽大部分水分，后期浆体中参与水化反应的水含量少导致反应速率迅速降低，水化反应几乎停止。

不同水灰比水泥水化热变化曲线见图2。由图2可得，CS-2组水化热最大，CS-3组水化热最小;CS-1组与CS-2组最终水化热相差较小，CS-3组与CS-1组、CS-2组最终放热量相差较大;CS-3组在后期水化反应几乎停止，水化热变化较小。CS-2组在120 h内与CS-1组水化热基本相当，在120 h后CS-1组水化反应基本停止，CS-2组水化反应进行缓慢。分析原因，水泥水化热与水灰比成正比，水灰比越大，水与水泥颗粒越能充分接触，有利于水化反应的进行，因而水灰比越高放热量越高。普通硅酸盐水泥完全水化所需最小水灰比在0.42左右，而CS-3组水灰比低于该最小水灰比，水化反应的提前中止，导致7 d水化热偏小。在后期反应过程中C-S-H凝胶等水化产物会阻挡水分在浆体中的迁移扩散，降低水化速率。CS-2组水灰比大，水分分布均匀，水化产物的阻挡作用减小，所以120 h后CS-2组水化反应速率比CS-1组大。

图2 不同水灰比水泥水化热变化曲线

根据普通硅酸盐水泥水化热总量Q与水灰比(W/C)的估算关系式[5]，计算得到 CS-1，CS-2，CS-3组的水化热分别为 325.01，362.16，256.67 kJ，CS-1，CS-2，CS-3组实测值为 327.55，340.37，221.81 kJ，CS-1组估算值与实测值基本吻合，CS-2，CS-3组估算值与实测值相比偏大。这是因为水泥水化过程是多因素相互影响、共同作用的过程，水灰比变化会引起其他因素的变化，从而对水化反应产生影响，因此单一的水化热与水灰比的关系不能完整准确地描述水泥水化反应。

2.2 入模温度

由图3可见，3组水灰比相同入模温度不同水泥水化温度的上升、降低规律相似。7 d水化热从大到小依次为CS-1，CS-4，CS-5，且3组基本呈线性规律。分析原因，初始环境温度越高，水泥水化越快，水化放热越多;同时温度过高又会导致水分蒸发抑制水化反应的进行，因而造成3组水泥温度效应规律相似。

图3 不同入模温度水泥温度变化曲线

由图4可知，3组水灰比相同入模温度不同水泥7 d的水化热不同，入模温度越高水化热越小。水泥水化的最佳温度应在25℃或以下，3组水化热存在差异的原因是水泥水化反应属于放热反应，在温度达到一定值后，温度的增长会抑制水化反应的进行，同时水泥净浆温度过高会引起浆体内的水分蒸发，也会对水泥水化造成一定影响。

图4 不同入模温度水泥水化热变化曲线

2.3 普通硅酸盐水泥相对绝热条件下水化程度

假设试验用普通硅酸盐水泥各组分含量:硅酸三钙(C3S)38%、硅酸二钙(C2S)29%、铝酸三钙(C3A)10%、铁铝酸四钙(C4AF)23%，将上述参数代入伍茨(Woods)水化热经验公式[2]，得到水泥完全水化时的水化热为403.68 kJ。水泥水化伴随终生，前期反应较为集中，28 d时普通水泥水化程度能达到80% ～90%，28 d后水化反应十分缓慢。本试验相对绝热条件下普通硅酸盐水泥7 d水化热在220～340 kJ。前者是普通硅酸盐水泥完全水化时的理论放热量，后者是相对绝热条件下普通硅酸盐水泥7 d水化放热量。各组分百分量假设值可能与实际存在误差，同时试验过程的操作和数据测量也会产生一定的误差，这些均会对水泥水化程度的判定造成一定的影响。试验中CS-1，CS-2 组7 d 水化热为327.55，340.37 kJ，与普通环境中水泥28 d水化热相同[6]，因此可以认为，相对绝热条件下水泥7 d水化程度与普通环境中28 d水化程度相当。