水泥水化热对混凝土早期开裂的影响_胡如进

DOI:10.13739/j.cnki.cn11-1899/tq.2007.04.005

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水泥ＣＥＭＥＮＴ

２００７．Ｎｏ．４

水泥水化热对混凝土早期开裂的影响

胡如进

（建筑材料工业技术情报研究所，北京

１０００２４）

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，

是混凝土早期温度应力的主要来源。按照瑞典学者Ｊ．混凝土拌和物成型的最初几个小时，Ｂｙｆｏｒｓ［３］的观点，“

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不幸的是，水泥的水化热释放主要集中在早期，１２℃。

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

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，对早期裂缝的成因混凝土配制及施工养护等环达成共识，在水泥生产、

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

１ｄ水化热为１８８ｋＪ／ｋｇ，３ｄ为２３１ｋＪ／ｋｇ，按混凝土密度

比热０．９６ｋＪ／（ｋｇ・２４００ｋｇ／ｍ３、℃）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

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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。

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当最近又将使用ＣＥＭＩ和ＣＥＭⅡ／Ａ类量≤０．８４％”，“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。

２

２．１

减少水泥水化热和混凝土温升的重要途径

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和因此减Ｃ４ＡＦ次之，Ｃ２Ｓ的水化热最小，放热速率最慢。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１３５０～１２８０℃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。

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－

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

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％、用６９．２％、５２．７％和３１．８％。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。

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％

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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・Ｉ４２．５Ｒ硅酸盐水泥（比表面积３３３

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℃。

ｍ２／ｋｇ），中掺入４％的高细石灰石粉（比表面积１１９４ｍ２／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］

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。

，当水泥堆积密度从

０．６０６２增加至０．６６８５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］

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。混凝土结构工程施工质量验收ＧＢ５０２０４—２００２《

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，

，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

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公路水泥混凝土路面施工技术规ＪＴＧＦ３０—２００３《

范》第９．３．５条规定，水泥混凝土路面“应特别注意前一般养生天数宜为１４～７ｄ的养生。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为此高，加剧了混凝土的早期温升，使温度应力更大。公路水泥混凝土路面施工技术规ＪＴＧＦ３０—２００３《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。

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：

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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

（编辑顾志玲）

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