水泥水化熱與混凝土絕熱溫升研究綜述

楊如東 權娟娟 陳 健

（西京學院，陜西 西安710123）

本文從絕熱溫升理論，影響因素，計算模型三個方面對混凝土絕熱溫升進行談論和綜述，并展望今后開展的研究及其方向，希望為混凝土性能的研究方面提供參考。

1 混凝土絕熱溫升理論

1.1 水泥水化反應機理

水泥水化反應是水泥熟料與水接觸發生化學變化，生成水化物的過程。一般通常認為水泥水化需要進行NG-I-D 這三個過程。水泥熟料的礦物相主要化學成分是鈣離子，硅酸離子，鋁酸離子等，這四種礦物成分與水接觸后，礦物成分的離子濃度進行累積，水解至一定飽和程度后，開始有沉淀物產生。但是由于這四種礦物成分分子結構的差異性，造成每種礦物與水發生水化和水解反應的速率，時間不同，一般來說，鋁酸三鈣最先開始進行水化，研究水泥水化過程的前期可以著手于鋁酸三鈣的水解反應。硅酸二鈣（C2S）開始水化的時間比較長，大約從養護10天后開始。因此鋁酸三鈣是混凝土的產生早期強度的主要來源，而混凝土養護28 天內增加的強度逐漸由硅酸二鈣所提供。熟料礦物經過水化最終生成沉淀的膠狀物，生成的膠狀物相互之間也會發生一定的化學反應，最后變成堅硬的石狀體。

1.2 熱力學理論

根據熱力學第一定律可知：

式中：ΔU系統內能的增量，Q 為系統吸收的熱量，W 為功，而混凝土絕熱溫升過程中，混凝土不對外界做功，因此公式中W 為0。在混凝土絕熱溫升的過程中，水泥水化過程中產生的能量變化只跟反應系統的初始狀態和最終狀態有關，而與變化的途徑無關，也就是水化反應的能量變化會與混凝土入模溫度以及早期水泥水化反應有關，因而可以得到在混凝土絕熱溫升的過程中，混凝土內部的能量是一個定值，內部能量是一狀態的性質。

在研究混凝土絕熱溫升中一般是以熱力學第一定律為基礎，一般將熱力學第一定律與化學反應相結合，也就是“熱化學”。根據熱力學定律混凝土絕熱溫升值，是因為水泥不同礦物相以及摻合料（通常使用粉煤灰和礦粉）之間有著不同的內能或反應焓以至于能量的變化發生在水化反應的各個階段，于是這種能量的變化就會與外界環境發生作用，產生放熱的熱效應。水泥熟料的水化過程是一個非常復雜的化學變化過程，根據蓋斯理論，我們可以在復雜的水化反應中測得水化反應熱。根據蓋斯定律可以采用熱溶解法來測得水泥水化熱，在控制反應環境溫度相同下，在標準酸溶液中放入干水泥粉以及有一定程度的水化的水泥，從而測得水泥水化熱。這個方法主要適用于工程中使用的硅酸鹽水泥水化熱的測定。

2 混凝土絕熱溫升影響因素

2.1 水泥顆粒粒徑

在水泥水化過程中，水泥的顆粒的粗細程度決定了水泥與水接觸的面積，接觸面積直接影響化學反應的速率，在水化模型中，水化深度與水化速度滿足如下等式：

水泥顆粒的粒徑與水化度滿足下列等式：

因此水泥水化反應的總水化度滿足下列等式：

其中p(r)為粒徑為r 的水泥顆粒占所有水泥顆粒的百分比。

2.2 溫度

將Arrhenius 的公式變形可以得到：

式中的B 為積分常數，根據變形公式可以得到，lnk 與1/T滿足線性關系，也就說明控制混凝土澆筑時候的溫度，以及水泥水化過程時周圍環境的溫度，在一定的程度上可以減慢反應的速率，從而降低混凝土絕熱溫升值。

2.3 摻合料

粉煤灰和工業產生的礦渣廣泛的應用到混凝土的制備中，雖然粉煤灰和礦渣組成成分不同，但是都具備三大效應。粉煤灰顆粒形狀為規則的球形，這類形狀顆粒通常都具有較高的活性。I 類粉煤灰能夠明顯降低混凝土前期的絕熱溫升，新排放的礦渣顆粒尺寸較大，不能直接用于混凝土中，必須經過細磨，讓顆粒表面呈光滑，礦渣在一定程度上也能減小水泥水化熱，但是較于粉煤灰降熱的效果不明顯。因此可以采用粉煤灰等效替代水泥的方法，來延緩水泥水化反應的放熱峰，進而降低混凝土早期的絕熱溫升值。

3 水泥水化熱經驗計算模型

水泥水化反應產生的水化熱可用表示Q(τ)，當前的計算公式有三種：

3.1 基于齡期（τ）的計算模型

3.1.1 指數經驗式

3.1.2 雙曲線經驗式

3.1.3 復合指數經驗式

3.2 考慮溫度和齡期影響

3.3 考慮水膠比，粉煤灰，混凝土溫度影響

4 存在的問題及展望

影響混凝土絕熱溫升的不僅僅只有齡期，溫度，水膠比等因素，還與混凝土的自身的性能，外界環境有關，目前采用的水泥水化熱的經驗計算模型只考慮了其中一個或者兩個因素，存在一定的誤差，導致不能準確的計算出混凝土的絕熱溫升值，從而影響建筑物的強度以及耐久性。目前計算水泥水化熱的經驗模型主要運用熱力學相關知識，缺少化學動力學的相應知識，具有一定的局限性。

在后面的研究中，希望將熱力學和化學動力學結合起來，從宏觀和微觀的兩個方面考慮多種因素影響下的水泥水化熱的計算模型，將經驗和理論結合起來，對已有的模型進行改善，從而提高計算結果的準確性。