矿物掺合料对水泥水化过程的影响
2014-10-20陈莉
摘 要：水泥水化反应属于放热反应，水化反应释放出大量水化热，在混凝土构造物中的表现就是产生温度应力，造成温度裂缝，对结构产生不利影响，应当采取措施减少温度裂缝。混凝土放热是由水泥等胶凝材料水化反应引起的，与骨料等无关，因此，本文以水泥为基准材料，通过水泥浆绝热温升试验，研究单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺粉煤灰矿粉条件下水泥浆的水化放热规律，为具体混凝土工程中水化热控制及高性能混凝土的研究提供参考。
关键词：水泥；矿物掺合料；粉煤灰；矿粉；水化反应；水化热
随着混凝土结构应用越来越广泛，人们对混凝土性能要求逐渐提高，混凝土性能研究及二次开发也随之增强，掺有矿物掺合料的高性能混凝土随之产生并被大量使用。矿物掺合料混凝土具有：拌合料和易性提高；降低水化放热，减小温度应力及裂缝的产生；提高混凝土耐久性等优点。文章以水泥为基准材料，研究含有矿物掺合料的水泥浆水化放热规律，试验研究结论有助于研究矿物掺合料在水泥水化过程中的作用机理，并为高性能混凝土配合比的设计提供参考。
1 试验原料
水泥为甘草牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度为2.7%，比表面积341m2/kg；粉煤灰为西固热电Ⅱ级粉煤灰，细度为8.35%，烧失量2.43%；矿粉为兰州东盛微粉S75，7d活性指数79%；水为普通饮用水；根据前期反复试验选定此次试验水灰比为0.42，测温元件为JDC-2建筑电子测温仪。水化热测量采用《水泥水化热测定方法》（GB-T12959-2008）中的直接法。各组水泥浆试验参数见表1。
表1 各组水泥浆试验参数
编号 水灰比 入模温度
/℃ 外界温度
/℃ 水泥质量
/Kg 粉煤灰质量
/Kg 矿粉质量
/Kg
SL-1 0.42 25 18 1 0 0
SL-2 0.42 25 18 0.9 0.1 0
SL-3 0.42 25 18 0.8 0.2 0
SL-4 0.42 25 18 0.6 0.4 0
SL-5 0.42 25 18 0.4 0.6 0
SL-6 0.42 25 18 0.9 0 0.1
SL-7 0.42 25 18 0.8 0 0.2
SL-8 0.42 25 18 0.6 0 0.4
SL-9 0.42 25 18 0.4 0 0.6
SL-10 0.42 25 18 0.4 0.2 0.4
SL-11 0.42 25 18 0.4 0.3 0.3
SL-12 0.42 25 18 0.4 0.4 0.2
2 试验结果与分析
表2 各组水泥浆试验结果
编号 SL-1 SL-2 SL-3 SL-4 SL-5 SL-6
拌合168h后水化热/KJ 327.55 263.35 256.14 235.51 181.79 320.67
编号 SL-7 SL-8 SL-9 SL-10 SL-11 SL-12
拌合168h后水化热/KJ 309.86 289.88 264.99 248.69 226.39 202.79
2.1 单掺粉煤灰水泥浆
由图1可得，随着粉煤灰的掺量增大，水泥浆的水化热曲线越来越平缓，168h后水化热越来越小。在水泥浆拌合后的168 h（7d），SL-1水化热327.55KJ，掺 10%，20%，40%，60%粉煤灰的水泥浆水化热分别比SL-1组水化热降低 64.20KJ（19.6%），71.41KJ（21.8%），92.04KJ（28.1%），145.76KJ（44.5%）。水泥浆水化热降低比例与粉煤灰掺量成非线性正比关系，掺入量在一定值（约为20%）以后水化热降低的比例低于粉煤灰掺入比例。产生这些现象的原因是，粉煤灰与水反应十分缓慢，粉煤灰需在水泥水化产生的氢氧化钙催化作用下水化速率才能大大增加，且由于粉煤灰的阻挡作用，反应初期粉煤灰及水泥水化较为迟缓，因此，随着粉煤灰用量增加，水泥浆水化热曲线越来越平缓。粉煤灰代替水泥，减少了水泥用量，相当于增大了水泥的水灰比，促进水泥水化，但由于水泥用量减少，最终水化热降低。因此，在粉煤灰掺量较少时，水化热降低较明显；粉煤灰掺量增加，水泥的等效水灰比增大，消弱了粉煤灰的阻碍作用，同时，粉煤灰水化过程也会释放少量的热量，使得水化热降低比例减小。
图1 单掺粉煤灰水泥浆水化热变化曲线
根据上述试验结果和分析说明，粉煤灰的活性较低，掺入粉煤灰可以有效降低水泥水化热，且使水化放热过程趋于平缓。
2.2 单掺矿粉水泥浆
图2 单掺矿粉水泥浆水化热变化曲线
在水泥浆拌合后的168 h（7d），掺 10%，20%，40%，60%矿粉的水泥浆水化热分别比SL-1（327.55KJ）降低 6.88KJ（2.1%），17.69KJ（5.4%），37.67KJ（11.5%），62.56KJ（19.1%）。水化热降低比例远远小于矿粉在水泥浆中的比例，单掺矿粉与单掺粉煤灰水化放热规律明显不同。
由图2可得，掺入矿粉使水泥浆的水化过程发生变化，与水泥净浆相比，掺入矿粉后水泥浆早期（24h内）放热速率变大。
产生这些现象的原因是，矿粉活性较高，矿粉可与水泥水化产物Ca（OH）2发生化学反应，Ca（OH）2含量的减少促进水泥水化反应，因此，掺入矿粉的水泥浆水化更彻底。但掺入矿粉减少了水泥矿物的相对含量，降低了水泥浆水化热。
2.3 双掺粉煤灰和矿粉水泥浆
试验中固定了水泥用量，粉煤灰和矿粉的总掺量为60%，变化粉煤灰与矿粉的比例。由图3可得，双掺粉煤灰、矿粉水泥浆的水化热曲线兼顾了单掺粉煤灰和单掺矿粉水泥浆的特点，水泥浆水化放热过程趋于平缓，且随着粉煤灰用量的增加水泥浆水化热减小。168h后SL-10组水化热比SL-3组减少了7.45KJ（2.9%），SL-8组水化热比SL-1减少了37.67KJ（11.5%），SL-3组水化热比SL-1减少了71.41KJ（21.8%），由实验数据对比可知，双掺粉煤灰、矿粉水泥浆中粉煤灰与矿粉发生相互交叉反应，与单掺粉煤灰、矿粉相比，虽然虽然水化放热增大。但双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化放热持续时间变长，放热平缓。
图3 双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化热变化曲线
上述试验结果说明，双掺粉煤灰、矿粉可以有效降低水泥浆水化热，使水泥浆水化过程延长，避免了集中放热。随着粉煤灰比例的增大，水泥浆水化热减小，水泥浆水化热达到相对稳定所需时间更长。
3 结语
（1）粉煤灰的活性较差，可有效降低水泥浆水化热，粉煤灰掺量越大，水泥浆水化热越小，水化热达到相对稳定状态的时间越长。（2）矿粉的活性相对较高，随矿粉掺量增加水化热降低，水化热降低率远低于矿粉掺入比例。掺入矿粉改变了水泥浆的水化过程，缓解了水泥浆的集中放热。（3）双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化热变化曲线较为平缓，水化持续时间更长。随粉煤灰掺量增加，双掺水泥浆水化热降低更多，水化热达到相对稳定的时间更长。因此，双掺粉煤灰、矿粉更适合应用于高性能混凝土。
参考文献
[1] 陈瑜，周士琼.大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究[J].混凝土，2000（4）.
[2] 吴建华，蒲心诚.高强高性能大掺量粉煤灰混凝土研究 [D].重庆大学，2004.
作者简介：陈莉（1989.06- ），女，汉族，研究方向：钢结构工程。
摘 要：水泥水化反应属于放热反应，水化反应释放出大量水化热，在混凝土构造物中的表现就是产生温度应力，造成温度裂缝，对结构产生不利影响，应当采取措施减少温度裂缝。混凝土放热是由水泥等胶凝材料水化反应引起的，与骨料等无关，因此，本文以水泥为基准材料，通过水泥浆绝热温升试验，研究单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺粉煤灰矿粉条件下水泥浆的水化放热规律，为具体混凝土工程中水化热控制及高性能混凝土的研究提供参考。
关键词：水泥；矿物掺合料；粉煤灰；矿粉；水化反应；水化热
随着混凝土结构应用越来越广泛，人们对混凝土性能要求逐渐提高，混凝土性能研究及二次开发也随之增强，掺有矿物掺合料的高性能混凝土随之产生并被大量使用。矿物掺合料混凝土具有：拌合料和易性提高；降低水化放热，减小温度应力及裂缝的产生；提高混凝土耐久性等优点。文章以水泥为基准材料，研究含有矿物掺合料的水泥浆水化放热规律，试验研究结论有助于研究矿物掺合料在水泥水化过程中的作用机理，并为高性能混凝土配合比的设计提供参考。
1 试验原料
水泥为甘草牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度为2.7%，比表面积341m2/kg；粉煤灰为西固热电Ⅱ级粉煤灰，细度为8.35%，烧失量2.43%；矿粉为兰州东盛微粉S75，7d活性指数79%；水为普通饮用水；根据前期反复试验选定此次试验水灰比为0.42，测温元件为JDC-2建筑电子测温仪。水化热测量采用《水泥水化热测定方法》（GB-T12959-2008）中的直接法。各组水泥浆试验参数见表1。
表1 各组水泥浆试验参数
编号 水灰比 入模温度
/℃ 外界温度
/℃ 水泥质量
/Kg 粉煤灰质量
/Kg 矿粉质量
/Kg
SL-1 0.42 25 18 1 0 0
SL-2 0.42 25 18 0.9 0.1 0
SL-3 0.42 25 18 0.8 0.2 0
SL-4 0.42 25 18 0.6 0.4 0
SL-5 0.42 25 18 0.4 0.6 0
SL-6 0.42 25 18 0.9 0 0.1
SL-7 0.42 25 18 0.8 0 0.2
SL-8 0.42 25 18 0.6 0 0.4
SL-9 0.42 25 18 0.4 0 0.6
SL-10 0.42 25 18 0.4 0.2 0.4
SL-11 0.42 25 18 0.4 0.3 0.3
SL-12 0.42 25 18 0.4 0.4 0.2
2 试验结果与分析
表2 各组水泥浆试验结果
编号 SL-1 SL-2 SL-3 SL-4 SL-5 SL-6
拌合168h后水化热/KJ 327.55 263.35 256.14 235.51 181.79 320.67
编号 SL-7 SL-8 SL-9 SL-10 SL-11 SL-12
拌合168h后水化热/KJ 309.86 289.88 264.99 248.69 226.39 202.79
2.1 单掺粉煤灰水泥浆
由图1可得，随着粉煤灰的掺量增大，水泥浆的水化热曲线越来越平缓，168h后水化热越来越小。在水泥浆拌合后的168 h（7d），SL-1水化热327.55KJ，掺 10%，20%，40%，60%粉煤灰的水泥浆水化热分别比SL-1组水化热降低 64.20KJ（19.6%），71.41KJ（21.8%），92.04KJ（28.1%），145.76KJ（44.5%）。水泥浆水化热降低比例与粉煤灰掺量成非线性正比关系，掺入量在一定值（约为20%）以后水化热降低的比例低于粉煤灰掺入比例。产生这些现象的原因是，粉煤灰与水反应十分缓慢，粉煤灰需在水泥水化产生的氢氧化钙催化作用下水化速率才能大大增加，且由于粉煤灰的阻挡作用，反应初期粉煤灰及水泥水化较为迟缓，因此，随着粉煤灰用量增加，水泥浆水化热曲线越来越平缓。粉煤灰代替水泥，减少了水泥用量，相当于增大了水泥的水灰比，促进水泥水化，但由于水泥用量减少，最终水化热降低。因此，在粉煤灰掺量较少时，水化热降低较明显；粉煤灰掺量增加，水泥的等效水灰比增大，消弱了粉煤灰的阻碍作用，同时，粉煤灰水化过程也会释放少量的热量，使得水化热降低比例减小。
图1 单掺粉煤灰水泥浆水化热变化曲线
根据上述试验结果和分析说明，粉煤灰的活性较低，掺入粉煤灰可以有效降低水泥水化热，且使水化放热过程趋于平缓。
2.2 单掺矿粉水泥浆
图2 单掺矿粉水泥浆水化热变化曲线
在水泥浆拌合后的168 h（7d），掺 10%，20%，40%，60%矿粉的水泥浆水化热分别比SL-1（327.55KJ）降低 6.88KJ（2.1%），17.69KJ（5.4%），37.67KJ（11.5%），62.56KJ（19.1%）。水化热降低比例远远小于矿粉在水泥浆中的比例，单掺矿粉与单掺粉煤灰水化放热规律明显不同。
由图2可得，掺入矿粉使水泥浆的水化过程发生变化，与水泥净浆相比，掺入矿粉后水泥浆早期（24h内）放热速率变大。
产生这些现象的原因是，矿粉活性较高，矿粉可与水泥水化产物Ca（OH）2发生化学反应，Ca（OH）2含量的减少促进水泥水化反应，因此，掺入矿粉的水泥浆水化更彻底。但掺入矿粉减少了水泥矿物的相对含量，降低了水泥浆水化热。
2.3 双掺粉煤灰和矿粉水泥浆
试验中固定了水泥用量，粉煤灰和矿粉的总掺量为60%，变化粉煤灰与矿粉的比例。由图3可得，双掺粉煤灰、矿粉水泥浆的水化热曲线兼顾了单掺粉煤灰和单掺矿粉水泥浆的特点，水泥浆水化放热过程趋于平缓，且随着粉煤灰用量的增加水泥浆水化热减小。168h后SL-10组水化热比SL-3组减少了7.45KJ（2.9%），SL-8组水化热比SL-1减少了37.67KJ（11.5%），SL-3组水化热比SL-1减少了71.41KJ（21.8%），由实验数据对比可知，双掺粉煤灰、矿粉水泥浆中粉煤灰与矿粉发生相互交叉反应，与单掺粉煤灰、矿粉相比，虽然虽然水化放热增大。但双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化放热持续时间变长，放热平缓。
图3 双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化热变化曲线
上述试验结果说明，双掺粉煤灰、矿粉可以有效降低水泥浆水化热，使水泥浆水化过程延长，避免了集中放热。随着粉煤灰比例的增大，水泥浆水化热减小，水泥浆水化热达到相对稳定所需时间更长。
3 结语
（1）粉煤灰的活性较差，可有效降低水泥浆水化热，粉煤灰掺量越大，水泥浆水化热越小，水化热达到相对稳定状态的时间越长。（2）矿粉的活性相对较高，随矿粉掺量增加水化热降低，水化热降低率远低于矿粉掺入比例。掺入矿粉改变了水泥浆的水化过程，缓解了水泥浆的集中放热。（3）双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化热变化曲线较为平缓，水化持续时间更长。随粉煤灰掺量增加，双掺水泥浆水化热降低更多，水化热达到相对稳定的时间更长。因此，双掺粉煤灰、矿粉更适合应用于高性能混凝土。
参考文献
[1] 陈瑜，周士琼.大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究[J].混凝土，2000（4）.
[2] 吴建华，蒲心诚.高强高性能大掺量粉煤灰混凝土研究 [D].重庆大学，2004.
作者简介：陈莉（1989.06- ），女，汉族，研究方向：钢结构工程。
摘 要：水泥水化反应属于放热反应，水化反应释放出大量水化热，在混凝土构造物中的表现就是产生温度应力，造成温度裂缝，对结构产生不利影响，应当采取措施减少温度裂缝。混凝土放热是由水泥等胶凝材料水化反应引起的，与骨料等无关，因此，本文以水泥为基准材料，通过水泥浆绝热温升试验，研究单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺粉煤灰矿粉条件下水泥浆的水化放热规律，为具体混凝土工程中水化热控制及高性能混凝土的研究提供参考。
关键词：水泥；矿物掺合料；粉煤灰；矿粉；水化反应；水化热
随着混凝土结构应用越来越广泛，人们对混凝土性能要求逐渐提高，混凝土性能研究及二次开发也随之增强，掺有矿物掺合料的高性能混凝土随之产生并被大量使用。矿物掺合料混凝土具有：拌合料和易性提高；降低水化放热，减小温度应力及裂缝的产生；提高混凝土耐久性等优点。文章以水泥为基准材料，研究含有矿物掺合料的水泥浆水化放热规律，试验研究结论有助于研究矿物掺合料在水泥水化过程中的作用机理，并为高性能混凝土配合比的设计提供参考。
1 试验原料
水泥为甘草牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度为2.7%，比表面积341m2/kg；粉煤灰为西固热电Ⅱ级粉煤灰，细度为8.35%，烧失量2.43%；矿粉为兰州东盛微粉S75，7d活性指数79%；水为普通饮用水；根据前期反复试验选定此次试验水灰比为0.42，测温元件为JDC-2建筑电子测温仪。水化热测量采用《水泥水化热测定方法》（GB-T12959-2008）中的直接法。各组水泥浆试验参数见表1。
表1 各组水泥浆试验参数
编号 水灰比 入模温度
/℃ 外界温度
/℃ 水泥质量
/Kg 粉煤灰质量
/Kg 矿粉质量
/Kg
SL-1 0.42 25 18 1 0 0
SL-2 0.42 25 18 0.9 0.1 0
SL-3 0.42 25 18 0.8 0.2 0
SL-4 0.42 25 18 0.6 0.4 0
SL-5 0.42 25 18 0.4 0.6 0
SL-6 0.42 25 18 0.9 0 0.1
SL-7 0.42 25 18 0.8 0 0.2
SL-8 0.42 25 18 0.6 0 0.4
SL-9 0.42 25 18 0.4 0 0.6
SL-10 0.42 25 18 0.4 0.2 0.4
SL-11 0.42 25 18 0.4 0.3 0.3
SL-12 0.42 25 18 0.4 0.4 0.2
2 试验结果与分析
表2 各组水泥浆试验结果
编号 SL-1 SL-2 SL-3 SL-4 SL-5 SL-6
拌合168h后水化热/KJ 327.55 263.35 256.14 235.51 181.79 320.67
编号 SL-7 SL-8 SL-9 SL-10 SL-11 SL-12
拌合168h后水化热/KJ 309.86 289.88 264.99 248.69 226.39 202.79
2.1 单掺粉煤灰水泥浆
由图1可得，随着粉煤灰的掺量增大，水泥浆的水化热曲线越来越平缓，168h后水化热越来越小。在水泥浆拌合后的168 h（7d），SL-1水化热327.55KJ，掺 10%，20%，40%，60%粉煤灰的水泥浆水化热分别比SL-1组水化热降低 64.20KJ（19.6%），71.41KJ（21.8%），92.04KJ（28.1%），145.76KJ（44.5%）。水泥浆水化热降低比例与粉煤灰掺量成非线性正比关系，掺入量在一定值（约为20%）以后水化热降低的比例低于粉煤灰掺入比例。产生这些现象的原因是，粉煤灰与水反应十分缓慢，粉煤灰需在水泥水化产生的氢氧化钙催化作用下水化速率才能大大增加，且由于粉煤灰的阻挡作用，反应初期粉煤灰及水泥水化较为迟缓，因此，随着粉煤灰用量增加，水泥浆水化热曲线越来越平缓。粉煤灰代替水泥，减少了水泥用量，相当于增大了水泥的水灰比，促进水泥水化，但由于水泥用量减少，最终水化热降低。因此，在粉煤灰掺量较少时，水化热降低较明显；粉煤灰掺量增加，水泥的等效水灰比增大，消弱了粉煤灰的阻碍作用，同时，粉煤灰水化过程也会释放少量的热量，使得水化热降低比例减小。
图1 单掺粉煤灰水泥浆水化热变化曲线
根据上述试验结果和分析说明，粉煤灰的活性较低，掺入粉煤灰可以有效降低水泥水化热，且使水化放热过程趋于平缓。
2.2 单掺矿粉水泥浆
图2 单掺矿粉水泥浆水化热变化曲线
在水泥浆拌合后的168 h（7d），掺 10%，20%，40%，60%矿粉的水泥浆水化热分别比SL-1（327.55KJ）降低 6.88KJ（2.1%），17.69KJ（5.4%），37.67KJ（11.5%），62.56KJ（19.1%）。水化热降低比例远远小于矿粉在水泥浆中的比例，单掺矿粉与单掺粉煤灰水化放热规律明显不同。
由图2可得，掺入矿粉使水泥浆的水化过程发生变化，与水泥净浆相比，掺入矿粉后水泥浆早期（24h内）放热速率变大。
产生这些现象的原因是，矿粉活性较高，矿粉可与水泥水化产物Ca（OH）2发生化学反应，Ca（OH）2含量的减少促进水泥水化反应，因此，掺入矿粉的水泥浆水化更彻底。但掺入矿粉减少了水泥矿物的相对含量，降低了水泥浆水化热。
2.3 双掺粉煤灰和矿粉水泥浆
试验中固定了水泥用量，粉煤灰和矿粉的总掺量为60%，变化粉煤灰与矿粉的比例。由图3可得，双掺粉煤灰、矿粉水泥浆的水化热曲线兼顾了单掺粉煤灰和单掺矿粉水泥浆的特点，水泥浆水化放热过程趋于平缓，且随着粉煤灰用量的增加水泥浆水化热减小。168h后SL-10组水化热比SL-3组减少了7.45KJ（2.9%），SL-8组水化热比SL-1减少了37.67KJ（11.5%），SL-3组水化热比SL-1减少了71.41KJ（21.8%），由实验数据对比可知，双掺粉煤灰、矿粉水泥浆中粉煤灰与矿粉发生相互交叉反应，与单掺粉煤灰、矿粉相比，虽然虽然水化放热增大。但双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化放热持续时间变长，放热平缓。
图3 双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化热变化曲线
上述试验结果说明，双掺粉煤灰、矿粉可以有效降低水泥浆水化热，使水泥浆水化过程延长，避免了集中放热。随着粉煤灰比例的增大，水泥浆水化热减小，水泥浆水化热达到相对稳定所需时间更长。
3 结语
（1）粉煤灰的活性较差，可有效降低水泥浆水化热，粉煤灰掺量越大，水泥浆水化热越小，水化热达到相对稳定状态的时间越长。（2）矿粉的活性相对较高，随矿粉掺量增加水化热降低，水化热降低率远低于矿粉掺入比例。掺入矿粉改变了水泥浆的水化过程，缓解了水泥浆的集中放热。（3）双掺粉煤灰、矿粉水泥浆水化热变化曲线较为平缓，水化持续时间更长。随粉煤灰掺量增加，双掺水泥浆水化热降低更多，水化热达到相对稳定的时间更长。因此，双掺粉煤灰、矿粉更适合应用于高性能混凝土。
参考文献
[1] 陈瑜，周士琼.大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究[J].混凝土，2000（4）.
[2] 吴建华，蒲心诚.高强高性能大掺量粉煤灰混凝土研究 [D].重庆大学，2004.
作者简介：陈莉（1989.06- ），女，汉族，研究方向：钢结构工程。
