水泥水化热与混凝土绝热温升研究综述

杨如东 权娟娟 陈 健

（西京学院，陕西 西安710123）

本文从绝热温升理论，影响因素，计算模型三个方面对混凝土绝热温升进行谈论和综述，并展望今后开展的研究及其方向，希望为混凝土性能的研究方面提供参考。

1 混凝土绝热温升理论

1.1 水泥水化反应机理

水泥水化反应是水泥熟料与水接触发生化学变化，生成水化物的过程。一般通常认为水泥水化需要进行NG-I-D 这三个过程。水泥熟料的矿物相主要化学成分是钙离子，硅酸离子，铝酸离子等，这四种矿物成分与水接触后，矿物成分的离子浓度进行累积，水解至一定饱和程度后，开始有沉淀物产生。但是由于这四种矿物成分分子结构的差异性，造成每种矿物与水发生水化和水解反应的速率，时间不同，一般来说，铝酸三钙最先开始进行水化，研究水泥水化过程的前期可以着手于铝酸三钙的水解反应。硅酸二钙（C2S）开始水化的时间比较长，大约从养护10天后开始。因此铝酸三钙是混凝土的产生早期强度的主要来源，而混凝土养护28 天内增加的强度逐渐由硅酸二钙所提供。熟料矿物经过水化最终生成沉淀的胶状物，生成的胶状物相互之间也会发生一定的化学反应，最后变成坚硬的石状体。

1.2 热力学理论

根据热力学第一定律可知：

式中：ΔU系统内能的增量，Q 为系统吸收的热量，W 为功，而混凝土绝热温升过程中，混凝土不对外界做功，因此公式中W 为0。在混凝土绝热温升的过程中，水泥水化过程中产生的能量变化只跟反应系统的初始状态和最终状态有关，而与变化的途径无关，也就是水化反应的能量变化会与混凝土入模温度以及早期水泥水化反应有关，因而可以得到在混凝土绝热温升的过程中，混凝土内部的能量是一个定值，内部能量是一状态的性质。

在研究混凝土绝热温升中一般是以热力学第一定律为基础，一般将热力学第一定律与化学反应相结合，也就是“热化学”。根据热力学定律混凝土绝热温升值，是因为水泥不同矿物相以及掺合料（通常使用粉煤灰和矿粉）之间有着不同的内能或反应焓以至于能量的变化发生在水化反应的各个阶段，于是这种能量的变化就会与外界环境发生作用，产生放热的热效应。水泥熟料的水化过程是一个非常复杂的化学变化过程，根据盖斯理论，我们可以在复杂的水化反应中测得水化反应热。根据盖斯定律可以采用热溶解法来测得水泥水化热，在控制反应环境温度相同下，在标准酸溶液中放入干水泥粉以及有一定程度的水化的水泥，从而测得水泥水化热。这个方法主要适用于工程中使用的硅酸盐水泥水化热的测定。

2 混凝土绝热温升影响因素

2.1 水泥颗粒粒径

在水泥水化过程中，水泥的颗粒的粗细程度决定了水泥与水接触的面积，接触面积直接影响化学反应的速率，在水化模型中，水化深度与水化速度满足如下等式：

水泥颗粒的粒径与水化度满足下列等式：

因此水泥水化反应的总水化度满足下列等式：

其中p(r)为粒径为r 的水泥颗粒占所有水泥颗粒的百分比。

2.2 温度

将Arrhenius 的公式变形可以得到：

式中的B 为积分常数，根据变形公式可以得到，lnk 与1/T满足线性关系，也就说明控制混凝土浇筑时候的温度，以及水泥水化过程时周围环境的温度，在一定的程度上可以减慢反应的速率，从而降低混凝土绝热温升值。

2.3 掺合料

粉煤灰和工业产生的矿渣广泛的应用到混凝土的制备中，虽然粉煤灰和矿渣组成成分不同，但是都具备三大效应。粉煤灰颗粒形状为规则的球形，这类形状颗粒通常都具有较高的活性。I 类粉煤灰能够明显降低混凝土前期的绝热温升，新排放的矿渣颗粒尺寸较大，不能直接用于混凝土中，必须经过细磨，让颗粒表面呈光滑，矿渣在一定程度上也能减小水泥水化热，但是较于粉煤灰降热的效果不明显。因此可以采用粉煤灰等效替代水泥的方法，来延缓水泥水化反应的放热峰，进而降低混凝土早期的绝热温升值。

3 水泥水化热经验计算模型

水泥水化反应产生的水化热可用表示Q(τ)，当前的计算公式有三种：

3.1 基于龄期（τ）的计算模型

3.1.1 指数经验式

3.1.2 双曲线经验式

3.1.3 复合指数经验式

3.2 考虑温度和龄期影响

3.3 考虑水胶比，粉煤灰，混凝土温度影响

4 存在的问题及展望

影响混凝土绝热温升的不仅仅只有龄期，温度，水胶比等因素，还与混凝土的自身的性能，外界环境有关，目前采用的水泥水化热的经验计算模型只考虑了其中一个或者两个因素，存在一定的误差，导致不能准确的计算出混凝土的绝热温升值，从而影响建筑物的强度以及耐久性。目前计算水泥水化热的经验模型主要运用热力学相关知识，缺少化学动力学的相应知识，具有一定的局限性。

在后面的研究中，希望将热力学和化学动力学结合起来，从宏观和微观的两个方面考虑多种因素影响下的水泥水化热的计算模型，将经验和理论结合起来，对已有的模型进行改善，从而提高计算结果的准确性。