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工程建设混凝土水化热控制研究

作者 :唐维彬更新时间:2012-11-1

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【摘 要】被浇筑之后的混凝土,混凝土
在水化过程中产生了较高的水化热能量,这些
能量使混凝土整体的温度升高,但混凝土外表
面散热较快,内部热量散失慢,所以就造成混
凝土表面的温度低而内部温度高,于是在混凝
土的内部产了生压应力,而这些应力极大的对
影响力工程质量,本文致力于生产需要,主要
是对混凝土水化热的影响。
【关键词】混凝土,水化热,拉应力,
温度应力,热膨胀系数,集料
1 引言
表征物体的冷热程度的物理量是温度。被
浇筑之后的混凝土,混凝土在水化过程中产生
了较高的水化热能量,这些能量使混凝土整体
的温度升高,但混凝土外表面散热较快,内部
热量散失慢,所以就造成混凝土表面的温度低
而内部温度高,于是在混凝土的内部产了生压
应力,而在表面又产生拉应力,这些因为物体
各部分温度的不同而在作用在物体上的内力就
是温度应力。在实际的的工程作业中,温度应
力的作用会使混凝土产生裂纹影响工程质量,
故因尽量避免这种作用力的产生。
2 混凝土水化热特性
混凝土的水化热特性与水泥的生产过程有
关,由于水泥主要是石灰石进过高温锻造,吸
收了大量的热所以本身就有较大的能量。而水
泥的的水化过程就是锻造水泥的逆反应过程,
正反应吸收的热量在逆反应过程又放出了。锻
造水泥的温度很高所以这个反应也放出了较高
的能量,一般为270~350kJ/kg。现代生产过程
中水泥的成分复杂,生产部门也会根据市场需
要生产的水泥种类也是不同的,所以不同种类
的水泥水化反应所放出的的能量也是不同的。
绝热条件较好实验条件下混泥土能够升高40~
50℃。热胀冷缩,水化反应放出的的热量使得
混凝土膨胀。由于湿量影响水泥石膨胀系数,
范围在10~20-6/℃。用水泥石和骨料所组成的
混凝土,骨料的热膨胀系数比水泥石低,试验
范围在5~13E10-6/℃,所以食料和水泥石的
比例就影响混凝土的热膨胀系数。已经有实验
证明混凝土在空气中的养护时的膨胀系数比混
凝土在水中养护时高。
3 影响混凝土水化热温度应力的因素
3.1 温度应力的产生
混凝土必然受到热胀冷缩的影响。热膨胀
系数就是衡量物体热胀冷缩的能力,一般用单
位温度所引起体积变化率表示,数学表达式:
α=ΔV / (V *Δ T) (式3-1) 式中:
α 为物体热膨胀系数;
ΔT为物体温度的微分
V为物体的体积;温度升高ΔT变化体积ΔV变化。
一般当温度变化较小时热膨胀系数可近似
按常量处理,而一旦在较大的温度变化范围内
则不是常量。不同混凝的的配合设计一般不
同,混凝土中净浆硬化体、细骨料和粗骨料的
组成比例也有差异,并且内部空隙不同和尚未
参加水化反应的残留结合水,这些因素往往造
成了混凝土的膨胀系数不同。水泥石和集料的
膨胀系数不同一般在10~20 E -6/℃之间。因
为水泥石的热膨胀系数较高,所以混凝土的热
膨胀系数随着水泥石的增多而升高。补充:集
料的膨胀系数:5~13E-6/℃
混凝土变形不受约束自由膨胀 (收缩) 时,
混凝土内部和表面是不会产生温度应力的。但
当混凝土构建所受的温度影响不均,混凝土的
膨胀 (收缩) 受到不同的阻碍就会产生温度应
力。如图3-1所示长为L的AB杆,AB端固定约
束,若杆的温度升高了△T,如果A端自由,杆
就伸长了△L。如虚线所示。但此时A端固定,
杆就相当于压缩了△L。公式的应变为:εt=Δ
L/( L+Δ L),应力此时为应为σ t =Eεt (AB
杆的弹性模量为E)。降降温亦成立。杆收到的
是拉力,方向相反。
在施工初期,混凝土水化热产生温度应
力。前面已经讲道,混凝土温度升高是水泥在
水化反应所产生的,温度的升高程度和水化反
应的剧烈程度有关。因为是热的不良导体,缓
慢的散热,所以水化反应所产生的热在混凝土
的内部难以散发,因为水化反应放出的较多的
热,所以混凝土内部温度较高,由于热胀冷
缩,这又使得混凝土体积变大,外部热量散发
快,体积就膨胀的少。这是这些因素使得混凝
土内部和外部分别受到压应力和拉引力。 温度
裂纹的产生就是因为拉应力大于混凝土的抗拉
强度。
3.2 影响温度应力的因素
根据式(3-1)可以得出出热膨胀系数α越
大,混凝土单位温升的自由膨胀或收缩的体积
的ΔV就越大,而温度应力σt与变型受到的的
约束成正比。当温差保持稳定时,温度应力σt
的大小就和热膨胀系数α有关。 此外由式(3-
1)还可以分析得出,在混凝土热的膨胀系数相同
时(即同种材料)温差ΔT越大,体积变化ΔV也
就越大,因此所受到的的温度应力σt也就越
大。故在同一构件中,温度应力σt的大小由温
差ΔT的大小决定。但相对于体积较大的混凝
土,外边界的散热情况和混凝土水化放热量则
是主要影响温差ΔT的因素。
4 处理混凝土水化热温度的方法
混凝土水化热温度应力控制的参考是混凝
土最大的绝热温升,而最大绝热温升越高则表
明着混凝土的内部温度越高,外部混凝土的温
度则因为与环境接触,所以温度降低的较快,
这样内外温差就会很大,这样就对混凝土的温
度裂缝控制不利。降低混凝土的最大绝热温升
是减弱混凝土内外温差的很重要的方法。
前几章谈到混凝土温度主要是由两部分叠加
而组成,一是混凝土本身因为水化热产生的热,二
是混凝土所处环境的初始温度,即:τ=τ0
+T。
τ0
和T 降低都可以使混凝土内部温度降。
1、对混凝土集料降温降低可以使混凝土初
始温度τ0
降低,降低混凝土入模的初始温度的
具体操作如下:
1)使用水冷骨料、风冷骨料、加冰水拌等
一些方法相结合措施,可以使得混凝土的混凝
土浇筑和出机口温度降低很多。这就是预冷混
凝土的方法来降低混凝土浇筑温度。
2)加快浇筑和混凝土运输速度,但在运输
过程中尽量保温,而在浇筑仓喷雾降温,这样
尽可以避免混凝土温度的回升。
3)选择如夜间和清晨等气温相对较低的时
间段进行混凝土的浇筑。环境温度较低,就可
以使混凝土在浇筑的过程当中温度不至于很快
回升。
2、单位质量的水泥最大水化的放热量 Q0
与混凝土水化热温升 ,混凝土比热c,单位体积
的水泥用量W,混凝土密度ρ 有关。混凝土强
度满足要求的前提下,降低单位质量水泥水化
的放热量 Q0
,适量的调整配合比,减少单位体
积水泥用量W,骨料使得混凝土密度ρ和比热c
乘积尽量较大,根据以上想法调整混凝土配合
比例,尽量的使用低热水泥,同时减少单位体
积水泥的用量和掺和料外加剂,这样就可以使
得水泥水化热产生的总热量降低,混凝土内部
的最高温度也就随之降低了。
5 结论
本文采用了控制水泥水化热,改变水泥石
和集料比例的技术,介绍了混凝土水化热特
性,影响混凝土水化热温度应力的因素内容,
设计出了处理混凝土水化热温度的方法,实践
证明本文的结论。
参考文献
[1]陈肇元,崔京浩.钢筋混凝土裂缝机理与
控制[J].工程力学.2006.23.86~107.
[2]姚武,郑欣.混凝土配合比对收缩影响的
正教 实验研究[J].建筑材料学报.2006.1.92~
98.
[3]陈仲先,汤雷.大型桥梁中大体积混凝土
的温度控制[J].桥梁建设,2001.1.
[4]史凤香.大体积混凝土裂缝控制研究[D].
武汉:武汉理工大学,2003.5.
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