混凝土水化热的五个阶段

混凝土的水化放热过程是一个非常复杂和广泛研究的课题。为了简化这个过程，随着时间的推移，水化过程可以分为五个不同的阶段。热剖面可以根据水泥的类型而改变。水泥水化如下图所示。

硅酸盐水泥的组成

硫酸钙仅占水泥质量5%-10%。其他四个阶段是水泥的主要化合物，其各自的质量分数随水泥类型而变化。

水与水泥接触后不久，温度急剧上升，这个过程会很快发生（在几分钟之内）。在此期间，混凝土的主要反应相为铝酸盐（C3A和C4AF）。铝酸盐和铁酸盐与钙离子和硫酸根离子反应生成钙矾石，钙矾石沉淀并包裹在水泥颗粒的表面上。在此阶段中，与总体积相比，硅酸盐（主要为C3S）在较小程度上也会反应，并形成非常薄的水化硅酸钙（CSH）层。

此阶段也称为诱导阶段。在此期间，水合速率明显减慢。据信这是由于上述化合物在水泥颗粒表面上的沉淀，这阻碍这些颗粒与水之间的扩散。然而，关于该阶段发生背后的物理和化学性质以及预测该阶段的方法，存在着大量争论。

在此期间，将新鲜混凝土运输并放置。此时，混凝土尚未硬化，仍然可以使用（塑料和流体）。休眠期的长度已显示出取决于多种因素（水泥类型，外加剂，w/cm等）的变化。潜伏期的结束通常以初始开始为特征。

在此阶段，混凝土开始硬化并增长强度。在此阶段产生的热量可以持续数小时，并且主要是由硅酸钙（主要是C3S和程度较小的C2S）的反应引起的。硅酸钙的反应生成“第二阶段”水化硅酸钙（CSH），这是为水泥浆提供强度的主要反应产物。根据水泥的类型，还可以从C3A的新活性中观察到第三个较低的热峰。

此时，混凝土的温度随环境温度稳定。水合过程将大大减慢速度，但不会完全停止。只要有足够的水和游离的硅酸盐来水合，水合可以持续数月，数年甚至数十年。但是，在此期间，强度增加将很小。

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在阶段II中，可以在浇筑混凝土时测量其温度。通常会测量温度，以确保混凝土符合定义允许温度范围的某些规范。典型规格要求在浇筑期间混凝土的温度必须在10°C至32°C（50°F至90°F）的范围内。但是，根据元件尺寸和环境条件（ACI301，207）提供了不同的规定限值。混凝土在浇筑过程中表现出的温度会影响下一水化阶段混凝土的温度。

在阶段III和IV中监视混凝土温度是定期执行的质量控制组件。此测量背后的主要原因是要确保混凝土的温度不会过高或过低。这允许适当的强度发展和混凝土耐久性的改善。在此阶段监视混凝土固化温度的另一个原因是评估就地强度，其中水化速率是成熟度方法（ASTMC1074）背后的主要原理。

如果环境温度过低，则水泥的水合作用将大大减慢或完全停止，直到温度再次升高。换句话说，强度的发展将大大减少或停止增长。如果混凝土温度在达到一定强度（3.5MPa/500psi）之前冻结，则混凝土的整体强度会降低。混凝土由于冰的形成而没有足够的强度来抵抗水的膨胀，因此这也将导致开裂。

为了确保适当的强度发展并避免混凝土开裂，一般准则建议必须在特定的时间段内（5°C（40°F）48小时）将混凝土温度保持在一定温度之上。

通常，水合过程中混凝土温度限制在70°C（160°F）。如果水合过程中混凝土的温度过高，将导致混凝土早期强度发展高，但随后的阶段强度却降低，从而导致整个结构的耐久性降低。此外，已经观察到，这样的温度在初始阶段干扰钙矾石的形成，并随后促进其在后期阶段的形成。引起膨胀反应并随后破裂。

当前存在多种减轻水合温度不合适的不利影响的方法。可以采用两种方法或两者的组合来控制水化过程的休眠和强度增加阶段的温度。一种方法是控制周围元素或混合成分的温度。第二种方法是优化混合设计。

在寒冷的天气中，可以通过提供适当的固化条件来控制混凝土的温度，以保持绝缘性和强度，例如使用加热系统。使用冷却管大量浇注时，也可以控制较高的固化温度。

放置混凝土时的温度可以通过使用冷水进行混合，使用冰冷却骨料或在温度自然较低的夜晚浇筑来控制。

控制水泥水化过程中发热的有效方法是采用适合应用和环境条件的混合设计。这里有一些要考虑的事情：

·选择合适的水泥类型会改变生成的水化热。与I型水泥相比，III型产生更多的热量，而II型产生中等的热量，IV型产生的热量更少。

·调整水泥的细度。较细的水泥会产生更多的热量。

·使用补充胶凝材料（SCM）也是减少水化过程中产生的热量的有效手段。用例如炉渣或粉煤灰代替一部分水泥，可以减少早期的反应性材料量。同时，这减少了发热量并延迟了混凝土强度的提高；

·添加其他类型的混合物，例如缓凝剂和促进剂。但是，这些混合物通常不会影响发热。相反，它们将用于控制休眠期的长度。

值得注意的是，适当的养护对于确保混凝土具有足够的水分以适当地水化至关重要。总体而言，总承包商，工程师和预拌料供应商需要保持良好的沟通。这是为了确保结构稳定安全，从而使项目成功。定期测试混凝土温度，以避免在混合，浇筑和固化过程中出现极端情况，并制定计划以防温度下降或超过建议的极限值，这对于任何极端天气都是至关重要的。

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