【摘要】 本文分析低熟料水泥的水化热特性，探讨粉煤灰和矿渣作为矿物掺合料在控制大体积混凝土温度与防止开裂中的应用。结合实验数据与温度对比，提供工程实践参考。

水泥水化热控制是混凝土科学中的关键课题，尤其在大型工程结构中，水化放热导致的温度上升可能引发显著的结构性问题。混凝土内部因水化反应产生的热量若不能及时散发，会导致内外温差过大，进而引起温度应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，易导致早期开裂，影响耐久性并可能引起钢筋锈蚀。此外，当混凝土内部温度超过65–70℃时，还可能引发延迟钙矾石生成（DEF），对结构造成长期损害。因此，深入研究低熟料水泥的水化热特性，对工程实践具有重要意义。

Barbara Klemczak等人系统研究了以磨细矿渣（GGBFS）和硅质粉煤灰部分替代普通硅酸盐水泥熟料所制成的低熟料水泥，在20℃与50℃条件下的水化热演化规律。研究中替代比例分别为10%、30%、50%和70%，所有试验样品水胶比固定为0.5，并采用等温量热法（TAMAir）与半绝热量热法进行72小时内的水化放热监测。

图1. Semi-adiabatic量热计。[1]

影响大体积混凝土温度发展的因素众多，包括混凝土早期热学性能、浇筑与养护环境、结构尺寸与几何形状等。其中，水化放热速率尤为关键。采用低水化热水泥，是控制温升、提高耐久性的有效手段。低熟料水泥通过掺入矿物掺合料（如GGBFS和粉煤灰）替代部分熟料，达到降低总放热的目的。这类材料既可在水泥生产时加入，形成混合水泥，也可在混凝土配制时以辅助胶凝材料（SCM）形式掺入。

图2. 在20℃下的等温试验结果:水泥-粉煤灰和水泥-矿渣复合粘结剂的热演化(a)和热演化率(b) [1]

主要研究结论包括：

  • 随矿物掺合料比例提高，复合胶凝材料总放热量降低；
  • 在72小时内，掺粉煤灰的水泥放热量低于同掺量矿渣水泥；
  • 矿物掺合料延缓水泥水化进程，推迟主要放热峰出现时间，粉煤灰的缓凝效果更显著；
  • 主放热峰高度随掺量增加而降低，第二局部峰也呈下降趋势，粉煤灰的降幅比例更为明显；
  • 50℃高温加速水化反应，对矿物掺合料的促进作用高于纯水泥，尤其在前12小时内，粉煤灰水泥放热增加更显著；
  • 高温下诱导期缩短，第二放热峰变得更窄且更高，但掺量与峰值增长无明确比例关系。

上述研究为低熟料水泥在大体积混凝土中的应用提供了理论依据，显示通过材料设计与温度控制，可有效管理水化热引起的温升问题。

 

参考文献：[1] Klemczak, B., Batog, M. Heat of hydration of low-clinker cements. J Therm Anal Calorim 123, 1351–1360 (2016).

 

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