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强度增长与温度有什么关系?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-09-24

一、养护温度的影响

水泥水化反应的速率受温度影响显著,当温度升高时,水化速率加快。图1表示不同养护期温度混凝土各龄期的强度发展与23℃时发展的相对值。它表明:

(1)早期(1d龄期)的强度发展随养护温度升高而提高。

(2)养护温度低的混凝土后期强度相对较高。与水泥的水化相联系:温度高C—S—H凝胶生成快但密实性差,层间结合力较薄弱。最佳温度,即养护温度为13℃的1a龄期强度最高。

(3)混凝土在负温下仍然能水化,到-10℃才中止,但前提是大部分水已经参与水化后才暴露到这样的低温下,否则体内自由水结冰膨胀,会破坏尚薄弱的混凝土。水化程度至少相当于产生3.5MPa强度,才足以抵挡膨胀性的破坏作用。

二、水化热的影响

水泥的水化是放热反应,进行的速率和程度与温度密切相关。水化反应的环境存在两种极端的条件——等温条件(即放出的热量迅速散失,保持温度一定)和绝热条件(隔热良好,保持热量完全不散失)。在绝热条件下,水化放热的结果使水泥浆、砂浆或混凝土的温度升高;反过来加速水化,导致放热速率进一步加快,从而温度显著地升高。图2表明:由于集料不仅不放热而且能抑制放热,所以混凝土要显著低于硬化水泥浆体的温升。每立方米混凝土中,平均100kg水泥的水化使温度升高13℃。

混凝土浇筑后,放出的热量要直接或通过模板间接散发,因此既不是绝热条件,也不是等温条件,而是在二者之间。因此混凝土在浇筑后早期升温,随后逐渐冷却到与环境温度相同。不同厚度混凝土芯部的温度随时间的变化如图3所示,它表明:厚度在1.5~2m以上的混凝土浇灌后,其芯部在浇筑后开始几天里近似绝热状态,这对性能产生重要影响:

(1)到达温峰后下降时产生温度收缩,收缩受约束产生的拉应力可能导致开裂。约束来自周围,例如配筋(钢筋混凝土)、基础下面的土壤或结构表层的混凝土(它向外散失大部分热量,不会达到同样的温峰),约束大小因具体条件而异。

混凝土发生温降30℃时约产生温度收缩300×10-6,若其弹性模量为30GPa,且不计徐变产生的应力松弛,则形成达9MPa的拉应力,超过其抗拉能力而导致开裂。现今强度等级高的混凝土水泥用量都在500kg/m上下,绝热条件下的温升可达约65℃。因此,有必要在浇筑尺寸大的混凝土构件时,限制内外最大温差与延缓温降,增加模板厚度或覆盖保温的方法有时是有益的,更重要的是采用低放热量的混凝土拌合物,例如使用低热水泥,多掺粉煤灰或磨细矿渣则是更有效而且经济的办法。

在高温季节浇筑混凝土时,由于各种原材料的初始温度较高,而且高温度的拌合物在运输过程因为水泥水化和太阳辐射热的作用,会进一步激化上述温度收缩与开裂问题,因此需要采取通常浇筑大体积混凝土时采用的各种降温措施,例如对集料预冷、以碎冰代替部分混凝土搅拌用水、喷液氮,以及运输过程防止直晒、运输车涂刷白色等,达到尽量降低混凝土浇筑成型后的温度。

(2)在高环境温度条件下浇筑时,混凝土在随后的几天内就已经大部水化,这将影响其后期图强度发展。图4所示为英国巴姆佛斯(Bamforth)的试验结果。它表明:与浇筑在实际结构物里的纯硅酸盐水泥混凝土相比,掺30%粉煤灰或75%磨细矿渣的,不仅温升可以显著降低,温度收缩和开裂的危险减小,同时后期强度也较高;而纯水泥混凝土由于温升而导致其强度明显低于20℃标准养护的试件。由于现行规范中评价混凝土强度的试验方法所局限,使人们难以认识到这个反差,从而使许多工程在选择原材料与配合比时,不掺或只少量掺用粉煤灰、磨细矿渣矿物掺合料,而混凝土浇筑后拆模时,或者拆模后不久就出现可见裂缝,影响美观,也影响结构物的使用寿命。

三、温度匹配养护

Bamforth在上述试验中,还采用温度匹配养护(temperaturematchcuring)与标准养护进行比较。该方法是将试件置于与结构物混凝土温度变化过程相同的条件下养护,依据其强度试验结果来确定温度历程的影响、适宜的拆模时间等,近年来正日益受到广泛的重视,已在国内外许多工程施工中应用。但对于重要的大型工程,还需要通过混凝土正式浇筑前的试浇筑,来确定可能达到的温峰与温度梯度,以及它们对施工操作性能和设计要求的各种长期性能的影响。这是因为任何一种拌合物,在一定的养护条件下会呈现出其独有的温度发展历程。不同养护条件下混凝土强度发展如图5所示。

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