简析水化热的危害及其控制方法

【摘要】本文主要对水化热进行简要的介绍，并对水化热的危害及其控制的办法进行了探讨

【关键词】水化热 危害 裂缝 控制方法

一 引言

在水工建筑物的施工过程中，会有各种无法控制的因素造成裂缝的产生，其中水化热无疑是这些不确定因素中十分重要的一项。因此，对水化热各方面的了解对于学习水工的人来说是非常重要的。

二 水化热的定义

什么是水化热，水化热是指物质与水化合时所放出的热。此热效应往往不单纯由水化作用发生，所以有时也用其他名称。例如氧化钙水化的热效应一般称为消解热。水泥的水化热称为硬化热比较确切，因其中包括水化、水解和结晶等一系列作用。

三 水化热危害的作用原理[1]

大体积混凝土水工建筑结构，如大坝、船闸、泄洪建筑物、电站厂房等，体积大、结构形式复杂。混凝土浇筑后由于水泥在水化凝结过程中，要散发大量的水化热，因而使混凝土体积膨胀，待达到最高温度以后随着热量向外部介质散发，温度将由最高温度降至一个稳定温度或准稳定温度场，将产生一个温差。如果浇注温度大于稳定温度（或准稳定温度），这时温差就更大，这时，混凝土因为降温，将发生体积收缩，混凝土的水化过程，一般在浇筑后的3～5d左右，这是由于体积膨胀，在基岩部位受基岩约束，将出现较小的压应力（这是因为浇筑初期混凝土的变形模量小还处于塑性阶段的原故），等到混凝土由最高温度开始下降以后，由于混凝土是热的不良导体，需要经过很长时间，几年、甚至几十年，才能达到稳定温度。在基岩部位，混凝土的收缩，受基岩约束，将发生很大的抗应力（这是因为混凝土的变形模量随龄期的增加而迅速增大的原故），如果超过混凝土的极限抗拉强度，将就将出现基础贯穿裂缝。在脱离基岩约束部位，如果混凝土的最高温度与外部介质的温差过大，内部热的混凝土约束外部冷混凝土的收缩，亦即内部温度场呈非线性分布，也可能出现深层裂缝或表面裂缝。最可能和最危险的情况，是早期的表面裂缝形成了坝体表层的弱点，再继续降温的过程中，最容易出现具有破坏性的裂缝。

四 水化热产生的裂缝的危害性[1]

平行于坝轴方向的基础贯穿裂缝或深层裂缝，一旦形成以后，他的危害性是非常严重的。这些裂缝破坏了结构的整体性，改变了设计安排的应力分布图形，改变了混凝土建筑的受力条件，从而有使局部甚至整体结构发生破坏的可能，即使一般的表面裂缝对混凝土的耐久性也是有损害的，温度应力和结构应力迭加，对整个结构的应力状态，在运行阶段具有不容忽视的影响，所以温控设计和结构设计具有同等重要的意义。

这里还要特别提出的是，发生在大头坝，宽缝重力坝乃至实体重力坝上游面的垂直深层裂缝，严重的可以贯穿到基岩，不但影响结构的稳定，还可能成为渗漏的通道，对结构有很大的危害，需要处理。

较早报导有这类裂缝的是日本大森川大头坝（1958～1959年），1958年8月在四个坝段上游面发生了垂直裂缝，后在裂缝层顶面及上一浇筑层上游面均铺设水平钢筋，防止裂缝扩展。

我国的垣仁大头坝，侵莴重力坝也发生过这类裂缝。最严重的是柘溪重力坝（1958～1962年），该坝的﹟1、﹟2墩裂缝都较严重。在大坝投入运行七年后（1969年），检测结果﹟1支墩已裂到基础，裂缝切入坝体范围达2000㎡，相当于横断面的45%。

五 水化热的控制

⑴选用水化热低、水化速度慢的水泥

混凝土的温度升高主要由于水泥水化过程中释放大量的热所致，在绝热的条件下混凝土的温度上升速度为[2]

△T/△t﹦Q/cρ﹦Wq/cρ ①

式中，T为绝热温升；t为时间；W为水泥用量；q为单位质量的水泥在单位时间内放出的水化热；c为质量热容；ρ为密度；Q为单位时间内单位体积中发出的热量。

由式①可见，混凝土温度的升高不仅与水泥用量有关，还与水泥品种有关，所以，在水泥用量相同的条件下，选择水化热低，凝结时间长的水泥，能有效地降低水化热。[3]

普通硅酸盐水泥水化热较大，不宜采用；矿渣硅酸盐水泥与火山灰水泥水化反应慢，水化热低，后期强度高，适宜在大体积混凝土工程中采用。[4]

（2）采用适宜的配合比

经过混凝土供应商的多次试配，配合比（kg/m2 ）为：水泥∶砂∶

石∶水∶JL118∶粉煤灰=339∶607∶1076∶181∶10.5∶159。[5]

（3）降低混凝土内外温差[6]

内外温度不均，内高外低是混凝土早期产生温度裂缝的直接原因。而散热缓慢是混凝土的先天缺陷之一。因此降低混凝土内外温差就有两个途径：1、帮助混凝土内部降温；2、为混凝土表面保温，防止表面温度下降太快。

①内部降温。目前通常采用的内部降温方法是通过冷水冷却，即利用冷却管中冷水与混凝土内部的温差实现热对流，通过流动的冷水带走部分热量，从而实现混凝土内部降温的目的。水冷却通常分为一期冷却和二期冷却。一期冷却是指混凝土正在浇筑时就开始进行，以削减水化热温升，冷却时间一般为14天左右。二期冷却是待混凝土水化热散发完毕内部无热源的情况下进行的。

②分层分块浇筑。对大体积混凝土进行分层分块浇筑能降低混凝土的体积与表面积之比，从而使散热更加的充分。降低混凝土的厚度，加快混凝土自身的热量散发速度，也能对混凝土的整体降温起到积极作用。

③外部保温。如果内部降温有困难或内外温差较大时，也可以采用外表面保温的措施，使混凝土外表面温度降低缓慢，降低内外温差。当混凝土表面温度已降低而造成内外温差较大，而内部温度很难迅速降低是，应该利用加热设备对混凝土表面加温，比如利用加热毯等。特别是我国北方冬季施工中对混凝土表面进行加热尤为重要。

（4）快速提高混凝土早期强度[6]

利用合理的养护措施可以使得混凝土水化反应加剧，提高混凝土早期硬化速度，加快早期强度的提高，能够增加混凝土的抗拉强度，从而减少温度变化造成的体积变化从而产生的力，减少裂缝的产生。目前混凝土的养护方法可分为物理养护和化学养护两个大类。物理养护包括：①自然养护；②蒸汽养护；③干热养护。化学养护主要是利用养护剂对混凝土进行养护。

六 对水化热研究未来的发展方向

关于水化热，我们还有很多要继续研究学习的地方。首先，是对减少水化热水泥品种的研制，除现有的硅酸盐大坝水泥、矿渣大坝水泥以外，如低膨胀水泥、新型粉煤灰水泥，掺膨胀剂水泥等新型水泥，有的已经研制成功，有的正在逐步改进，都是值得重视的。在满足设计荷载和早期防裂强度要求的条件下，减少水泥用量和用水量，采取长块浇筑、通仓浇筑等以加快施工进度的方法，也是今后需要进一步研究的工作。

目前，正在国内外兴起的碾压混凝土筑坝技术，具有低成本，发热量小，便于通仓浇筑和加快施工进度等优点，国内外都有不少工程采用这项新材料新技术筑坝，也是值得注意的发展趋势。

参考文献

[1] 龚召熊 《水工混凝土的温控与防裂》 中国水利水电出版社 ， 1999

[2]吴叶莹 《大体积混凝土施工期温度裂缝计算分析 》 2007（9）

[3]王金生 《控制大体积混凝土水化热危害的原材料选择即工艺措施》 铁道建筑 2010（7）

[4]杨秋玲 《 大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析》 哈尔滨工业大学学报（自然科学版），2004

[5]袁慰 《控制大体积混凝土水化热温度裂缝的措施探讨》 自然科学学科研究 2011