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摘 要：混凝土凝结和硬化过程中会因多种物质反应放出大量热，这与外界条件协同作用产生温度应力，极易破坏混凝土的整体结构性，本文综合分析了水化热对混凝土道面板质量和性能的影响，总结了业内专家历年在混凝土水化热研究方面提出的一些先进理论，并根据国内外最新研究进展和自己的施工经验介绍了混凝土生产施工中降低水化热的具体措施。
关键词：混凝土；箱梁；水化热；裂缝
水泥混凝土道面是世界范围机场的优选道面类型，具有较高的刚度、强度、耐磨、水稳定性和温度稳定性，既耐老化又无污染，特别是在暴雨及短浸水条件下，仍能够确保飞行安全。一次建成后养护成本低，平整度保持期长，尤其在大型客机、运输机等重载交通机场优势更加明显。近几年，机场基础设施进入爆发式增长期，激增的交通需求不断冲击着到面板强度的设计极限，特别是在起落段为满足其刚度需求道面板普遍加厚，从而导致混凝土用量增多、体积增大，而这也对混凝土设计施工不断带来新的挑战。业内众所周知，混凝土凝结和硬化过程中会因多种物质反应放出大量热，这与外界条件协同作用产生温度应力，极易破坏混凝土的整体结构性，此外，大多数情况下硬化水泥浆体和混凝土的早期体积变形也与水化热有极大关系，因此降低水泥混凝土的水化热是保证混凝土施工质量防止裂缝的有效途径。
1.预应力箱梁水化热作用机理
1.1分析水化過程离子作用原理。当水泥加水拌和后，形成能粘结砂石寂寥的可塑性浆体，随后逐渐失去塑性而凝结为具有一定强度的石状体。在此过程中，伴随着水化放热、体积变化，并发生一系列复杂的物理、化学变化。水泥颗粒分开来说就是多重矿物质的聚合体，工业熟料中矿物不是纯粹的硅酸三钙（C3S）、β型硅酸二钙（β—C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）等常见矿物质，而是Alite和Belite等有限固溶体，微量元素的固溶使得晶格排列的规律受到影响。对于硅酸三钙来说，结构中钙离子的配位数为6，但配位不规则，有五个氧离子在一侧而另一侧仅有一个氧离子，在氧离子少的一个形成“空洞”使水容易进入发生反应；对于β型硅酸二钙，钙离子的配位数有一半是6，一半是8，其中氧离子与钙离子的距离不等，配位不规则，结构不稳定，可以水化，但是速度相对较慢。铝酸三钙中铝的配位数为4和6，而钙离子的配位数为6和9，其中配位数为9的钙离子周围的氧离子排列极为不规则，结构有巨大“空洞”因此水化较快。此外铁铝酸四钙结构中同样存在“空洞”，也较易水化。
1.2总结水化过程离子反应规律。
试验选取普通硅酸盐水泥为研究对象，通过标记后离子水化反应跟踪监测，可以将整个水化反应过程可分为钙矾石形成阶段、硅酸三钙水化阶段和结构形成发展期，其中铝酸三钙、硅酸三钙前期同步发展，但铝酸三钙形成产对于硅酸三钙有明显抑制作用，整个进程与现有文献提出的快速水化期、潜伏期、加速器、减速期和衰退期的理论一致。
钙矾石的形成阶段：C3A首先水化并在有石膏存在的条件下迅速形成钙矾石，出现集中放热，即所谓的快速水化期，但该时期同时伴随着硅酸三钙的部分水化，此后由于钙矾石的形成时的后续反应速度减缓，从而减缓了整个反应进程，因此产生潜伏期。
硅酸三钙水化阶段：在水泥熟料中硅酸三钙的含量大约占到50%，有时高达60%，其反应方程可简写为C3S+Nh=C-S-H+（3-x）CH，其水化产物为C-S-H凝胶和氢氧化钙，有时也称之为水化硅酸钙，该物质组成不定，其CaO、SiO2和H2O、SiO2分子比都在较大范围内变动，最终凝胶组成与所处的环境的Ca（OH）2有关。具体反应了又可以分为水化早期、水化中期、水化后期，水化早期开始于加水拌合时，反应迅速放热，持续时间在15min左右，而此后到初凝时间内水化速率受到抑制极其缓慢。水化中期反应速率重新加快，在4-8h内反应速率也随着时间而增长，出现第二个放热高峰，随后反应速率开始减慢，水化产物CH和C-S-H开始结晶，包裹在C3S表面，所以水化作用受水通过产物层的扩散速率控制。水花后期，反应速率很低，基本处于稳定阶段，水化作用完全通过扩散速率控制。整个反应期内，C3S水化较快，放热较多，早期强度高，而且后期强度增进率较大，28天强度可以达到一年期强度的70%-80%。
结构的形成与发展：此阶段的放热速率基本趋于稳定，随着各种水化产物增多，填入原先又水占据的空间，逐步连接，发展成硬化的浆体结构。此后一段过程内混凝土内部温度呈下降趋势，对应产生的是约束力。
2.0混凝土水化放热过程病害。
根据水化热作用机理和反应阶段产生的温度应力，以及在外界环境的协同作用产生的约束力等可以讲主要病害分为以下三类
2.1温差裂缝。在混凝土浇筑初期，混凝土内部浇筑温度和水泥的水化热叠加，热量散发少，温度上升较快，体积膨胀，但混凝土表面散热条件好，温度上升较少，导致形成内外温度差，形成内约束力，致使混凝土内部产生压应力，在表面引起拉应力。除此之外，在拆模前后，混凝土表面温度迅速下降，也容易导致裂缝产生；紧急温控措施不当，使得内部温度骤降也会导致内部温度差，而导致内部裂缝产生。
2.2约束裂缝。由于受到基础或不同期浇筑混凝土的约束，导致约束应力，如果温度应力足够大，可以形成贯穿结构的整体裂缝。混凝土在早期温度上升时的弹性模量较小，徐变和应力松弛大，混凝土与基础连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的约束应力，若超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。
2.3自身收缩。主要发生在混凝土拌合后的初期，模板拆除之前，时间段内混凝土的自身收缩大部分甚至全部完成，自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起的。但并不是由于水分蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分产生所谓的自干燥作用，导致混凝土体的相对湿度降低及体积减小而最终自身收缩。
3.0大体积混凝土病害防治措施 3.1原材料选用及配合比优化
3.1.1水泥的选择，采用水化热较低和凝结时间较长的水泥，在材料比选时，应对不同种类和品牌的水泥取样进行水化热试验，经过分析比较，优先选用同量同等条件下水化热较低的水泥。由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数。
3.1.2粗骨料的选择。大体积混凝土宜优先选用以自然连续级配的粗骨料配制。这样混凝土会具有良好的和易性、较少的用水量、节约水泥用量、较高的抗压强度等优点。试验证明，采用5cm-40cm石子比采用5cm～20cm石子每立方米混凝土可减少用水量15kg左右，在相同水灰比的情况下，水泥用量可节约20kg左右，混凝土温升可降低2℃。
3.1.3细骨料的选择。大体积混凝土宜选用优质的中、粗砂做细骨料，细度模数宜在2.6～2.9范围内。试验证明当选用细度模数为2.79，平均粒径为0.381mm的中粗砂时，比选用细度模数为2.2，平均粒径为0.336mm的细砂，每立方米混凝土可减少水泥用量28kg～35kg，减少用水量2Okg～25kg。这样既降低了混凝土的温升也减小了混凝土的收缩。
3.1.5混合料和添加剂的选择
粉煤灰的选择。为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，掺入粉煤灰主要有以下作用：取代部分水泥，从而减少水泥用量，降低混凝土的热胀；参加二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散更加均匀；改善了混凝土內部的孔结构，使混凝土中总的孔隙率降低，孔结构进一步的细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相应收缩值也减少。
减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。一方面使混凝土缓凝，以推迟水化热峰值的出现，使混凝土表面温度梯度减少；另一方面可以降低水灰比，避免水灰比过大产生塑性收缩。
缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。
引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能十分有利。在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。
3.2施工技术措施
3.2.1降低混凝土入模温度。包括：浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温，尽量避开炎热天气浇筑。可采用温度较低的地下水搅拌混凝土，或在混凝土拌和水中加入冰块，同时对骨料进行遮阳保护、洒水降温等措施，以降低混凝土拌和物的入模温度。
3.2.2做好表面隔热保护水泥因水化引起水化热，内外温差过大，如果此时受到冷空气的袭击，或者过分通风散热，使表面温度降温过大就很容易导致裂缝的产生，所以在混凝土拆模后，特别是低温季节，在拆模后立即采取表面保护。防止表面降温过大，引起裂缝。
3.2.3改善约束条件，削减温度应力。在大体积混凝土基础与垫层之间可设置滑动层，如技术条件许可，施工时宜采用刷热沥青作为滑动层，以消除嵌固作用，释放约束应力。
3.2.4后期养护在表面施工完毕后，应加强对混凝土的保养，及时用塑料薄膜覆盖混凝土表面，来封闭混凝土中多余拌和水，防止水分蒸发，以实现混凝土自身养护。
参考文献：
[1]陈本沛，混凝土结构理论应用的现状与发展[M]，大连理工大学出版社，大连.2005.
[2]张松.原材料的特性及对混凝土质量的影响[J].建筑.2011.
[3]刘兴法 混凝土结构的温度应力分析，人民交通出版社[M]，北京.1991.
[4]中爱琴，水泥与水泥混凝土，人民交通出版社[M]，北京.2000.
关键词：混凝土；箱梁；水化热；裂缝
水泥混凝土道面是世界范围机场的优选道面类型，具有较高的刚度、强度、耐磨、水稳定性和温度稳定性，既耐老化又无污染，特别是在暴雨及短浸水条件下，仍能够确保飞行安全。一次建成后养护成本低，平整度保持期长，尤其在大型客机、运输机等重载交通机场优势更加明显。近几年，机场基础设施进入爆发式增长期，激增的交通需求不断冲击着到面板强度的设计极限，特别是在起落段为满足其刚度需求道面板普遍加厚，从而导致混凝土用量增多、体积增大，而这也对混凝土设计施工不断带来新的挑战。业内众所周知，混凝土凝结和硬化过程中会因多种物质反应放出大量热，这与外界条件协同作用产生温度应力，极易破坏混凝土的整体结构性，此外，大多数情况下硬化水泥浆体和混凝土的早期体积变形也与水化热有极大关系，因此降低水泥混凝土的水化热是保证混凝土施工质量防止裂缝的有效途径。
1.预应力箱梁水化热作用机理
1.1分析水化過程离子作用原理。当水泥加水拌和后，形成能粘结砂石寂寥的可塑性浆体，随后逐渐失去塑性而凝结为具有一定强度的石状体。在此过程中，伴随着水化放热、体积变化，并发生一系列复杂的物理、化学变化。水泥颗粒分开来说就是多重矿物质的聚合体，工业熟料中矿物不是纯粹的硅酸三钙（C3S）、β型硅酸二钙（β—C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）等常见矿物质，而是Alite和Belite等有限固溶体，微量元素的固溶使得晶格排列的规律受到影响。对于硅酸三钙来说，结构中钙离子的配位数为6，但配位不规则，有五个氧离子在一侧而另一侧仅有一个氧离子，在氧离子少的一个形成“空洞”使水容易进入发生反应；对于β型硅酸二钙，钙离子的配位数有一半是6，一半是8，其中氧离子与钙离子的距离不等，配位不规则，结构不稳定，可以水化，但是速度相对较慢。铝酸三钙中铝的配位数为4和6，而钙离子的配位数为6和9，其中配位数为9的钙离子周围的氧离子排列极为不规则，结构有巨大“空洞”因此水化较快。此外铁铝酸四钙结构中同样存在“空洞”，也较易水化。
1.2总结水化过程离子反应规律。
试验选取普通硅酸盐水泥为研究对象，通过标记后离子水化反应跟踪监测，可以将整个水化反应过程可分为钙矾石形成阶段、硅酸三钙水化阶段和结构形成发展期，其中铝酸三钙、硅酸三钙前期同步发展，但铝酸三钙形成产对于硅酸三钙有明显抑制作用，整个进程与现有文献提出的快速水化期、潜伏期、加速器、减速期和衰退期的理论一致。
钙矾石的形成阶段：C3A首先水化并在有石膏存在的条件下迅速形成钙矾石，出现集中放热，即所谓的快速水化期，但该时期同时伴随着硅酸三钙的部分水化，此后由于钙矾石的形成时的后续反应速度减缓，从而减缓了整个反应进程，因此产生潜伏期。
硅酸三钙水化阶段：在水泥熟料中硅酸三钙的含量大约占到50%，有时高达60%，其反应方程可简写为C3S+Nh=C-S-H+（3-x）CH，其水化产物为C-S-H凝胶和氢氧化钙，有时也称之为水化硅酸钙，该物质组成不定，其CaO、SiO2和H2O、SiO2分子比都在较大范围内变动，最终凝胶组成与所处的环境的Ca（OH）2有关。具体反应了又可以分为水化早期、水化中期、水化后期，水化早期开始于加水拌合时，反应迅速放热，持续时间在15min左右，而此后到初凝时间内水化速率受到抑制极其缓慢。水化中期反应速率重新加快，在4-8h内反应速率也随着时间而增长，出现第二个放热高峰，随后反应速率开始减慢，水化产物CH和C-S-H开始结晶，包裹在C3S表面，所以水化作用受水通过产物层的扩散速率控制。水花后期，反应速率很低，基本处于稳定阶段，水化作用完全通过扩散速率控制。整个反应期内，C3S水化较快，放热较多，早期强度高，而且后期强度增进率较大，28天强度可以达到一年期强度的70%-80%。
结构的形成与发展：此阶段的放热速率基本趋于稳定，随着各种水化产物增多，填入原先又水占据的空间，逐步连接，发展成硬化的浆体结构。此后一段过程内混凝土内部温度呈下降趋势，对应产生的是约束力。
2.0混凝土水化放热过程病害。
根据水化热作用机理和反应阶段产生的温度应力，以及在外界环境的协同作用产生的约束力等可以讲主要病害分为以下三类
2.1温差裂缝。在混凝土浇筑初期，混凝土内部浇筑温度和水泥的水化热叠加，热量散发少，温度上升较快，体积膨胀，但混凝土表面散热条件好，温度上升较少，导致形成内外温度差，形成内约束力，致使混凝土内部产生压应力，在表面引起拉应力。除此之外，在拆模前后，混凝土表面温度迅速下降，也容易导致裂缝产生；紧急温控措施不当，使得内部温度骤降也会导致内部温度差，而导致内部裂缝产生。
2.2约束裂缝。由于受到基础或不同期浇筑混凝土的约束，导致约束应力，如果温度应力足够大，可以形成贯穿结构的整体裂缝。混凝土在早期温度上升时的弹性模量较小，徐变和应力松弛大，混凝土与基础连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的约束应力，若超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。
2.3自身收缩。主要发生在混凝土拌合后的初期，模板拆除之前，时间段内混凝土的自身收缩大部分甚至全部完成，自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起的。但并不是由于水分蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分产生所谓的自干燥作用，导致混凝土体的相对湿度降低及体积减小而最终自身收缩。
3.0大体积混凝土病害防治措施 3.1原材料选用及配合比优化
3.1.1水泥的选择，采用水化热较低和凝结时间较长的水泥，在材料比选时，应对不同种类和品牌的水泥取样进行水化热试验，经过分析比较，优先选用同量同等条件下水化热较低的水泥。由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数。
3.1.2粗骨料的选择。大体积混凝土宜优先选用以自然连续级配的粗骨料配制。这样混凝土会具有良好的和易性、较少的用水量、节约水泥用量、较高的抗压强度等优点。试验证明，采用5cm-40cm石子比采用5cm～20cm石子每立方米混凝土可减少用水量15kg左右，在相同水灰比的情况下，水泥用量可节约20kg左右，混凝土温升可降低2℃。
3.1.3细骨料的选择。大体积混凝土宜选用优质的中、粗砂做细骨料，细度模数宜在2.6～2.9范围内。试验证明当选用细度模数为2.79，平均粒径为0.381mm的中粗砂时，比选用细度模数为2.2，平均粒径为0.336mm的细砂，每立方米混凝土可减少水泥用量28kg～35kg，减少用水量2Okg～25kg。这样既降低了混凝土的温升也减小了混凝土的收缩。
3.1.5混合料和添加剂的选择
粉煤灰的选择。为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，掺入粉煤灰主要有以下作用：取代部分水泥，从而减少水泥用量，降低混凝土的热胀；参加二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散更加均匀；改善了混凝土內部的孔结构，使混凝土中总的孔隙率降低，孔结构进一步的细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相应收缩值也减少。
减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。一方面使混凝土缓凝，以推迟水化热峰值的出现，使混凝土表面温度梯度减少；另一方面可以降低水灰比，避免水灰比过大产生塑性收缩。
缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。
引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能十分有利。在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。
3.2施工技术措施
3.2.1降低混凝土入模温度。包括：浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温，尽量避开炎热天气浇筑。可采用温度较低的地下水搅拌混凝土，或在混凝土拌和水中加入冰块，同时对骨料进行遮阳保护、洒水降温等措施，以降低混凝土拌和物的入模温度。
3.2.2做好表面隔热保护水泥因水化引起水化热，内外温差过大，如果此时受到冷空气的袭击，或者过分通风散热，使表面温度降温过大就很容易导致裂缝的产生，所以在混凝土拆模后，特别是低温季节，在拆模后立即采取表面保护。防止表面降温过大，引起裂缝。
3.2.3改善约束条件，削减温度应力。在大体积混凝土基础与垫层之间可设置滑动层，如技术条件许可，施工时宜采用刷热沥青作为滑动层，以消除嵌固作用，释放约束应力。
3.2.4后期养护在表面施工完毕后，应加强对混凝土的保养，及时用塑料薄膜覆盖混凝土表面，来封闭混凝土中多余拌和水，防止水分蒸发，以实现混凝土自身养护。
参考文献：
[1]陈本沛，混凝土结构理论应用的现状与发展[M]，大连理工大学出版社，大连.2005.
[2]张松.原材料的特性及对混凝土质量的影响[J].建筑.2011.
[3]刘兴法 混凝土结构的温度应力分析，人民交通出版社[M]，北京.1991.
[4]中爱琴，水泥与水泥混凝土，人民交通出版社[M]，北京.2000.