水泥水化反应与混凝土自收缩的动力学模型.pdf

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第3卷第1期
铁道科学与工程学报
Vol 3 No. 1
2006年2月
JOURNAL OF RAILWAY SC? ENCE AND ENGINピ ERING
Feb,2006
水泥水化反应与混凝土自收缩的动力学模型
阎培渝,郑峰
清华大学土木工程系,北京100064)
摘要:于水泥的多组分和多尺度水化反应的原理,分別建立了水泥的水化反应孙混凝土自收的动力学模型。这2个
模型均采用两阶的经验公式,分别用于模拟水化反应和自收第的快速发展阶段与平稳变化阶段。实洲数据检验结果表
明,这2个模型可以用于模拟硅酸盐水泥的等温水化放热曲,以及用硅酸盐水泥配制的混凝土的自收缩发履过梐
关词:动力学模型;自收编;水化反应;水泥;混凝土
中图分类号:1TU528文献标识码:A文章编号:1672-7029(2000)01-0056-04
Dynamic models of hydration reaction of Portland cement and
autogenous shrinkage of concrete
YAN Pei-yu ZIIENG Feng
epartment of Civil En ineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: ] he dynamic mels of hy ration reaction of ment and auto enous shrinkage of concrete were constructed
res ectively ased on the multi - composition and multi -seale hydration reaction of cement. In both models two-step
re ve euations are adopted to simulate the step Mf quick development and the step of even change of hydration re
action and aut enous shrinkage. The experimental results show that these modes can expree precisely the isotherm
hydrat on eat mi f a m a e auo nous shinka e press of concrete prepaed with Port-
nd
Key words: dynamic model; autogenous shrinkage; hydration reaction; cement; concrete
高强高性能混凝土在现代土木工程中的应用化学收缩。初凝前,混凝土处于塑性状态,化学收
越来越广泛。在实际应用过程中发现,高强高性能缩表为宏观体积减小的塑性收缩。初凝后,由下
混凝土的总收缩量与普通混凝土的相近,但是高强水泥石内部刚性结构形成,化学收缩受到限制,其
高性能混凝土的开裂敏感性却远比普通混凝土的结果是代水泥浆体中产生大量细小的毛细孔。在
大,这是因为低水胶比的高强高性能混凝土自于燥水泥水化过程中,如果浆体内部水分供应速度小于
收缩量较大。研究结果城示,混凝土的水胶比为因水化而消耗的速度,那么,在毛细孔内部便从水
0.4时,其自收缩量占总收缩量的40%;水胶比为饱和状态向不饱和状态转变,发生自千燥作用,导
0.3时,占50%』。除自收缩外,白收缩速率也是致毛细孔内部产生负压,从而引起宏观体积收缩,
影响混凝士开裂敏感性的重要因素。探讨混凝土称为混凝土的自收缩。自收缩可定义为:在与外界
的自收缩机理及其对混凝土抗裂性能的影响是近没有水分交换的条件下,混凝土内部自于燥作用引
年米混凝土材料科学研究的热点之一。混凝土的起的收缩。从本质上讲,混凝土的自收缩是由胶凝
自收缩与胶凝材料的水化过程密切相关。硅酸盐材料的化学收缩引起的;但是,硬化胶凝材料浆体
水泥在水化过程中浆体体积减小8%~10%,称为和骨料对混凝土体积变化的限制作用等物理因素,
收稿日期:2005-12·
作者筒介:阎培渝(1955-),男,重庆人,教投,博士,从胶疑材料与混凝土研究
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第1期
培渝,等:水泥水化反应与混凝土自收缩的动力学模型
7
明显地影响着泥凝士自收缩的大小与发展速率。
NG阶段(To~71)
为了研究混疑土的自收缩机理及其发稷速率,必须
Trk
[K(t -t0)I+Q
研究胶凝材料的水化过程及其反应速。前,人
们对水泥基材料水化反应的动力学过程进行了研
究2.,但对混凝土自收缩过程的动力学研究很
Qmm n(*)expi -[K(T-to) r(t
少。对于混凝土自收缩的研究,日前集中在自收缩
的测量4,?、形成机制?和收缩量等方面。在
1-D阶段(T~2)
此,作者利用水泥基材料水化反应的动力学模
型,建立混凝土自收缩的动力学模型,模拟自收
缩过程,以利于混凝土自收缩的动力学研究
aak (Q-Q
3(t-t2)]
水泥基材料水化反应的动力学模刑式中:n为水泥基材料水化反应的NC过程的反应
Krstulov
提出了水泥基材料的多组分和级数:(o为水泥基材料水化反应的诱导期结東
多尺度水化反应的动力学模型。此模型认为水泥
前的放热量;2为t2时刻的水泥基材料水化反应
基材料的水化反应有3个基本过程:结晶成核与晶的放热量;Qa、为t=≌时水泥基材料的水化放热
体生长(NG)、相边界反应()和扩散(D)。3个过愁量:4为水泥基材料水化反应的诱导期结東至NG
可以同时发生,但是水化过程的整体发展程度取决过程开始的时间:t为水泥基材料水化反应的NG
于其中最慢的一个反应过程。他们还给出了3
过程与T过程的转换叶间;2为水泥基材料水化反
过程的积分与微分表达式。
应的[过程转为D过程的时间;K1为水泥基材料
目前,研究水泥基材料水化反应的动力学研究水化反应的NC过程反应速率常数;K3为水泥基
最常用的实验方法是测定水泥基材料的等温水化材料水化反应的D过程反应速率常数;a为常数,
放热曲线。水泥在水化诱导期结束(加水拌和后由实验数据找合得到=10
1~1.5h)之前的放热量“-般仅占总放热量的5%
由于固定水胶比并没有外部水分补充,放热量
左右,这相对于整个水化过程来说可以忽略。而且测定时胶凝材料不可能全部水化。所得Qa为实
在实际エ程中,混凝上拌合与浇注之间的时间间隔验过程中所能水化的胶凝材料部分放出的热量,而
往往在h以上,因此,在研究中通常忽略诱导期不是胶凝材料全部水化时的理论放热量。由于在
的影响,即从诱导期结束开始研究。
实际工:程中,混凝土内的胶凝材料也伓可能全部水
水泥基材料在水化过程中某时刻的放热最化,因此,这样处理与实际情况相符。
Q()等于最人水化放热量Q。。与水化程度a(t)
使用上述水泥基材料的水化反应动力学模型,対
的乘积。用实验所用T0等湿绿熱仪附带的软水灰比为0.3,温度为25℃时水化的俳酸盐水泥的实
件 TONIDCA V2.0.0处理试验数攝直接确定Qm
际水化过程进行模拟,计算曲线与实