摘要：
本文通过系统试验研究了水泥水化过程中的温度变化规律，分析了水灰比、水泥类型及环境温度对水化放热特性的影响。结果表明：水泥水化过程呈现明显的阶段性温度特征，初始反应阶段（0-2h）温升速率最快，峰值温度与水灰比呈负相关；普通硅酸盐水泥（OPC）的放热速率显著高于矿渣硅酸盐水泥（SPC）。研究结果为混凝土早期温控设计提供了理论依据。
关键词：水泥水化；温度变化；水灰比；放热特性；混凝土耐久性
1.引言
水泥水化是混凝土材料性能形成的关键过程，伴随显著的放热效应。水化放热引起的温度梯度可能导致混凝土内部产生温度应力，进而引发裂缝，直接影响结构的耐久性和安全性。特别是在大体积混凝土工程中，水化热引起的温升控制已成为施工质量控制的核心问题之一。本研究通过设计系统的温度监测试验，揭示水泥水化过程中的温度变化规律，为优化混凝土配合比设计和温控措施提供科学依据。
2.试验材料与方法
2.1试验材料
•水泥：选用两种典型水泥
•P·O42.5普通硅酸盐水泥（OPC）
•P·S·A32.5矿渣硅酸盐水泥（SPC，矿渣掺量20%）
•水：实验室自来水，温度控制在(20±1)℃
•标准砂：ISO标准砂，粒径0.3-0.6mm
2.2试验配合比设计
设计三组不同水灰比（w/c）的试样，具体参数见表1。
组别 | 水泥质量(g) | 水质量(g) | 水灰比(w/c) |
A | 400 | 160 | 0.4 |
B | 400 | 200 | 0.5 |
C | 400 | 240 | 0.6 |
2.3试验设备与方法
该试验采用：TD12595-B8型 直接法水泥水化热试验仪
•温度监测系统：
•PT100高精度温度传感器（精度±0.1℃）
•数据采集仪（采样间隔1min）
•试验容器：
•直径100mm×高度150mm的圆柱形有机玻璃模具
•模具内壁贴隔热层以减少热量散失
•试验步骤：
1.按配合比称量水泥和水，在搅拌锅中干混30s，加水湿混90s；
2.将拌合物倒入模具，表面刮平后立即插入温度传感器；
3.将模具置于(20±1)℃恒温箱中，连续监测温度变化72h；
4.每组试验重复3次，取平均值作为最终结果。
3.结果与分析
3.1水泥水化温度变化总体规律
图1显示了OPC试样(A组，w/c=0.4)的温度时程曲线。水泥水化过程呈现明显的阶段性特征：
•初始反应期(0-2h)：温升速率最快，平均1.5℃/h；
•加速期(2-8h)：温度持续快速上升，8h达到峰值温度；
•减速期(8-24h)：温升速率逐渐降低；
•稳定期(24-72h)：温度波动幅度<0.5℃，系统趋于平衡。
3.2水灰比对温度变化的影响
表2对比了不同水灰比试样的峰值温度(Tmax)和达到峰值的时间(tpeak)。
组别 | Tmax(℃) | tpeak(h) | 温升幅度(℃) |
A | 48.5 | 6.5 | 32.5 |
B | 42.3 | 7.8 | 26.3 |
C | 38.7 | 9.2 | 22.7 |
分析结论：
•水灰比增大导致Tmax降低，w/c每增加0.1，Tmax下降约5.2℃；
•水灰比增大延缓水化反应进程，tpeak延长1.3-1.4h；
•水灰比对温升幅度的影响呈线性负相关(R²=0.982)。
3.3水泥类型对温度变化的影响
图2对比了OPC与SPC(A组)的温度曲线。关键差异表现为：
•OPC的Tmax比SPC高8.7℃；
•OPC达到tpeak的时间比SPC缩短1.5h；
•OPC的温升速率峰值(2.8℃/h)是SPC(1.9℃/h)的1.47倍。
机理分析：矿渣掺量降低了水泥中C3S和C3A的含量，减少了早期水化放热量。
3.4环境温度的影响（补充试验）
在(10±1)℃环境下重复A组试验，结果显示：
•Tmax降低至41.2℃，降幅15.1%；
•tpeak延长至8.3h；
•温升速率降低约30%。
4.讨论
4.1水化放热机理
水泥水化放热主要来源于三个阶段：
1.初始溶解热（C3S、C3A溶于水）；
2.C3S水化生成C-S-H凝胶和Ca(OH)2；
3.C3A与石膏反应生成钙矾石。
其中C3S的水化贡献了约50%的总放热量。
4.2工程应用启示
•大体积混凝土：应选用矿渣水泥(SPC)并控制w/c≤0.5；
•温控措施：在高温季节施工时，可通过预冷骨料、加冰拌合等方式降低初始温度；
•养护策略：早期覆盖保温材料可减缓热量散失，避免内外温差过大。
5.结论
1.水泥水化过程呈现明显的阶段性温度特征，初始反应阶段(0-2h)温升速率最快；
2.水灰比与峰值温度呈显著负相关，w/c增大10%，Tmax降低约5℃；
3.矿渣水泥(SPC)的水化放热速率和总放热量均低于普通硅酸盐水泥(OPC)；
4.环境温度降低10℃会导致Tmax下降15%左右，温升速率减缓30%。
6.展望
未来研究可进一步结合热重分析(TGA)和X射线衍射(XRD)技术，定量分析水化产物组成与温度变化的关联机制。同时建议开展长期(>7d)温度监测，研究水化反应的后期温度变化规律。
参考文献
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