摘要：分別將低熱水泥及普通硅酸鹽水泥用相同的配合比，配制成抗折強度等級為F4.5的道路混凝土，然后利用清華大學研制的混凝土溫度應力試驗機在相同的試驗條件下分別對這三種混凝土進行溫度應力試驗，通過試驗數據探討了水泥的品種對道路混凝土開裂敏感性和抗開裂性的影響。結果表明低熱水泥用于道路混凝土的配制有利于降低混凝土路面的開裂風險，提高其抗開裂性能。
關鍵詞：低熱水泥；溫度應力；開裂敏感性。
0 前言
伴隨著國民經濟的高速發展，交通日益繁重，水泥混凝土路面的開裂特別是早期開裂以及路面的斷板現象越來越嚴重，成為路面結構劣化的重要原因，大大降低了混凝土路面的使用耐久性！造成路面開裂和斷板的原因非常多，從水泥混凝土路面材料自身來講，溫度應力是主要因素之一。
主要原因是目前道路混凝土的抗折強度等級越來越高，配制混凝土時水泥用量越來越多，雖然路面不厚，但大量水泥水化放熱仍會造成混凝土內部的溫度變化，當混凝土溫度接近室溫時，混凝土內部存在殘留的溫度應力。這些應力直接增加了混凝土的開裂敏感性。混凝土路面在溫度應力以及車輛的荷載雙重作用下便很容易出現開裂；甚至在沒有荷載的情況下，當混凝土的抗拉強度小于其內部的溫度應力時，混凝土也會開裂！
因此，如何提高道路混凝土的抗開裂性能已經成為許多國家混凝土研究領域的重點。低熱水泥是國家“九五”重點攻關項目的最新科研成果，B礦含量很高，有較低的水化熱，預示著低熱水泥混凝土具有較低的溫度應力。因此，本文從混凝土的溫度、應力、變形以及彈性模量等不同方面系統的研究了低熱硅酸鹽水泥道路混凝土的抗開裂性能，并將其同通用硅酸鹽水泥道路混凝土的開裂敏感性進行了對比!
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
（1）將四川嘉華水泥廠生產的低熱硅酸鹽水泥熟料在實驗室磨制成的低熱水泥，廣東省內兩個大型
干法窯水泥廠生產的P·O42.5R水泥，編號分別為C1、C2、C3，三種水泥的物理性能和化學組成見表1與表2：
（2）細集料為天然河砂，細度模數2.8，Ⅱ區級配,粗集料為花崗巖碎石，5～40mm連續級配，壓碎指標10％，針片狀含量5.8%。
（3）外加劑為柯杰牌早強型萘系高效減水劑，固含量30％。
1.2 混凝土配合比
將C1、C2、C3三種水泥配制成坍落度為20～40㎜，抗折強度等級為F4.5
的道路混凝土，分別記為1#、2#、3#，其配合比及部分物理性能見表3：
表3 混凝土拌合物配合比（kg/m3）
1.3 試驗方法
（1） 試驗儀器
本試驗采用清華大學研制的混凝土溫度應力試驗機【TSTM】[1]進行混凝土溫度應力的研究。攪拌好的混凝土直接澆注到溫度應力試驗機內長為1000㎜，截面為100㎜×100㎜的試模中，測量混凝土在接近100%的約束條件下由水化熱引起的混凝土內部溫度以及應力的變化。
（2） 試驗條件
本試驗是在封閉半絕熱的養護條件下進行，混凝土試件的四周用聚丙烯泡沫進行保溫，養護室溫度為24±2℃。當試件恢復至室溫并穩定后，進行人工降溫，使試件斷裂，試驗結束。為了得到準確的對比數據，本試驗中三個被測試件都是被養護到強度基本相同時才被降溫拉斷。
2 試驗結果與討論
2.1 試驗結果
表4 溫度應力的試驗數據
注：最大溫升：混凝土試件上升到最高溫度與入模時的溫差；
溫升時間：混凝土試件上升到最高溫度的時間；
室溫應力：混凝土試件發展穩定后在室溫下的應力，－表示拉應力；
室溫時間：混凝土試件回復到室溫的時間；
斷裂應力：混凝土試件開裂時的應力值；
應力儲備：室溫應力與斷裂應力的比值；
累計變形：混凝土試件斷裂時累計總的變形量；
2.2 溫升幅度和升溫速率比較
溫升幅度和升溫速率是影響混凝土溫度應力的兩個主要因素。
從上述圖中中可以看出，1＃樣的溫升最小，升溫速率最慢，但是到達最大溫升的時間最短。
這主要與低熱水泥的礦物組成，不同礦物的水化速率以及它們的放熱量有關。水泥熟料礦物中C3S和C3A的水化速率最快，通常在十個小時以內便會出現放熱峰，C4AF其次，而C2S最慢，其水化速率大約只有C3S 的1/20 [2]。下面是水泥熟料不同礦物的三天水化熱：C3A，888 KJ/Kg、C3S，243 KJ/Kg、C4AF，289 KJ/Kg、C2S，50 KJ/Kg[3]。結合表2中C1、C2、C3三種水泥熟料的礦物組成便能充分地解釋和說明了1＃樣早期的升溫速率慢，溫升幅度小。
同樣， C1、C2、C3三種水泥三天的水化熱的數據也能反映三個混凝土試樣的升溫速率與溫升幅度之間的差異。從表1中可以看出，C1、C2、C3三種水泥三天齡期的水化熱分別為209KJ/Kg、264 KJ/Kg、267 KJ/Kg，雖然它們的水化熱都是通過凈漿（溶解熱法）測得，但是在本試驗中三個待測混凝土試樣的配合比除外加劑的摻量外，其它完全相同，所以水泥在混凝土中的水化受到水灰比和集料的影響程度也基本相同，因此三種水泥三天齡期的水化熱還是充分地解釋和說明了1＃樣早期的升溫速率慢，溫升幅度小。這顯然與1＃樣溫升幅度小和升溫速率慢相符合。
雖說上述所有涉及到的水化熱數據都是三天的，但由于C3S在水化加速期結束之后水化速率會迅速減慢，進入水化減速期； C3A在十個小時內便基本水化完全；而C4AF和C2S不僅水化速率慢，而且放熱量小，因此三天的水化熱還是基本反映了水泥熟料礦物早期的水化放熱情況。
同時水化速率慢也導致了混凝土試件1＃樣到達最大溫升的時間短，因為其早期持續快速的水化能力不強，在入模10.6小時后低熱水泥水化產生的熱量不足以彌補混凝土試件與環境的熱交換，此時1＃樣便已到達最大溫升，而2＃樣和3＃樣的水泥C2、C3由于早期水化速率較快，在入模10.6小時后水化所產生的熱量仍大于試件與環境的熱交換，因此還會繼續升溫，所以它們到達最大溫升的時間都相對較長。
2＃樣和3＃樣最大溫升相同，但3#樣到達最大溫升時間較短，說明了3#中的水泥水化速率快。而溫度在達到最到溫升即試件入模12.1小時后并沒有持續上升，可能與當時的外界的環境溫度有關。從升溫速率來看，1＃樣為0.321℃/h,2＃為0.355℃/h,3＃為0.446℃/h。溫升幅度小，升溫速率慢，這都說明了1＃樣中的低熱水泥配制的道路混凝土將會具有較小的溫度應力。
2.3 溫升幅度以及彈性模量對道路混凝土溫度應力的影響
水泥混凝土路面受溫度變化的影響，將產生形變。溫度的變化引起的變形如果受到約束，就會產生溫度應力。一旦溫度應力超過混凝土路面的抗拉極限時，混凝土路面便會被破壞，產生裂縫。
Westargaard[4]經典理論認為，水泥混凝土路面板符合薄板理論，假定混凝土表層與內部溫差沿板厚呈線性分布，那么根據Westargaard－Bradbury理論最終可得到水泥混凝土路面有限尺寸板的溫度應力計算公式：
由上述道路混凝土的溫度應力計算公式可以看出，溫度梯度TΔ與應力成正比的關系，當路面板厚度一定時，溫度梯度與混凝土內部和表面的溫差也成正比關系。因此在其它條件相同的情況下，混凝土內部都處于最大溫升時，此時， 1＃、2＃、3＃樣的彈性模量分別為19.3MPa 、21.7 MPa和23.3 MPa，再根據上述公式，溫度應力分別與彈性模量和溫度梯度成正比關系可知：1＃樣的溫度應力與其它兩個樣的溫度應力的比值應該小于他們的最大溫升的比值,即小于3.4/5.4。由此可見，水泥水化導致混凝土內部產生的溫升是影響
混凝土溫度應力的主要因素之一。從試驗數據可以得出，1＃樣的最大溫升只有另外兩個樣的63.0%（即3.4/5.4）。其次，從表4可以看出，無論是在溫度到達最高溫度點還是在試件斷裂的一刻，低熱水泥的試樣都比其它兩個對比樣的彈性模量要小，根據上述公式，較小的彈性模量是有利于減小溫度應力的。因此，在其它條件完全相同的情況下，低熱水泥道路混凝土的溫度應力還不到另外兩個對比樣的63％。
2.4 應力和應力儲備反映道路混凝土開裂敏感性
通過理論公式和一些參數可以計算出混凝土的溫度應力，在本試驗中被測試件在不同階段的應力通過溫度應力試驗機也可以測得。
室溫應力是混凝土發展穩定后在室溫下的穩定應力，該值越小越好，它是對溫度和變形以及約束程度的一個綜合反應，表4中的數據顯示，無論是室溫應力還是斷裂應力1＃、2＃、3＃三個樣的應力值都是負值，且室溫應力1＃＜2＃＜3＃，表明它們在室溫都處于收縮狀態，而且1＃收縮應力最小。
斷裂應力是混凝土試件斷裂時的應力值，該值越大越好，因為斷裂應力是指混凝土抵抗斷裂極限的應力，試驗數據顯示斷裂應力為2＃＜1＃＜3＃。
應力儲備是室溫應力與斷裂應力的比值，是室溫應力占整個混凝土抗斷裂極限應力中的比例，它更直接的反映了道路混凝土的抗裂性能和開裂敏感性。混凝土路面通常受到外界荷載以及自身內部應力的雙重作用，一旦外界的荷載與自身應力之和大于混凝土路面抵抗開裂的極限應力，路面便會出現開裂和破壞。[4]
1＃、2＃、3＃三個樣的應力儲備分別為0.271、0.420、0.377。1＃樣的應力儲備最小，直接反應了低熱水泥道路混凝土與通用硅酸鹽水泥道路混凝土相比，具有較好的抗開裂性，較小的開裂敏感性。
3 結論
（1） 與通用硅酸鹽水泥相比，低熱水泥混凝土具有較小的最大溫升和升溫速度，這有利于減小低熱水泥道路混凝土的溫度應力；
（2） 混凝土的溫度應力與它的溫升幅度成正比，在其他條件相同的情況下，低熱水泥道路混凝土的溫度應力只有通用硅酸鹽水泥的63％；
（3） 低熱水泥道路混凝土具有較小的室溫應力和較大的斷裂應力，因此應力儲備也較小。這直接反應了同通用硅酸鹽水泥相比，低熱水泥道路混凝土具有更好的抗開裂性。
參考文獻
1 林智海，覃維祖，張士海，張濤.虛擬儀器技術在檢測混凝土早期開裂敏感度試驗中的應用.工業建筑，2003（7）：37－40
2 沈威,黃文熙,閔盤榮編.水泥工藝學[M].武漢工業大學出版社.1999,291.323
3 朱清江.高強高性能混凝土的研制及應用[M].北京：中國建材工業出版社，1999：165
4 周虎鑫，陳榮生，何兆益.水泥砼路面溫度翹曲應力分析，重慶交通學院學報，No.4,1995
5 段紅波.水泥混凝土路面溫度應力面向對象的有限元分析:[碩士學位論文].大連理工大學，2000
關鍵詞：低熱水泥；溫度應力；開裂敏感性。
0 前言
伴隨著國民經濟的高速發展，交通日益繁重，水泥混凝土路面的開裂特別是早期開裂以及路面的斷板現象越來越嚴重，成為路面結構劣化的重要原因，大大降低了混凝土路面的使用耐久性！造成路面開裂和斷板的原因非常多，從水泥混凝土路面材料自身來講，溫度應力是主要因素之一。
主要原因是目前道路混凝土的抗折強度等級越來越高，配制混凝土時水泥用量越來越多，雖然路面不厚，但大量水泥水化放熱仍會造成混凝土內部的溫度變化，當混凝土溫度接近室溫時，混凝土內部存在殘留的溫度應力。這些應力直接增加了混凝土的開裂敏感性。混凝土路面在溫度應力以及車輛的荷載雙重作用下便很容易出現開裂；甚至在沒有荷載的情況下，當混凝土的抗拉強度小于其內部的溫度應力時，混凝土也會開裂！
因此，如何提高道路混凝土的抗開裂性能已經成為許多國家混凝土研究領域的重點。低熱水泥是國家“九五”重點攻關項目的最新科研成果，B礦含量很高，有較低的水化熱，預示著低熱水泥混凝土具有較低的溫度應力。因此，本文從混凝土的溫度、應力、變形以及彈性模量等不同方面系統的研究了低熱硅酸鹽水泥道路混凝土的抗開裂性能，并將其同通用硅酸鹽水泥道路混凝土的開裂敏感性進行了對比!
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
（1）將四川嘉華水泥廠生產的低熱硅酸鹽水泥熟料在實驗室磨制成的低熱水泥，廣東省內兩個大型
干法窯水泥廠生產的P·O42.5R水泥，編號分別為C1、C2、C3，三種水泥的物理性能和化學組成見表1與表2：
（2）細集料為天然河砂，細度模數2.8，Ⅱ區級配,粗集料為花崗巖碎石，5～40mm連續級配，壓碎指標10％，針片狀含量5.8%。
（3）外加劑為柯杰牌早強型萘系高效減水劑，固含量30％。
1.2 混凝土配合比
將C1、C2、C3三種水泥配制成坍落度為20～40㎜，抗折強度等級為F4.5
的道路混凝土，分別記為1#、2#、3#，其配合比及部分物理性能見表3：
表3 混凝土拌合物配合比（kg/m3）
1.3 試驗方法
（1） 試驗儀器
本試驗采用清華大學研制的混凝土溫度應力試驗機【TSTM】[1]進行混凝土溫度應力的研究。攪拌好的混凝土直接澆注到溫度應力試驗機內長為1000㎜，截面為100㎜×100㎜的試模中，測量混凝土在接近100%的約束條件下由水化熱引起的混凝土內部溫度以及應力的變化。
（2） 試驗條件
本試驗是在封閉半絕熱的養護條件下進行，混凝土試件的四周用聚丙烯泡沫進行保溫，養護室溫度為24±2℃。當試件恢復至室溫并穩定后，進行人工降溫，使試件斷裂，試驗結束。為了得到準確的對比數據，本試驗中三個被測試件都是被養護到強度基本相同時才被降溫拉斷。
2 試驗結果與討論
2.1 試驗結果
表4 溫度應力的試驗數據
注：最大溫升：混凝土試件上升到最高溫度與入模時的溫差；
溫升時間：混凝土試件上升到最高溫度的時間；
室溫應力：混凝土試件發展穩定后在室溫下的應力，－表示拉應力；
室溫時間：混凝土試件回復到室溫的時間；
斷裂應力：混凝土試件開裂時的應力值；
應力儲備：室溫應力與斷裂應力的比值；
累計變形：混凝土試件斷裂時累計總的變形量；
2.2 溫升幅度和升溫速率比較
溫升幅度和升溫速率是影響混凝土溫度應力的兩個主要因素。
從上述圖中中可以看出，1＃樣的溫升最小，升溫速率最慢，但是到達最大溫升的時間最短。
這主要與低熱水泥的礦物組成，不同礦物的水化速率以及它們的放熱量有關。水泥熟料礦物中C3S和C3A的水化速率最快，通常在十個小時以內便會出現放熱峰，C4AF其次，而C2S最慢，其水化速率大約只有C3S 的1/20 [2]。下面是水泥熟料不同礦物的三天水化熱：C3A，888 KJ/Kg、C3S，243 KJ/Kg、C4AF，289 KJ/Kg、C2S，50 KJ/Kg[3]。結合表2中C1、C2、C3三種水泥熟料的礦物組成便能充分地解釋和說明了1＃樣早期的升溫速率慢，溫升幅度小。
同樣， C1、C2、C3三種水泥三天的水化熱的數據也能反映三個混凝土試樣的升溫速率與溫升幅度之間的差異。從表1中可以看出，C1、C2、C3三種水泥三天齡期的水化熱分別為209KJ/Kg、264 KJ/Kg、267 KJ/Kg，雖然它們的水化熱都是通過凈漿（溶解熱法）測得，但是在本試驗中三個待測混凝土試樣的配合比除外加劑的摻量外，其它完全相同，所以水泥在混凝土中的水化受到水灰比和集料的影響程度也基本相同，因此三種水泥三天齡期的水化熱還是充分地解釋和說明了1＃樣早期的升溫速率慢，溫升幅度小。這顯然與1＃樣溫升幅度小和升溫速率慢相符合。
雖說上述所有涉及到的水化熱數據都是三天的，但由于C3S在水化加速期結束之后水化速率會迅速減慢，進入水化減速期； C3A在十個小時內便基本水化完全；而C4AF和C2S不僅水化速率慢，而且放熱量小，因此三天的水化熱還是基本反映了水泥熟料礦物早期的水化放熱情況。
同時水化速率慢也導致了混凝土試件1＃樣到達最大溫升的時間短，因為其早期持續快速的水化能力不強，在入模10.6小時后低熱水泥水化產生的熱量不足以彌補混凝土試件與環境的熱交換，此時1＃樣便已到達最大溫升，而2＃樣和3＃樣的水泥C2、C3由于早期水化速率較快，在入模10.6小時后水化所產生的熱量仍大于試件與環境的熱交換，因此還會繼續升溫，所以它們到達最大溫升的時間都相對較長。
2＃樣和3＃樣最大溫升相同，但3#樣到達最大溫升時間較短，說明了3#中的水泥水化速率快。而溫度在達到最到溫升即試件入模12.1小時后并沒有持續上升，可能與當時的外界的環境溫度有關。從升溫速率來看，1＃樣為0.321℃/h,2＃為0.355℃/h,3＃為0.446℃/h。溫升幅度小，升溫速率慢，這都說明了1＃樣中的低熱水泥配制的道路混凝土將會具有較小的溫度應力。
2.3 溫升幅度以及彈性模量對道路混凝土溫度應力的影響
水泥混凝土路面受溫度變化的影響，將產生形變。溫度的變化引起的變形如果受到約束，就會產生溫度應力。一旦溫度應力超過混凝土路面的抗拉極限時，混凝土路面便會被破壞，產生裂縫。
Westargaard[4]經典理論認為，水泥混凝土路面板符合薄板理論，假定混凝土表層與內部溫差沿板厚呈線性分布，那么根據Westargaard－Bradbury理論最終可得到水泥混凝土路面有限尺寸板的溫度應力計算公式：
由上述道路混凝土的溫度應力計算公式可以看出，溫度梯度TΔ與應力成正比的關系，當路面板厚度一定時，溫度梯度與混凝土內部和表面的溫差也成正比關系。因此在其它條件相同的情況下，混凝土內部都處于最大溫升時，此時， 1＃、2＃、3＃樣的彈性模量分別為19.3MPa 、21.7 MPa和23.3 MPa，再根據上述公式，溫度應力分別與彈性模量和溫度梯度成正比關系可知：1＃樣的溫度應力與其它兩個樣的溫度應力的比值應該小于他們的最大溫升的比值,即小于3.4/5.4。由此可見，水泥水化導致混凝土內部產生的溫升是影響
混凝土溫度應力的主要因素之一。從試驗數據可以得出，1＃樣的最大溫升只有另外兩個樣的63.0%（即3.4/5.4）。其次，從表4可以看出，無論是在溫度到達最高溫度點還是在試件斷裂的一刻，低熱水泥的試樣都比其它兩個對比樣的彈性模量要小，根據上述公式，較小的彈性模量是有利于減小溫度應力的。因此，在其它條件完全相同的情況下，低熱水泥道路混凝土的溫度應力還不到另外兩個對比樣的63％。
2.4 應力和應力儲備反映道路混凝土開裂敏感性
通過理論公式和一些參數可以計算出混凝土的溫度應力，在本試驗中被測試件在不同階段的應力通過溫度應力試驗機也可以測得。
室溫應力是混凝土發展穩定后在室溫下的穩定應力，該值越小越好，它是對溫度和變形以及約束程度的一個綜合反應，表4中的數據顯示，無論是室溫應力還是斷裂應力1＃、2＃、3＃三個樣的應力值都是負值，且室溫應力1＃＜2＃＜3＃，表明它們在室溫都處于收縮狀態，而且1＃收縮應力最小。
斷裂應力是混凝土試件斷裂時的應力值，該值越大越好，因為斷裂應力是指混凝土抵抗斷裂極限的應力，試驗數據顯示斷裂應力為2＃＜1＃＜3＃。
應力儲備是室溫應力與斷裂應力的比值，是室溫應力占整個混凝土抗斷裂極限應力中的比例，它更直接的反映了道路混凝土的抗裂性能和開裂敏感性。混凝土路面通常受到外界荷載以及自身內部應力的雙重作用，一旦外界的荷載與自身應力之和大于混凝土路面抵抗開裂的極限應力，路面便會出現開裂和破壞。[4]
1＃、2＃、3＃三個樣的應力儲備分別為0.271、0.420、0.377。1＃樣的應力儲備最小，直接反應了低熱水泥道路混凝土與通用硅酸鹽水泥道路混凝土相比，具有較好的抗開裂性，較小的開裂敏感性。
3 結論
（1） 與通用硅酸鹽水泥相比，低熱水泥混凝土具有較小的最大溫升和升溫速度，這有利于減小低熱水泥道路混凝土的溫度應力；
（2） 混凝土的溫度應力與它的溫升幅度成正比，在其他條件相同的情況下，低熱水泥道路混凝土的溫度應力只有通用硅酸鹽水泥的63％；
（3） 低熱水泥道路混凝土具有較小的室溫應力和較大的斷裂應力，因此應力儲備也較小。這直接反應了同通用硅酸鹽水泥相比，低熱水泥道路混凝土具有更好的抗開裂性。
參考文獻
1 林智海，覃維祖，張士海，張濤.虛擬儀器技術在檢測混凝土早期開裂敏感度試驗中的應用.工業建筑，2003（7）：37－40
2 沈威,黃文熙,閔盤榮編.水泥工藝學[M].武漢工業大學出版社.1999,291.323
3 朱清江.高強高性能混凝土的研制及應用[M].北京：中國建材工業出版社，1999：165
4 周虎鑫，陳榮生，何兆益.水泥砼路面溫度翹曲應力分析，重慶交通學院學報，No.4,1995
5 段紅波.水泥混凝土路面溫度應力面向對象的有限元分析:[碩士學位論文].大連理工大學，2000
