地下工程中水泥基材料水化放热分析

摘要：水泥基材料是地下工程建设最主要的材料之一，不仅作为地下建筑结构的主要材料，也经常用于岩土体加固。但地下工程中的水泥基材料同时也对周边环境产生一定的不利影响，引起一系列环境岩土工程问题。水泥在水化过程中产生大量的热量，钻孔灌注桩、搅拌桩、高压旋喷桩、地下连续墙和基坑底板等地下工程中常用结构构件，支护或地基加固形式的水泥掺量都很高，其水化放热量对周围土体温度场将产生很大的影响，其中搅拌桩和高压旋喷桩工程上常被称为水泥土。本文主要对混凝土和水泥土材料水化放热过程进行简要的描述，并计算其水化热累积最终发热量。

关键词：水泥基材料地下工程水化放热

1. 水化放热模型

1.1 水泥水化放热模型

目前常用的水泥水化放热过程有以下三种描述[1]：

式中Q（t）在龄期t时的累积水化热；t为龄期；Q0为累积最终发热量；m为水化系数，m的取值随水泥品种、比表面及浇注温度不同而不同。

2) 双曲线式

式中n为水化热达到一半时的龄期。

3) 复合指数式

Q0为累积最终发热量（KJ/kg），系数a、b根据现场测得的地下连续墙实际温升与数值计算的温升对比分析。由公式（3）可知地下连续墙水泥水化热单位时间的水化放热量（生热率）为：

1.2 模型选取

根据已有的试验资料，双曲线模型和复合指数模型与试验值符合的好一些，水化热达到一半时的龄期比较难确定，所以，可以使用复合指数模型进行模拟地下工程中混凝土水化热的过程，其中a=0.69,b=0.56[1]。水泥土水化放热过程现有的国内外研究比较少，搅拌桩的所使用的水泥净浆水灰比为1：1，混凝土水灰比为1:2.5，据此可推断水泥土的水化速率比混凝土大，但水泥土的成分复杂，想弄清其水化放热过程还需要做进一步的研究。本文中水泥土水化放热过程仍然采用复合指数模型， a取0.9，b取0.6，混凝土和水泥土水化累积放热量与时间的曲线如图1。

2. 水化热累积最终放热量的计算

2.1 混凝土水化最终累积放热量

混凝土最终放热量公式[3]：

（5）

――混凝土水化累积最终放热量，kJ；

――单位重量水泥放热量，kJ/kg；

――混凝土中水泥重量，kg；

――混凝土中矿渣重量；

――单位重量粉煤灰最终放热量，kJ/kg；

――混凝土中粉煤灰重量，kg。

表1C35水下混凝土配合比

水泥水化热的最终放热量取477kJ/kg，粉煤灰的水化热的最终释放量为437kJ/kg[3]，所以由公式（5）计算得地下连续墙中每方混凝土最终发热量为200756kJ/m³。

2.2水泥土水化最终累积放热量

SMW三轴搅拌桩，每立方米水泥掺量M：

（6）

其中 为土体重度，取为1800kg/m³，计算得到10%水泥掺量的搅拌桩水泥用量为180kg，20%水泥掺量的搅拌桩水泥用量为360kg；根据《地基基础工程施工质量验收规范》[4]，高压旋喷桩每立方米土体P.O32.5水泥用量不少于540kg。P.O32.5水泥水化热的最终放热取350kJ/kg。地下连续墙、搅拌桩和高压旋喷桩的最终放热量见表2。

表2 地下连续墙及地基加固材料水化最终累积放热量

假定土体比热为1500 J/(kg℃)，重度为1800kg/m³，通过简单的计算，不难得出一幅宽6m，厚1m，长30m的地下连续墙，其混凝土水化放热总的积累放热量可以分别使86m³的水升高100℃，使134m³的土体升高100℃，高压旋喷桩对土体的温升影响更为明显，其它形式的水泥基材料根据其水泥掺量的不同，对周围土体的影响程度也不同。

3. 结论

通过对水灰比的比较，水泥土的水化热速率较混凝土的水化速率大，但影响其水泥土水化热的因素还很多，需要进一步的研究；地下工程中以水泥基材料为主要成分的地下连续墙、搅拌桩等由于水化反应释放出大量的热量，会导致土体的温度的升高，对周围环境产生一定的影响，同时水化热对土体温度的长期影响还应考虑空气对流对土体温度的影响。

注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看