关键词：低热水泥；温度应力；开裂敏感性。
0 前言
伴随着国民经济的高速发展，交通日益繁重，水泥混凝土路面的开裂特别是早期开裂以及路面的断板现象越来越严重，成为路面结构劣化的重要原因，大大降低了混凝土路面的使用耐久性！造成路面开裂和断板的原因非常多，从水泥混凝土路面材料自身来讲，温度应力是主要因素之一。
主要原因是目前道路混凝土的抗折强度等级越来越高，配制混凝土时水泥用量越来越多，虽然路面不厚，但大量水泥水化放热仍会造成混凝土内部的温度变化，当混凝土温度接近室温时，混凝土内部存在残留的温度应力。这些应力直接增加了混凝土的开裂敏感性。混凝土路面在温度应力以及车辆的荷载双重作用下便很容易出现开裂；甚至在没有荷载的情况下，当混凝土的抗拉强度小于其内部的温度应力时，混凝土也会开裂！
因此，如何提高道路混凝土的抗开裂性能已经成为许多国家混凝土研究领域的重点。低热水泥是国家“九五”重点攻关项目的最新科研成果，B矿含量很高，有较低的水化热，预示着低热水泥混凝土具有较低的温度应力。因此，本文从混凝土的温度、应力、变形以及弹性模量等不同方面系统的研究了低热硅酸盐水泥道路混凝土的抗开裂性能，并将其同通用硅酸盐水泥道路混凝土的开裂敏感性进行了对比!
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
（1）将四川嘉华水泥厂生产的低热硅酸盐水泥熟料在实验室磨制成的低热水泥，广东省内两个大型
干法窑水泥厂生产的P·O42.5R水泥，编号分别为C1、C2、C3，三种水泥的物理性能和化学组成见表1与表2：
（2）细集料为天然河砂，细度模数2.8，Ⅱ区级配,粗集料为花岗岩碎石，5～40mm连续级配，压碎指标10％，针片状含量5.8%。
（3）外加剂为柯杰牌早强型萘系高效减水剂，固含量30％。
1.2 混凝土配合比
将C1、C2、C3三种水泥配制成坍落度为20～40㎜，抗折强度等级为F4.5
的道路混凝土，分别记为1#、2#、3#，其配合比及部分物理性能见表3：
表3 混凝土拌合物配合比（kg/m3）
1.3 试验方法
（1） 试验仪器
本试验采用清华大学研制的混凝土温度应力试验机【TSTM】[1]进行混凝土温度应力的研究。搅拌好的混凝土直接浇注到温度应力试验机内长为1000㎜，截面为100㎜×100㎜的试模中，测量混凝土在接近100%的约束条件下由水化热引起的混凝土内部温度以及应力的变化。
（2） 试验条件
本试验是在封闭半绝热的养护条件下进行，混凝土试件的四周用聚丙烯泡沫进行保温，养护室温度为24±2℃。当试件恢复至室温并稳定后，进行人工降温，使试件断裂，试验结束。为了得到准确的对比数据，本试验中三个被测试件都是被养护到强度基本相同时才被降温拉断。
2 试验结果与讨论
2.1 试验结果
表4 温度应力的试验数据
注：最大温升：混凝土试件上升到最高温度与入模时的温差；
温升时间：混凝土试件上升到最高温度的时间；
室温应力：混凝土试件发展稳定后在室温下的应力，－表示拉应力；
室温时间：混凝土试件回复到室温的时间；
断裂应力：混凝土试件开裂时的应力值；
应力储备：室温应力与断裂应力的比值；
累计变形：混凝土试件断裂时累计总的变形量；
2.2 温升幅度和升温速率比较
温升幅度和升温速率是影响混凝土温度应力的两个主要因素。
从上述图中中可以看出，1＃样的温升最小，升温速率最慢，但是到达最大温升的时间最短。
这主要与低热水泥的矿物组成，不同矿物的水化速率以及它们的放热量有关。水泥熟料矿物中C3S和C3A的水化速率最快，通常在十个小时以内便会出现放热峰，C4AF其次，而C2S最慢，其水化速率大约只有C3S 的1/20 [2]。下面是水泥熟料不同矿物的三天水化热：C3A，888 KJ/Kg、C3S，243 KJ/Kg、C4AF，289 KJ/Kg、C2S，50 KJ/Kg[3]。结合表2中C1、C2、C3三种水泥熟料的矿物组成便能充分地解释和说明了1＃样早期的升温速率慢，温升幅度小。
同样， C1、C2、C3三种水泥三天的水化热的数据也能反映三个混凝土试样的升温速率与温升幅度之间的差异。从表1中可以看出，C1、C2、C3三种水泥三天龄期的水化热分别为209KJ/Kg、264 KJ/Kg、267 KJ/Kg，虽然它们的水化热都是通过净浆（溶解热法）测得，但是在本试验中三个待测混凝土试样的配合比除外加剂的掺量外，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响程度也基本相同，因此三种水泥三天龄期的水化热还是充分地解释和说明了1＃样早期的升温速率慢，温升幅度小。这显然与1＃样温升幅度小和升温速率慢相符合。
虽说上述所有涉及到的水化热数据都是三天的，但由于C3S在水化加速期结束之后水化速率会迅速减慢，进入水化减速期； C3A在十个小时内便基本水化完全；而C4AF和C2S不仅水化速率慢，而且放热量小，因此三天的水化热还是基本反映了水泥熟料矿物早期的水化放热情况。
同时水化速率慢也导致了混凝土试件1＃样到达最大温升的时间短，因为其早期持续快速的水化能力不强，在入模10.6小时后低热水泥水化产生的热量不足以弥补混凝土试件与环境的热交换，此时1＃样便已到达最大温升，而2＃样和3＃样的水泥C2、C3由于早期水化速率较快，在入模10.6小时后水化所产生的热量仍大于试件与环境的热交换，因此还会继续升温，所以它们到达最大温升的时间都相对较长。
2＃样和3＃样最大温升相同，但3#样到达最大温升时间较短，说明了3#中的水泥水化速率快。而温度在达到最到温升即试件入模12.1小时后并没有持续上升，可能与当时的外界的环境温度有关。从升温速率来看，1＃样为0.321℃/h,2＃为0.355℃/h,3＃为0.446℃/h。温升幅度小，升温速率慢，这都说明了1＃样中的低热水泥配制的道路混凝土将会具有较小的温度应力。
2.3 温升幅度以及弹性模量对道路混凝土温度应力的影响
水泥混凝土路面受温度变化的影响，将产生形变。温度的变化引起的变形如果受到约束，就会产生温度应力。一旦温度应力超过混凝土路面的抗拉极限时，混凝土路面便会被破坏，产生裂缝。
Westargaard[4]经典理论认为，水泥混凝土路面板符合薄板理论，假定混凝土表层与内部温差沿板厚呈线性分布，那么根据Westargaard－Bradbury理论最终可得到水泥混凝土路面有限尺寸板的温度应力计算公式：
由上述道路混凝土的温度应力计算公式可以看出，温度梯度TΔ与应力成正比的关系，当路面板厚度一定时，温度梯度与混凝土内部和表面的温差也成正比关系。因此在其它条件相同的情况下，混凝土内部都处于最大温升时，此时， 1＃、2＃、3＃样的弹性模量分别为19.3MPa 、21.7 MPa和23.3 MPa，再根据上述公式，温度应力分别与弹性模量和温度梯度成正比关系可知：1＃样的温度应力与其它两个样的温度应力的比值应该小于他们的最大温升的比值,即小于3.4/5.4。由此可见，水泥水化导致混凝土内部产生的温升是影响
混凝土温度应力的主要因素之一。从试验数据可以得出，1＃样的最大温升只有另外两个样的63.0%（即3.4/5.4）。其次，从表4可以看出，无论是在温度到达最高温度点还是在试件断裂的一刻，低热水泥的试样都比其它两个对比样的弹性模量要小，根据上述公式，较小的弹性模量是有利于减小温度应力的。因此，在其它条件完全相同的情况下，低热水泥道路混凝土的温度应力还不到另外两个对比样的63％。
2.4 应力和应力储备反映道路混凝土开裂敏感性
通过理论公式和一些参数可以计算出混凝土的温度应力，在本试验中被测试件在不同阶段的应力通过温度应力试验机也可以测得。
室温应力是混凝土发展稳定后在室温下的稳定应力，该值越小越好，它是对温度和变形以及约束程度的一个综合反应，表4中的数据显示，无论是室温应力还是断裂应力1＃、2＃、3＃三个样的应力值都是负值，且室温应力1＃＜2＃＜3＃，表明它们在室温都处于收缩状态，而且1＃收缩应力最小。
断裂应力是混凝土试件断裂时的应力值，该值越大越好，因为断裂应力是指混凝土抵抗断裂极限的应力，试验数据显示断裂应力为2＃＜1＃＜3＃。
应力储备是室温应力与断裂应力的比值，是室温应力占整个混凝土抗断裂极限应力中的比例，它更直接的反映了道路混凝土的抗裂性能和开裂敏感性。混凝土路面通常受到外界荷载以及自身内部应力的双重作用，一旦外界的荷载与自身应力之和大于混凝土路面抵抗开裂的极限应力，路面便会出现开裂和破坏。[4]
1＃、2＃、3＃三个样的应力储备分别为0.271、0.420、0.377。1＃样的应力储备最小，直接反应了低热水泥道路混凝土与通用硅酸盐水泥道路混凝土相比，具有较好的抗开裂性，较小的开裂敏感性。
3 结论
（1） 与通用硅酸盐水泥相比，低热水泥混凝土具有较小的最大温升和升温速度，这有利于减小低热水泥道路混凝土的温度应力；
（2） 混凝土的温度应力与它的温升幅度成正比，在其他条件相同的情况下，低热水泥道路混凝土的温度应力只有通用硅酸盐水泥的63％；
（3） 低热水泥道路混凝土具有较小的室温应力和较大的断裂应力，因此应力储备也较小。这直接反应了同通用硅酸盐水泥相比，低热水泥道路混凝土具有更好的抗开裂性。
参考文献
1 林智海，覃维祖，张士海，张涛.虚拟仪器技术在检测混凝土早期开裂敏感度试验中的应用.工业建筑，2003（7）：37－40
2 沈威,黄文熙,闵盘荣编.水泥工艺学[M].武汉工业大学出版社.1999,291.323
3 朱清江.高强高性能混凝土的研制及应用[M].北京：中国建材工业出版社，1999：165
4 周虎鑫，陈荣生，何兆益.水泥砼路面温度翘曲应力分析，重庆交通学院学报，No.4,1995
5 段红波.水泥混凝土路面温度应力面向对象的有限元分析:[硕士学位论文].大连理工大学，2000
