水泥水化熱試驗儀的基礎知識

　　一、定義
 

　　水泥水化熱試驗儀是用于定量測定水泥在水化過程中所釋放熱量的專用熱學測量設備。它是水泥質量檢測、混凝土配合比設計及大體積混凝土溫控研究中的關鍵儀器。
 

　　核心目的與重要性：
 

　　水泥與水反應(水化)時會釋放大量熱量，稱為水化熱。對于常規結構，此熱量有益于低溫施工。但對于大體積混凝土(如大壩、橋墩、大型基礎)，內部熱量積聚會導致內外溫差過大，產生溫度應力，進而引發有害裂縫。通過水化熱試驗，可以：
 

　　評估水泥性能：選擇低熱水泥，從源頭控制溫升。
 

　　指導工程設計：為溫控措施(如冷卻水管布置、分層澆筑計劃)提供關鍵數據依據。
 

　　預測溫度場：通過數值模擬預測混凝土內部最高溫度和溫度變化歷程。
 

　　科學研究：研究外加劑、摻合料等對水泥水化速率和放熱行為的影響。
 

　　二、工作原理(主要方法)
 

　　目前主流方法有兩種，其原理和儀器構成有所不同。
 

　　方法一：溶解熱法
 

　　這是一種間接測量方法，通過測量溶解熱差值來計算水化熱。
 

　　基本原理：
 

　　測定基準溶解熱：在標準條件下，用特定混合酸(通常為硝酸和氫氟酸)溶解一定量的未水化水泥干粉，測量此溶解過程產生的熱效應(吸熱或放熱)，稱為基準溶解熱(Q1)。
 

　　測定水化樣溶解熱：將另一份相同質量的水泥樣品在標準條件下水化至指定齡期(如3天、7天)，然后將其破碎，用同樣的酸在相同條件下溶解，測量其溶解熱(Q2)。
 

　　計算水化熱：該齡期內的水泥水化熱 = Q1 - Q2。
 

　　邏輯在于：水泥水化后，部分物質已變為水化產物，其化學能已部分釋放。因此，水化樣中剩余未水化部分的溶解熱(Q2)與未水化水泥的溶解熱(Q1)之差，即為已水化部分所放出的熱量。
 

　　對應儀器系統構成：
 

　　保溫瓶(杜瓦瓶)：作為量熱容器，提供絕熱環境，減少熱交換。
 

　　廣口保溫瓶：用于盛放和恒溫酸液。
 

　　高精度溫度測量系統：通常使用貝克曼差示溫度計或精密電子溫度計，精度需達0.001°C。
 

　　攪拌與反應裝置：使酸液均勻并與樣品充分反應。
 

　　天平：精確稱量樣品(精度0.001g)。
 

　　方法二：直接法/等溫量熱法
 

　　這是一種直接、連續、自動化的測量方法，目前已成為研究和高級質量控制的趨勢。
 

　　基本原理：
 

　　將新拌水泥漿體放入一個處于恒定溫度(如20°C)的高度絕熱的量熱艙中。水泥水化釋放的熱量會使樣品溫度有上升的趨勢，儀器的精密反饋控制系統會立即探測到這一微小變化，并施加一個等效的冷卻功率來維持樣品溫度與艙體溫度絕對一致(即保持“等溫”狀態)。
 

　　這個為了維持等溫狀態而施加的冷卻功率(單位：毫瓦，mW)，在數值上就等于水泥在當前時刻的實時放熱速率。
 

　　儀器持續監測并記錄放熱速率(熱流)隨時間變化的曲線。對這條曲線進行積分(計算曲線下的面積)，即可得到從水化開始到任一時刻的累計放熱量(單位：焦耳，J)。
 

　　對應儀器系統構成(以等溫量熱儀為例)：
 

　　主機：包含一個或多個絕熱測試通道。
 

　　等溫艙：精密溫控系統，維持恒溫環境。
 

　　樣品盒：盛放水泥漿體的專用容器。
 

　　熱流傳感器：核心檢測元件，靈敏度高。
 

　　參考通道：放置惰性樣品，用于補償環境微小波動，提高信噪比。
 

　　數據采集與控制系統：計算機和軟件，用于控制實驗、實時顯示熱流曲線、自動計算和導出數據。
 

　　三、使用與操作流程(以溶解熱法為例)
 

　　準備工作：
 

　　儀器校準：對溫度計、天平等進行校準。
 

　　試劑準備：配制標準濃度的硝酸氫氟酸混合液。
 

　　樣品準備：稱取規定質量的未水化水泥試樣(m1)和用于水化的水泥試樣(m2)。
 

　　測試步驟：
 

　　基準溶解熱測定：
 

　　將酸液注入保溫瓶并穩定至規定溫度(如20°C)。
 

　　讀取初始溫度T1。
 

　　將未水化水泥樣品(m1)迅速加入酸中，勻速攪拌。
 

　　記錄溶解過程的溫度變化，直至穩定，讀取最終溫度T2。
 

　　計算Q1。
 

　　水化樣溶解熱測定：
 

　　將水泥樣品(m2)按規定水灰比拌合成漿，放入水化養護箱中養護至指定齡期。
 

　　將水化后的樣品破碎、研磨。
 

　　重復上述溶解步驟，測定Q2。
 

　　數據處理：
 

　　根據公式計算指定齡期的水化熱值。
 

　　計算結果與標準要求進行比對。
 

　　等溫量熱儀的操作則大為簡化：制備好水泥漿體后，注入樣品盒并立即放入儀器中，軟件即開始自動運行、記錄并處理數據，無需人工干預。
 

　　四、水泥水化熱試驗儀使用注意事項
 

　　安全第一(尤其針對溶解熱法)：
 

　　氫氟酸(HF)具有強腐蝕性和毒性，操作時必須佩戴耐酸手套、護目鏡、防護服，并在通風櫥內進行。
 

　　實驗室應備有應急沖洗設備和鈣 gluconate 凝膠(HF灼傷急救用)。
 

　　精度控制：
 

　　溫度測量：是關鍵，溫度計必須精準且定期校準。
 

　　絕熱性：確保保溫瓶性能良好，減少熱損失。
 

　　操作一致性：攪拌速度、加樣時間、樣品粒度等必須嚴格按照標準執行，以保證結果的重復性和可比性。
 

　　儀器維護：
 

　　每次實驗后及時清洗實驗容器，防止酸液殘留腐蝕。
 

　　定期對儀器進行整體檢查和性能驗證。