水化熱抑制劑對大體積混凝土性能影響的研究

張曉果，楊進波，劉虎

（武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083）

水化熱抑制劑對大體積混凝土性能影響的研究

張曉果，楊進波，劉虎

（武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083）

本文將一種自制水化熱抑制劑使用于水泥凈漿和混凝土，研究其對水泥凈漿和混凝土溫升曲線的影響，并模擬工程大體積混凝土試驗，研究其對大體積混凝土內(nèi)部溫度、施工性能和抗壓強度的影響。結(jié)果表明，與空白對比，摻自制水化熱抑制劑能降低大體積混凝土中心溫度9.2℃，降低大體積混凝土中心與表面溫度差5℃，并能優(yōu)化混凝土施工性能和提高14天、28天齡期的抗壓強度。

水化熱抑制劑；大體積混凝土；溫峰；坍落度；抗壓強度

0 前言

隨著中國交通基建的快速發(fā)展，大體積混凝土越來越廣泛應用于橋梁結(jié)構(gòu)中。當前大體積混凝土由于水化熱而引起的溫度裂縫已成為人們極為關(guān)注的工程問題之一。大體積混凝土由于體積大，水泥性能變化（水泥顆粒細和C3S含量高），水化熱集中釋放，導致混凝土內(nèi)部溫度過高。在大體積混凝土降溫過程中，由于水化熱過大而導致溫度裂縫產(chǎn)生的幾率大大增加，這樣會降低混凝土的承載能力，影響混凝土的耐久性，造成橋梁安全隱患，危害極大[1-3]。如何合理有效地降低大體積混凝土水化熱具有重要的工程意義。

混凝土水化熱抑制劑，是針對降低大體積、高強度等級混凝土內(nèi)部水化溫度而研發(fā)的一種新型混凝土外加劑。其作用機理是在堿性環(huán)境下逐步溶解，在水泥粒子及水化產(chǎn)物表面吸附，從而抑制水泥加速期的水化。同時，由于其在堿性溶液中溶解量很小，可以不斷地進行溶解和吸附，使水泥的水化反應逐步進行，以達到對水化反應調(diào)控的目的。與傳統(tǒng)緩凝劑相比最顯著的區(qū)別在于：緩凝劑對削弱放熱速率和溫度峰值并無明顯作用；水化熱抑制劑能大幅緩解水泥水化集中放熱程度，降低溫峰，可以顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)的溫度開裂風險[4]。在實際膨脹混凝土工程中的應用研究已有報道：日本在上世紀九十年代末研制成功抑制水化熱的“電化CSA100R”[5]、中國建筑材料科學研究總院研制的抑制水化熱型混凝土膨脹劑 HCSA-R[6]、江蘇省建筑科學研究院有限公司研制的復合氧化鈣膨脹劑和水化熱調(diào)控材料的 HME-V 混凝土高效抗裂劑[7]。并且有報道稱混凝土水化熱抑制劑已經(jīng)成功應用于杭州灣跨海大橋工程中。

但水化熱抑制劑對混凝土主要性能的影響研究，以及模擬工程試驗研究報道很少。本試驗主要針對公司自制研發(fā)的混凝土水化熱抑制劑開展研究工作，研究其對凈漿溫升、小體積混凝土溫升、混凝土強度以及混凝土施工性能的影響，并重點研究了水化熱抑制劑對大體積混凝土內(nèi)部溫升的影響。以期對今后水化熱抑制劑在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的應用提供積極的工程參考價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

水泥：華新 P·O42.5 水泥；

粉煤灰：Ⅱ級；

礦粉：S95 礦粉；

減水劑：聚羧酸減水劑；

砂：中砂，含泥量小于 0.1%，細度模數(shù) 2.68；

石：5～31.5mm 連續(xù)級配，壓碎強度大于 120MPa；

水化熱抑制劑：1#～3# 為市售，改性淀粉類材料，4#為自制，多羥基羧酸酯。

試驗配合比見表 1。

表 1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗方法

1.2.1 凈漿溫升

采用自主組裝的水泥砂漿水化熱溫升測量裝置[8]測定 5個樣品凈漿溫升曲線。每次稱量基準膠凝材料量為 1.5 kg，水灰比固定為 0.35。

1.2.2 混凝土溫升

實驗室小體積混凝土溫升曲線監(jiān)測：采用自主組裝的混凝土溫升試驗保溫盒[9]對混凝土進行保溫，采用多路數(shù)據(jù)采集儀對混凝土拌合物進行連續(xù)溫升監(jiān)測，待溫度降至室溫后拆模。試件尺寸為 550mm×500mm×500mm。

1.2.3 凈漿流動度

按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》中試驗方法測定水泥凈漿流動度和 1h 流動度損失。

1.2.4 混凝土抗壓強度、1h坍落度變化

按照 GB 8076—2008《混凝土外加劑》中規(guī)定試驗方法測定混凝土抗壓強度和 1h 坍落度變化。

1.2.5 大體積混凝土試驗方法

模擬工程承臺大體積混凝土試驗：按照預拌混凝土過程進行生產(chǎn)并澆筑兩個試塊，試塊尺寸均為 3m×3m×3m，一個按 C40 生產(chǎn)配合比進行澆筑作空白對比，另一個在該生產(chǎn)配合比的基礎(chǔ)上摻入自制的“水化熱抑制劑”進行澆筑，本試驗主要測試兩個試塊的內(nèi)部溫度，并分別留樣測試其工作性能及強度。溫度測點采用預埋式測溫線埋置在大體積混凝土內(nèi)，采用混凝土測溫儀進行數(shù)據(jù)采集。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水化熱抑制劑對水泥凈漿溫升的影響

摻有不同水化熱抑制劑的水泥凈漿溫升曲線見圖 1，具體溫峰值及到達溫峰的時間見表 2。結(jié)合圖 1 和表 2 的數(shù)據(jù)可以看出，水泥凈漿加入水化熱抑制劑后，溫峰出現(xiàn)時間都有明顯的延遲，這是由于水化熱抑制劑延長了水泥漿體的水化進程。1#～4# 樣品都能不同程度降低水泥凈漿的溫峰，這證明水化熱抑制劑能有效地延緩膨脹砂漿中膠凝材料的早期水化進程，削減內(nèi)部集中放熱。而是 4# 樣品不僅能夠延緩膠凝材料的水化進程，還能很明顯降低溫峰，與空白對比溫峰可以降低 25℃，對消減內(nèi)部集中放熱有明顯的效果。但摻入市售的 3 種水化熱抑制劑，溫度上升曲線陡峭，集中放熱的效果仍比較明顯。

圖 1 空白及摻水化熱抑制劑水泥凈漿溫升曲線

表 2 水化熱抑制劑對水泥凈漿溫峰影響

2.2 水化熱抑制劑對混凝土溫升的影響

結(jié)合圖 2 和表 3 數(shù)據(jù)可以看出，摻水化熱抑制劑后，混凝土溫峰出現(xiàn)時間都有明顯延遲，但與在水泥凈漿中表現(xiàn)有所差異，延長時間增加，降溫趨勢也有變化，這是由于在復雜的混凝土材料體系內(nèi)水化熱抑制劑被綜合影響的結(jié)果。在混凝土膠凝體系內(nèi)水泥是最主要的材料，所以研究水化熱抑制劑對水泥凈漿的影響在一定程度上可以反映水化熱抑制劑的效果，但不能全面反映其在混凝土的作用，需要再針對不同的膠凝體系做適應性研究。4# 樣品對混凝土降溫效果明顯，在混凝土空白溫峰到達近 60℃ 時，可以降低溫峰6.9℃。溫度曲線比空白變得更平緩，說明加入水化熱抑制劑后升溫速率降低，這樣有利于降低溫峰。

圖 2 空白及摻水化熱抑制劑混凝土溫升曲線

表 3 水化熱抑制劑對混凝土溫峰影響

2.3 模擬大體積混凝土試驗數(shù)據(jù)與分析

模擬的兩個大體積混凝土試塊均為立方體結(jié)構(gòu)，具有對稱性，故現(xiàn)場溫度傳感器布置在縱向中心線上，從混凝土表面開始布點每隔 0.75m 布一測量點，混凝土底部不布點，如圖 3 所示。由于混凝土表面溫度受大氣影響變化較大，不能準確反映出水化熱溫度。故大體積表面溫度（A 點）為距混凝土表面 3cm 處溫度。

圖 3 溫度傳感器布點位置

表 4 混凝土坍落度和擴展度

表 4 為空白及摻水化熱抑制劑混凝土的坍落度和坍落擴展度，從表中可知，與空白混凝土相比，摻有水化熱抑制劑的混凝土初始坍落度和坍落擴展度接近，而 1h 后其坍落度和坍落擴展度損失都小，說明摻有水化熱抑制劑的混凝土工作性能變好。這是由于水化熱抑制劑延緩了膠凝材料的水化進程。

圖 4 實測空白大體積混凝土各點溫度變化曲線

由圖 4、5 可知，空白混凝土水化熱溫升在早期（前20h）上升很快，而摻水化熱抑制劑混凝土早期水化進程比較慢，30h 以后才開始快速水化。混凝土不同部位上升至最高溫度所需的時間基本相同。由圖 3、4 可知，混凝土中心距離越遠的測點溫度越底。說明混凝土中心越遠的測量點受氣溫的影響越大，熱量散失也就越多。

圖 6 空白與摻水化熱抑制劑大體積混凝土中心溫度變化曲線

由圖 6 可知，空白混凝土水化熱達到溫峰 54.9℃ 的時間在澆筑后第 42 小時，摻水化熱抑制劑混凝土水化熱達到溫峰45.7℃ 的時間在澆筑后第 70 小時。說明摻水化熱抑制劑混凝土中心溫度最高值比空白混凝土降低了 9.2℃，溫峰延遲 28小時。

從圖 7 可知，空白混凝土中心溫度與表面溫度差隨著水化進行而快速增大，當混凝土中心溫度達到峰值時二者溫差也達到最大值 16℃，而摻水化熱抑制劑混凝土中心溫度與表面溫度差最大值為 11℃。從防裂效果看，兩大體積混凝土均沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。但對比混凝土內(nèi)外溫差數(shù)據(jù)，說明大體積混凝土摻水化熱抑制劑后有利于降低出現(xiàn)溫度裂縫的風險。

圖 7 大體積混凝土中心和表面溫差變化曲線表 5 混凝土不同齡期的抗壓強度

齡期(d) 1 2 3 4 5 6 7 14 28空白 6.9 16.6 24.6 28.6 31.1 34.9 35.6 41.6 44.5摻水化熱抑制劑 5.2 12.4 22.5 27.3 32.0 34.9 35.4 43.2 47.4

從表 5 可知，摻水化熱抑制劑混凝土早期（4d）抗壓強度比空白混凝土略低，在第 5 天齡期時與空白混凝土持平，在第 14 天齡期時比空白混凝土強度提高 3.8%，在第 28 天齡期時提高 6.5%。這是由于水化熱抑制劑延長混凝土水化進程，有利于膠凝材料充分水化反應，提高了混凝土強度。

3 結(jié)論

（1）市售與自制水化熱抑制劑都具有延緩膠凝材料水化進程的作用，自制水化熱抑制劑對水泥凈漿及混凝土溫峰降低作用更明顯。

（2）模擬工程大體積混凝土時，摻自制水化熱抑制劑混凝土中心溫度要比空白混凝土降低 9.2℃，溫峰延遲 28 小時，其中心溫度與表面溫度最大值差值為 11℃，比空白混凝土降低了 5℃。說明自制水化熱抑制劑具有降低混凝土溫度裂縫的作用。

（3）摻自制水化熱抑制劑能夠降低混凝土 1h 的坍落度損失和坍落擴展度損失，提高混凝土的施工性能。雖然其早期抗壓強度會略低于空白，但在 14、28 天齡期時抗壓強度都高于空白。

[1]王鐵夢．建筑物的裂縫控制[M]．上海：上海科學技術(shù)出版社，1993．

[2]朱伯芳．大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]．北京：中國電力出版社，1999．

[3]徐建，劉釗，呂立超，等．承臺大體積混凝土水化熱溫度監(jiān)測分析[J]．甘肅科技，2011(3)∶ 97-98．

[4]陳大年．使用糊精作水化熱抑制劑的水工混凝土[J]．建材工業(yè)信息，1989,(1)∶ 4．

[5]日本電氣化學工業(yè)株式會社，游寶坤譯．“電氣”CSA100R [J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2008,(4)∶ 16-24．

[6]趙順增，劉立．抑制水化熱型混凝土膨脹劑HCSA-R的性能[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2010，(2)∶ 7-9．[7]賈福杰，張加奇，聶風義，等．水化熱抑制型膨脹劑HCSA-R 在工程中的應用[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2013,(1)∶5-8．

[8] 田倩，王育江，張守治，等．基于溫度場和膨脹歷程雙重調(diào)控的側(cè)墻結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)[J]．混凝土與水泥制品，2014,(5)∶20-24．

[9] 吳翠娥，劉虎，張曉果．水泥砂漿水化熱溫升測量裝置[P].中國：CN204789573U，2015-11-18．

[10] 金濤，曹佳棟．混凝土溫升實驗用保溫盒[P]．中國：CN204789572 U，2015-11-18．

［通訊地址］武漢市青山區(qū)工人村都市工業(yè)園（南）E 區(qū) 12號（430083）

張曉果（1987—），男，碩士。