削峰劑對混凝土性能影響的研究

游 丘 林

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

大體積混凝土的主要開裂風(fēng)險為溫度開裂，其主要原因系由水泥水化在混凝土內(nèi)部集中而造成混凝土內(nèi)部溫度過高，混凝土中心與表面、混凝土表面與環(huán)境形成較大的溫差從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力引起開裂。針對這類問題，常用的方法包括使用中低熱水泥替代普硅水泥、通水冷卻等，但其僅僅只能減少3 ℃～5 ℃的溫度，大體積混凝土存在的開裂風(fēng)險依然很大。為此，尋求其他更有效的措施非常必要。

低熱水泥在水電站大壩混凝土中的應(yīng)用較多并配合通水冷卻的措施，利用了低熱水泥早期放熱量低及長齡期強度高的特點，但其成本高，對于市政、房建等工程施工節(jié)奏快、拆模時間早的混凝土結(jié)構(gòu)適用性較低。摻加膨脹劑是近年來較為主流的混凝土防裂措施，但大多數(shù)膨脹劑由于其水化反應(yīng)時間較快而導(dǎo)致其膨脹能在混凝土中存儲量少，實際施工部位中的配筋率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜進一步降低了其補償收縮效果，導(dǎo)致混凝土實際膨脹率不到室內(nèi)砂漿測試膨脹率的30%。

近年來，水化熱抑制材料是一種能有效減少混凝土內(nèi)部溫升的手段，其作用原理主要是延緩水泥中的C3S水化速度，但其總的水化放熱總量不會變化，對混凝土強度幾乎不產(chǎn)生影響。相關(guān)文獻調(diào)研顯示：水化熱抑制劑能推遲溫峰時間6 h,最大溫升可降低20.5 ℃[1]。其作用機理是：將其摻入到混凝土結(jié)構(gòu)中會抑制水泥中硅酸三鈣前1～2 d的水化速率, 減緩水泥水化熱的釋放速度[2]。在鄂北某水資源配置工程中，C25箱涵混凝土中采用了水化熱抑制材料，使混凝土內(nèi)部的最高溫度削減了6 ℃，溫峰延遲時間為13 h，有效控制了裂縫產(chǎn)生[3]。鐵科院的相關(guān)研究表明：不同的水化熱抑制劑可以顯著降低水泥水化72 h累積放熱,降低幅度為24.6%～62.2%，降低水泥水化放熱速率,降低幅度為29.7%～77.6%，推遲水泥水化放熱速率峰值出現(xiàn)的時間,推遲范圍為3.2～16.4 h[4]。湖北白洋長江公路大橋主塔承臺、錨碇和塔柱實心段部位使用了某種水化熱抑制材料，但其水化熱調(diào)控劑并未改變漿體水化產(chǎn)物組成,通過調(diào)控漿體水化放熱進程,明顯減小了混凝土早期水化放熱的速率、水化放熱量、水化程度和絕熱溫升,降低了自收縮率和干燥收縮率,削弱其開裂敏感性[5]。清水河試量泵站結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且水平方向無分縫,屬于超長超寬類結(jié)構(gòu),施工期易出現(xiàn)裂縫，且其部分結(jié)構(gòu)在夏季澆筑,溫控防裂難度很大。在將水化熱抑制劑運用于溫控防裂措施中,對比分析了摻入抑制劑后混凝土施工期溫度場和應(yīng)力場的變化，結(jié)果表明：摻入水化熱抑制劑后,混凝土的水化反應(yīng)速度減慢,澆筑塊臨空面和冷卻水管可以有更加充分的時間散熱,可以更好地控制混凝土的最高溫度,且溫控措施可以簡化,所采用的有關(guān)措施可為類似工程提供借鑒[6]。某知名外加劑公司的一項研究表明：水化熱抑制劑摻入到大體積混凝土后，可以改變混凝土的絕熱溫升曲線，并得出以下結(jié)論：水化熱抑制劑可適當(dāng)延緩大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫峰出現(xiàn)時間, 降低溫峰值；水化熱抑制劑減緩了混凝土容許抗拉強度的發(fā)展曲線，但不影響混凝土的最大容許抗拉強度；水化熱抑制劑降低了混凝土早期溫度應(yīng)力峰值, 且后期溫度應(yīng)力均在容許抗拉強度范圍內(nèi), 有利于降低大體積混凝土的溫度開裂風(fēng)險[7]。但上述研究雖然提及水化熱抑制材料具有降低溫峰的優(yōu)勢，但少有該材料對混凝土早期強度的影響研究。

此次研究基于金堂韓灘大橋的承臺C40混凝土，開展了摻一種新型水化熱抑制材料(削峰劑)對混凝土早期力學(xué)性能、后期力學(xué)性能、耐久性及對混凝土內(nèi)部溫升的影響研究。

2 溫升削減效果試驗?zāi)Ｐ陀绊懷芯?/h2>

針對摻入削峰劑對混凝土溫升取得的削減效果，采用半絕熱溫升試驗?zāi)M實際工況。為了更好地模擬實際工程的升溫與降溫過程，試驗人員制作了一個五面保溫、一面臨空的澆筑試模。保溫材料選用厚度為50 mm的XPS擠塑式聚苯乙烯保溫板。為了保證混凝土澆筑后前期的保溫效果，其側(cè)面與底面均采用兩層保溫(共計100 mm厚)，混凝土保溫試模布置情況見圖1，盡量保證散熱熱橋不連通。該試模內(nèi)部容納混凝土的空間尺寸為450 mm×450 mm×450 mm。

圖1 混凝土保溫試模布置圖

此外，為了進一步保證保溫效果，試模拼裝完成后，在其內(nèi)表面鋪貼了一層錫紙以避免保溫板內(nèi)部微細(xì)孔隙導(dǎo)致的熱量散失，同時起到熱反射作用。貼完錫紙后，在澆筑混凝土前，在其內(nèi)表面再鋪一層塑料薄膜以防止混凝土澆筑時漏漿并可保護保溫板內(nèi)壁，使模具可以重復(fù)使用?？紤]到混凝土硬化過程中產(chǎn)生的體積膨脹，用膠帶對試模外圍進行纏繞，并在試模外圍設(shè)置了三道角鋼圍護。組裝好的混凝土保溫試模見圖2。

圖2 組裝好的混凝土保溫試模示意圖

試驗過程的溫度監(jiān)測采用QJ-1型便攜式溫度自動監(jiān)測儀。試驗開始前，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對每一個溫度測頭進行了校準(zhǔn)：將溫度測頭與標(biāo)準(zhǔn)溫度計同時放入不同溫度的水中記錄二者讀數(shù)的差值(標(biāo)準(zhǔn)溫度計讀數(shù)減測溫儀器讀數(shù))。溫度測頭與標(biāo)準(zhǔn)溫度計讀數(shù)偏差見圖3。

圖3 溫度測頭與標(biāo)準(zhǔn)溫度計讀數(shù)偏差示意圖

由上述可見，其總體偏差為+0.5 ℃～-0.5 ℃，僅有4個點在范圍外，且僅有3個點超過1 ℃誤差，其余4個點均在1 ℃誤差范圍內(nèi)，故對本次溫度測頭讀數(shù)暫不修正。

圖4為該試驗混凝土正方體試塊(450×450×450)mm的俯視圖，溫度測頭的布點考慮到中心部位不同深度的布設(shè)，主要有正中心、垂線中心和對角線中心，混凝土正方體試塊測溫線布點俯視情況見圖4。溫度線布置情況見圖5。對角線埋設(shè)了2個，其中一個距離底部15 cm、一個距離上表面15 cm；中心位置埋設(shè)了1個。

圖4 混凝土正方體試塊測溫線布點俯視圖

圖5 溫度線布置圖

3 原材料及配合比

試驗中采用的混凝土配合比為該工程采用的C40承臺混凝土配合比，試驗材料與現(xiàn)場原材料保持一致。

水泥為拉法基P.O. 42.5水泥、嘉華PLH42.5低熱水泥。低熱水泥物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1，普硅水泥物理力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。低熱水泥早期強度低，但其7 d到28 d的強度幾乎增長了一倍；粉煤灰為Ⅱ級灰，摻量為30%，粉煤灰檢測結(jié)果見表3，粉煤灰密度較大且其在28 d內(nèi)的強度增長緩慢；減水劑為蘇博特PCA-1 高性能聚羧酸減水劑，摻量為1.4%，減水劑檢測結(jié)果見表4；細(xì)骨料采用機制砂，砂率為40%；粗骨料級配為二級配，小石直徑為5～10 mm，中石直徑為20～40 mm，小石∶大石=6∶4；該混凝土設(shè)計容重約為2400 kg/m3，設(shè)計方案為泵送混凝土。骨料外觀見圖6。

表1 低熱水泥物理力學(xué)性能檢測結(jié)果表

表2 普硅水泥物理力學(xué)性能測試結(jié)果表

表3 粉煤灰檢測結(jié)果表

表4 減水劑檢測結(jié)果表

表5 機制砂性能表

粗骨料 細(xì)骨料圖6 骨料外觀圖

對比試驗混凝土配合比見表6，削峰劑為外摻，摻量為膠凝材料的1%。

表6 對比試驗混凝土配合比表 /kg

每個試模的容積為450 mm×450 mm×450 mm≈92 L，每次攪拌30 L，每個試模分3鍋攪拌，共攪拌90 L。出機后，先測試坍落度、容重并成型3個齡期(3 d、7 d、28 d)的抗壓強度試塊?；炷翜囟葴y頭埋設(shè)情況見圖7。為了保證混凝土澆筑后其前期的升溫幅度，將溫度測頭布置好后，在試模頂部加蓋一層5 mm厚的保溫板并用膠帶密封一圈。

圖7 混凝土溫度測頭埋設(shè)示意圖

承臺混凝土的中心溫度為理論最大值且其散熱很慢。為了模擬該部位的溫度，本次測試采用試模全程封閉測試——即不掀開頂部的保溫板。

4 混凝土性能

4.1 拌合物性能及抗壓強度

混凝土的坍落度以及其3 d、7 d和28 d抗壓強度、28 d抗凍及抗?jié)B性能測試結(jié)果見表7，由表7可見：摻入1%的削峰劑后混凝土坍落度增加了10～20 mm，其3 d強度可達不摻削峰劑混凝土強度的96%，28 d強度可達104%，耐久性略有提高。混凝土拌合物性能與抗壓強度見表7。

表7 混凝土拌合物性能與抗壓強度表

4.2 內(nèi)部溫度變化

將普硅水泥方案的正中心與削峰劑方案正中心修正后的溫度發(fā)展曲線及溫升速率繪制成圖，試樣正中心溫度發(fā)展曲線對比情況見圖8，各種配比溫升速率見圖9。各編號的溫度線對應(yīng)的溫峰值與溫峰時間列表對比試驗測溫結(jié)果見表8。由此可見，摻入削峰劑后混凝土的早期(30 h以內(nèi))溫升速度降低，最高溫度出現(xiàn)的時間延長了15 h左右，在普硅水泥體系下其中心最高溫度降低12 ℃；既使采用普硅水泥加削峰劑的體系與純低熱水泥體系相比亦可降低中心最高溫度約6 ℃。削峰劑的使用延緩了水泥30 h以內(nèi)的水化速度，使混凝土升溫速度降低。而在混凝土溫度逐漸上升過程中，摻削峰劑的混凝土水化速度逐漸上升，并能夠保證混凝土的早期(3 d)強度并不降低，削峰劑的使用對混凝土水化的總放熱量和水化產(chǎn)物并未產(chǎn)生影響。

圖8 試樣正中心溫度發(fā)展曲線對比圖

圖9 各種配比溫升速率圖

表8 對比試驗測溫結(jié)果表

5 結(jié) 語

在混凝土中摻入1%的削峰劑可以使混凝土的早期放熱速率降低，延長溫峰出現(xiàn)的時間為15 h左右，可以降低大體積混凝土的最高溫度10 ℃～15 ℃，溫峰削減幅度比低熱水泥更大，且其對混凝土早期強度無不利影響，對模板拆除的影響較小，能夠使混凝土的后期強度及耐久性略有增加。研究結(jié)果表明：摻入削峰劑可以提高混凝土的抗裂性。