水化热抑制剂对大体积混凝土性能影响的研究

张晓果，杨进波，刘虎

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083）

水化热抑制剂对大体积混凝土性能影响的研究

张晓果，杨进波，刘虎

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083）

本文将一种自制水化热抑制剂使用于水泥净浆和混凝土，研究其对水泥净浆和混凝土温升曲线的影响，并模拟工程大体积混凝土试验，研究其对大体积混凝土内部温度、施工性能和抗压强度的影响。结果表明，与空白对比，掺自制水化热抑制剂能降低大体积混凝土中心温度9.2℃，降低大体积混凝土中心与表面温度差5℃，并能优化混凝土施工性能和提高14天、28天龄期的抗压强度。

水化热抑制剂；大体积混凝土；温峰；坍落度；抗压强度

0 前言

随着中国交通基建的快速发展，大体积混凝土越来越广泛应用于桥梁结构中。当前大体积混凝土由于水化热而引起的温度裂缝已成为人们极为关注的工程问题之一。大体积混凝土由于体积大，水泥性能变化（水泥颗粒细和C3S含量高），水化热集中释放，导致混凝土内部温度过高。在大体积混凝土降温过程中，由于水化热过大而导致温度裂缝产生的几率大大增加，这样会降低混凝土的承载能力，影响混凝土的耐久性，造成桥梁安全隐患，危害极大[1-3]。如何合理有效地降低大体积混凝土水化热具有重要的工程意义。

混凝土水化热抑制剂，是针对降低大体积、高强度等级混凝土内部水化温度而研发的一种新型混凝土外加剂。其作用机理是在碱性环境下逐步溶解，在水泥粒子及水化产物表面吸附，从而抑制水泥加速期的水化。同时，由于其在碱性溶液中溶解量很小，可以不断地进行溶解和吸附，使水泥的水化反应逐步进行，以达到对水化反应调控的目的。与传统缓凝剂相比最显著的区别在于：缓凝剂对削弱放热速率和温度峰值并无明显作用；水化热抑制剂能大幅缓解水泥水化集中放热程度，降低温峰，可以显著降低混凝土结构的温度开裂风险[4]。在实际膨胀混凝土工程中的应用研究已有报道：日本在上世纪九十年代末研制成功抑制水化热的“电化CSA100R”[5]、中国建筑材料科学研究总院研制的抑制水化热型混凝土膨胀剂 HCSA-R[6]、江苏省建筑科学研究院有限公司研制的复合氧化钙膨胀剂和水化热调控材料的 HME-V 混凝土高效抗裂剂[7]。并且有报道称混凝土水化热抑制剂已经成功应用于杭州湾跨海大桥工程中。

但水化热抑制剂对混凝土主要性能的影响研究，以及模拟工程试验研究报道很少。本试验主要针对公司自制研发的混凝土水化热抑制剂开展研究工作，研究其对净浆温升、小体积混凝土温升、混凝土强度以及混凝土施工性能的影响，并重点研究了水化热抑制剂对大体积混凝土内部温升的影响。以期对今后水化热抑制剂在大体积混凝土结构中的应用提供积极的工程参考价值。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

水泥：华新 P·O42.5 水泥；

粉煤灰：Ⅱ级；

矿粉：S95 矿粉；

减水剂：聚羧酸减水剂；

砂：中砂，含泥量小于 0.1%，细度模数 2.68；

石：5～31.5mm 连续级配，压碎强度大于 120MPa；

水化热抑制剂：1#～3# 为市售，改性淀粉类材料，4#为自制，多羟基羧酸酯。

试验配合比见表 1。

表 1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验方法

1.2.1 净浆温升

采用自主组装的水泥砂浆水化热温升测量装置[8]测定 5个样品净浆温升曲线。每次称量基准胶凝材料量为 1.5 kg，水灰比固定为 0.35。

1.2.2 混凝土温升

实验室小体积混凝土温升曲线监测：采用自主组装的混凝土温升试验保温盒[9]对混凝土进行保温，采用多路数据采集仪对混凝土拌合物进行连续温升监测，待温度降至室温后拆模。试件尺寸为 550mm×500mm×500mm。

1.2.3 净浆流动度

按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中试验方法测定水泥净浆流动度和 1h 流动度损失。

1.2.4 混凝土抗压强度、1h坍落度变化

按照 GB 8076—2008《混凝土外加剂》中规定试验方法测定混凝土抗压强度和 1h 坍落度变化。

1.2.5 大体积混凝土试验方法

模拟工程承台大体积混凝土试验：按照预拌混凝土过程进行生产并浇筑两个试块，试块尺寸均为 3m×3m×3m，一个按 C40 生产配合比进行浇筑作空白对比，另一个在该生产配合比的基础上掺入自制的“水化热抑制剂”进行浇筑，本试验主要测试两个试块的内部温度，并分别留样测试其工作性能及强度。温度测点采用预埋式测温线埋置在大体积混凝土内，采用混凝土测温仪进行数据采集。

2 试验结果与分析

2.1 水化热抑制剂对水泥净浆温升的影响

掺有不同水化热抑制剂的水泥净浆温升曲线见图 1，具体温峰值及到达温峰的时间见表 2。结合图 1 和表 2 的数据可以看出，水泥净浆加入水化热抑制剂后，温峰出现时间都有明显的延迟，这是由于水化热抑制剂延长了水泥浆体的水化进程。1#～4# 样品都能不同程度降低水泥净浆的温峰，这证明水化热抑制剂能有效地延缓膨胀砂浆中胶凝材料的早期水化进程，削减内部集中放热。而是 4# 样品不仅能够延缓胶凝材料的水化进程，还能很明显降低温峰，与空白对比温峰可以降低 25℃，对消减内部集中放热有明显的效果。但掺入市售的 3 种水化热抑制剂，温度上升曲线陡峭，集中放热的效果仍比较明显。

图 1 空白及掺水化热抑制剂水泥净浆温升曲线

表 2 水化热抑制剂对水泥净浆温峰影响

2.2 水化热抑制剂对混凝土温升的影响

结合图 2 和表 3 数据可以看出，掺水化热抑制剂后，混凝土温峰出现时间都有明显延迟，但与在水泥净浆中表现有所差异，延长时间增加，降温趋势也有变化，这是由于在复杂的混凝土材料体系内水化热抑制剂被综合影响的结果。在混凝土胶凝体系内水泥是最主要的材料，所以研究水化热抑制剂对水泥净浆的影响在一定程度上可以反映水化热抑制剂的效果，但不能全面反映其在混凝土的作用，需要再针对不同的胶凝体系做适应性研究。4# 样品对混凝土降温效果明显，在混凝土空白温峰到达近 60℃ 时，可以降低温峰6.9℃。温度曲线比空白变得更平缓，说明加入水化热抑制剂后升温速率降低，这样有利于降低温峰。

图 2 空白及掺水化热抑制剂混凝土温升曲线

表 3 水化热抑制剂对混凝土温峰影响

2.3 模拟大体积混凝土试验数据与分析

模拟的两个大体积混凝土试块均为立方体结构，具有对称性，故现场温度传感器布置在纵向中心线上，从混凝土表面开始布点每隔 0.75m 布一测量点，混凝土底部不布点，如图 3 所示。由于混凝土表面温度受大气影响变化较大，不能准确反映出水化热温度。故大体积表面温度（A 点）为距混凝土表面 3cm 处温度。

图 3 温度传感器布点位置

表 4 混凝土坍落度和扩展度

表 4 为空白及掺水化热抑制剂混凝土的坍落度和坍落扩展度，从表中可知，与空白混凝土相比，掺有水化热抑制剂的混凝土初始坍落度和坍落扩展度接近，而 1h 后其坍落度和坍落扩展度损失都小，说明掺有水化热抑制剂的混凝土工作性能变好。这是由于水化热抑制剂延缓了胶凝材料的水化进程。

图 4 实测空白大体积混凝土各点温度变化曲线

由图 4、5 可知，空白混凝土水化热温升在早期（前20h）上升很快，而掺水化热抑制剂混凝土早期水化进程比较慢，30h 以后才开始快速水化。混凝土不同部位上升至最高温度所需的时间基本相同。由图 3、4 可知，混凝土中心距离越远的测点温度越底。说明混凝土中心越远的测量点受气温的影响越大，热量散失也就越多。

图 6 空白与掺水化热抑制剂大体积混凝土中心温度变化曲线

由图 6 可知，空白混凝土水化热达到温峰 54.9℃ 的时间在浇筑后第 42 小时，掺水化热抑制剂混凝土水化热达到温峰45.7℃ 的时间在浇筑后第 70 小时。说明掺水化热抑制剂混凝土中心温度最高值比空白混凝土降低了 9.2℃，温峰延迟 28小时。

从图 7 可知，空白混凝土中心温度与表面温度差随着水化进行而快速增大，当混凝土中心温度达到峰值时二者温差也达到最大值 16℃，而掺水化热抑制剂混凝土中心温度与表面温度差最大值为 11℃。从防裂效果看，两大体积混凝土均没有发现裂缝。但对比混凝土内外温差数据，说明大体积混凝土掺水化热抑制剂后有利于降低出现温度裂缝的风险。

图 7 大体积混凝土中心和表面温差变化曲线表 5 混凝土不同龄期的抗压强度

龄期(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掺水化热抑制剂 5.2 12.4 22.5 27.3 32.0 34.9 35.4 43.2 47.4

从表 5 可知，掺水化热抑制剂混凝土早期（4d）抗压强度比空白混凝土略低，在第 5 天龄期时与空白混凝土持平，在第 14 天龄期时比空白混凝土强度提高 3.8%，在第 28 天龄期时提高 6.5%。这是由于水化热抑制剂延长混凝土水化进程，有利于胶凝材料充分水化反应，提高了混凝土强度。

3 结论

（1）市售与自制水化热抑制剂都具有延缓胶凝材料水化进程的作用，自制水化热抑制剂对水泥净浆及混凝土温峰降低作用更明显。

（2）模拟工程大体积混凝土时，掺自制水化热抑制剂混凝土中心温度要比空白混凝土降低 9.2℃，温峰延迟 28 小时，其中心温度与表面温度最大值差值为 11℃，比空白混凝土降低了 5℃。说明自制水化热抑制剂具有降低混凝土温度裂缝的作用。

（3）掺自制水化热抑制剂能够降低混凝土 1h 的坍落度损失和坍落扩展度损失，提高混凝土的施工性能。虽然其早期抗压强度会略低于空白，但在 14、28 天龄期时抗压强度都高于空白。

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［通讯地址］武汉市青山区工人村都市工业园（南）E 区 12号（430083）

张晓果（1987—），男，硕士。