削峰剂对混凝土性能影响的研究

游 丘 林

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

大体积混凝土的主要开裂风险为温度开裂，其主要原因系由水泥水化在混凝土内部集中而造成混凝土内部温度过高，混凝土中心与表面、混凝土表面与环境形成较大的温差从而产生温度应力引起开裂。针对这类问题，常用的方法包括使用中低热水泥替代普硅水泥、通水冷却等，但其仅仅只能减少3 ℃～5 ℃的温度，大体积混凝土存在的开裂风险依然很大。为此，寻求其他更有效的措施非常必要。

低热水泥在水电站大坝混凝土中的应用较多并配合通水冷却的措施，利用了低热水泥早期放热量低及长龄期强度高的特点，但其成本高，对于市政、房建等工程施工节奏快、拆模时间早的混凝土结构适用性较低。掺加膨胀剂是近年来较为主流的混凝土防裂措施，但大多数膨胀剂由于其水化反应时间较快而导致其膨胀能在混凝土中存储量少，实际施工部位中的配筋率高、结构复杂进一步降低了其补偿收缩效果，导致混凝土实际膨胀率不到室内砂浆测试膨胀率的30%。

近年来，水化热抑制材料是一种能有效减少混凝土内部温升的手段，其作用原理主要是延缓水泥中的C3S水化速度，但其总的水化放热总量不会变化，对混凝土强度几乎不产生影响。相关文献调研显示：水化热抑制剂能推迟温峰时间6 h,最大温升可降低20.5 ℃[1]。其作用机理是：将其掺入到混凝土结构中会抑制水泥中硅酸三钙前1～2 d的水化速率, 减缓水泥水化热的释放速度[2]。在鄂北某水资源配置工程中，C25箱涵混凝土中采用了水化热抑制材料，使混凝土内部的最高温度削减了6 ℃，温峰延迟时间为13 h，有效控制了裂缝产生[3]。铁科院的相关研究表明：不同的水化热抑制剂可以显著降低水泥水化72 h累积放热,降低幅度为24.6%～62.2%，降低水泥水化放热速率,降低幅度为29.7%～77.6%，推迟水泥水化放热速率峰值出现的时间,推迟范围为3.2～16.4 h[4]。湖北白洋长江公路大桥主塔承台、锚碇和塔柱实心段部位使用了某种水化热抑制材料，但其水化热调控剂并未改变浆体水化产物组成,通过调控浆体水化放热进程,明显减小了混凝土早期水化放热的速率、水化放热量、水化程度和绝热温升,降低了自收缩率和干燥收缩率,削弱其开裂敏感性[5]。清水河试量泵站结构形式复杂且水平方向无分缝,属于超长超宽类结构,施工期易出现裂缝，且其部分结构在夏季浇筑,温控防裂难度很大。在将水化热抑制剂运用于温控防裂措施中,对比分析了掺入抑制剂后混凝土施工期温度场和应力场的变化，结果表明：掺入水化热抑制剂后,混凝土的水化反应速度减慢,浇筑块临空面和冷却水管可以有更加充分的时间散热,可以更好地控制混凝土的最高温度,且温控措施可以简化,所采用的有关措施可为类似工程提供借鉴[6]。某知名外加剂公司的一项研究表明：水化热抑制剂掺入到大体积混凝土后，可以改变混凝土的绝热温升曲线，并得出以下结论：水化热抑制剂可适当延缓大体积混凝土结构的温峰出现时间, 降低温峰值；水化热抑制剂减缓了混凝土容许抗拉强度的发展曲线，但不影响混凝土的最大容许抗拉强度；水化热抑制剂降低了混凝土早期温度应力峰值, 且后期温度应力均在容许抗拉强度范围内, 有利于降低大体积混凝土的温度开裂风险[7]。但上述研究虽然提及水化热抑制材料具有降低温峰的优势，但少有该材料对混凝土早期强度的影响研究。

此次研究基于金堂韩滩大桥的承台C40混凝土，开展了掺一种新型水化热抑制材料(削峰剂)对混凝土早期力学性能、后期力学性能、耐久性及对混凝土内部温升的影响研究。

2 温升削减效果试验模型影响研究

针对掺入削峰剂对混凝土温升取得的削减效果，采用半绝热温升试验模拟实际工况。为了更好地模拟实际工程的升温与降温过程，试验人员制作了一个五面保温、一面临空的浇筑试模。保温材料选用厚度为50 mm的XPS挤塑式聚苯乙烯保温板。为了保证混凝土浇筑后前期的保温效果，其侧面与底面均采用两层保温(共计100 mm厚)，混凝土保温试模布置情况见图1，尽量保证散热热桥不连通。该试模内部容纳混凝土的空间尺寸为450 mm×450 mm×450 mm。

图1 混凝土保温试模布置图

此外，为了进一步保证保温效果，试模拼装完成后，在其内表面铺贴了一层锡纸以避免保温板内部微细孔隙导致的热量散失，同时起到热反射作用。贴完锡纸后，在浇筑混凝土前，在其内表面再铺一层塑料薄膜以防止混凝土浇筑时漏浆并可保护保温板内壁，使模具可以重复使用。考虑到混凝土硬化过程中产生的体积膨胀，用胶带对试模外围进行缠绕，并在试模外围设置了三道角钢围护。组装好的混凝土保温试模见图2。

图2 组装好的混凝土保温试模示意图

试验过程的温度监测采用QJ-1型便携式温度自动监测仪。试验开始前，为保证监测数据的准确性，对每一个温度测头进行了校准：将温度测头与标准温度计同时放入不同温度的水中记录二者读数的差值(标准温度计读数减测温仪器读数)。温度测头与标准温度计读数偏差见图3。

图3 温度测头与标准温度计读数偏差示意图

由上述可见，其总体偏差为+0.5 ℃～-0.5 ℃，仅有4个点在范围外，且仅有3个点超过1 ℃误差，其余4个点均在1 ℃误差范围内，故对本次温度测头读数暂不修正。

图4为该试验混凝土正方体试块(450×450×450)mm的俯视图，温度测头的布点考虑到中心部位不同深度的布设，主要有正中心、垂线中心和对角线中心，混凝土正方体试块测温线布点俯视情况见图4。温度线布置情况见图5。对角线埋设了2个，其中一个距离底部15 cm、一个距离上表面15 cm；中心位置埋设了1个。

图4 混凝土正方体试块测温线布点俯视图

图5 温度线布置图

3 原材料及配合比

试验中采用的混凝土配合比为该工程采用的C40承台混凝土配合比，试验材料与现场原材料保持一致。

水泥为拉法基P.O. 42.5水泥、嘉华PLH42.5低热水泥。低热水泥物理力学性能检测结果见表1，普硅水泥物理力学性能测试结果见表2。低热水泥早期强度低，但其7 d到28 d的强度几乎增长了一倍；粉煤灰为Ⅱ级灰，掺量为30%，粉煤灰检测结果见表3，粉煤灰密度较大且其在28 d内的强度增长缓慢；减水剂为苏博特PCA-1 高性能聚羧酸减水剂，掺量为1.4%，减水剂检测结果见表4；细骨料采用机制砂，砂率为40%；粗骨料级配为二级配，小石直径为5～10 mm，中石直径为20～40 mm，小石∶大石=6∶4；该混凝土设计容重约为2400 kg/m3，设计方案为泵送混凝土。骨料外观见图6。

表1 低热水泥物理力学性能检测结果表

表2 普硅水泥物理力学性能测试结果表

表3 粉煤灰检测结果表

表4 减水剂检测结果表

表5 机制砂性能表

粗骨料 细骨料图6 骨料外观图

对比试验混凝土配合比见表6，削峰剂为外掺，掺量为胶凝材料的1%。

表6 对比试验混凝土配合比表 /kg

每个试模的容积为450 mm×450 mm×450 mm≈92 L，每次搅拌30 L，每个试模分3锅搅拌，共搅拌90 L。出机后，先测试坍落度、容重并成型3个龄期(3 d、7 d、28 d)的抗压强度试块。混凝土温度测头埋设情况见图7。为了保证混凝土浇筑后其前期的升温幅度，将温度测头布置好后，在试模顶部加盖一层5 mm厚的保温板并用胶带密封一圈。

图7 混凝土温度测头埋设示意图

承台混凝土的中心温度为理论最大值且其散热很慢。为了模拟该部位的温度，本次测试采用试模全程封闭测试——即不掀开顶部的保温板。

4 混凝土性能

4.1 拌合物性能及抗压强度

混凝土的坍落度以及其3 d、7 d和28 d抗压强度、28 d抗冻及抗渗性能测试结果见表7，由表7可见：掺入1%的削峰剂后混凝土坍落度增加了10～20 mm，其3 d强度可达不掺削峰剂混凝土强度的96%，28 d强度可达104%，耐久性略有提高。混凝土拌合物性能与抗压强度见表7。

表7 混凝土拌合物性能与抗压强度表

4.2 内部温度变化

将普硅水泥方案的正中心与削峰剂方案正中心修正后的温度发展曲线及温升速率绘制成图，试样正中心温度发展曲线对比情况见图8，各种配比温升速率见图9。各编号的温度线对应的温峰值与温峰时间列表对比试验测温结果见表8。由此可见，掺入削峰剂后混凝土的早期(30 h以内)温升速度降低，最高温度出现的时间延长了15 h左右，在普硅水泥体系下其中心最高温度降低12 ℃；既使采用普硅水泥加削峰剂的体系与纯低热水泥体系相比亦可降低中心最高温度约6 ℃。削峰剂的使用延缓了水泥30 h以内的水化速度，使混凝土升温速度降低。而在混凝土温度逐渐上升过程中，掺削峰剂的混凝土水化速度逐渐上升，并能够保证混凝土的早期(3 d)强度并不降低，削峰剂的使用对混凝土水化的总放热量和水化产物并未产生影响。

图8 试样正中心温度发展曲线对比图

图9 各种配比温升速率图

表8 对比试验测温结果表

5 结 语

在混凝土中掺入1%的削峰剂可以使混凝土的早期放热速率降低，延长温峰出现的时间为15 h左右，可以降低大体积混凝土的最高温度10 ℃～15 ℃，温峰削减幅度比低热水泥更大，且其对混凝土早期强度无不利影响，对模板拆除的影响较小，能够使混凝土的后期强度及耐久性略有增加。研究结果表明：掺入削峰剂可以提高混凝土的抗裂性。