潘利，徐文，王育江，王茂宇，胡敏

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103）

0 引言

水電、橋梁、隧道等大型工程中，混凝土由于其體積大、溫升快、內(nèi)外溫差大等特點(diǎn)，很容易產(chǎn)生開裂[1]。通常需控制混凝土內(nèi)部溫升及溫降階段因收縮而導(dǎo)致的開裂，主要措施包括在混凝土中預(yù)設(shè)冷卻水管、選用中低熱硅酸鹽水泥、摻入粉煤灰等輔助性膠凝材料部分取代水泥等[2-4]。中熱硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱中熱水泥）具有低水化熱、高M(jìn)gO含量等特點(diǎn)，相較于普通硅酸鹽水泥（以下簡(jiǎn)稱普硅水泥），其早期放熱量更低、放熱速率更慢，而且中熱水泥中的MgO在后期會(huì)緩慢水化生成Mg（OH）2產(chǎn)生體積膨脹，從而有效補(bǔ)償大體積混凝土后期降溫階段的體積收縮，因此其在大型水電工程中得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。近年來(lái)，具有強(qiáng)度高、中等水化熱、低干縮率等特性的中熱硅酸鹽水泥，在溪洛渡、向家壩、錦屏等多個(gè)大型水電工程的大壩混凝土中已得到應(yīng)用[7-8]，并且中熱水泥已逐步向橋梁、隧道等工程推廣應(yīng)用。

水泥混凝土在水化硬化過(guò)程中會(huì)釋放大量的熱量，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的一個(gè)主要原因，對(duì)大體積混凝土的影響更為顯著。因此，水泥水化熱一直是水泥和混凝土研究的一個(gè)重要方面[9]。另外，在現(xiàn)代工程中，特別是高性能混凝土，大量外加組分的使用，使得水泥水化放熱的機(jī)理更加復(fù)雜，系統(tǒng)地研究各種外加組分對(duì)水泥水化熱的影響也十分必要[10-11]。對(duì)于有抗裂性要求的大體積混凝土，抗裂劑是提高混凝土抗裂性能的重要材料。目前抗裂劑在城市軌道交通、地下室、隧道等工程的混凝土中已有應(yīng)用[12-14]，但已有研究和應(yīng)用均是針對(duì)普通硅酸鹽水泥混凝土，而對(duì)在中熱水泥混凝土中的研究應(yīng)用很少。為此，本文以中熱水泥及中熱水泥混凝土為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了高效抗裂劑對(duì)中熱水泥水化及混凝土力學(xué)性能、熱學(xué)性能、體積穩(wěn)定性等的影響規(guī)律，對(duì)提高中熱水泥混凝土的抗裂性具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料

（1）水泥：P·MH42.5中熱水泥、P·O42.5水泥、P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥，中熱水泥的主要化學(xué)成分如表1所示。

（2）粉煤灰：Ⅰ級(jí)，需水量比為94%，燒失量為4.53%，其主要化學(xué)成分如表1所示，SEM掃描電鏡觀察的微觀形貌如圖1所示。

圖1 粉煤灰的SEM照片

由圖1可見(jiàn)，粉煤灰球形顆粒存在明顯、顆粒級(jí)配分布合理、雜質(zhì)較少，質(zhì)量較好。

（3）硅粉：比表面積為30 m2/g，燒失量為2.6%，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 中熱水泥、煤粉灰、硅粉的主要化學(xué)成分 %

（4）骨料：砂，人工砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；石，5～20 mm連續(xù)級(jí)配（小石）和20～40 mm連續(xù)級(jí)配（大石）。

（5）減水劑：江蘇蘇博特PCA聚羧酸高性能減水劑，減水率為27.5%，固含量為24.8%。

（6）高效抗裂劑：江蘇蘇博特HME高效抗裂劑。由水化熱調(diào)控材料和混凝土膨脹組分按質(zhì)量比1∶30復(fù)配制成，為灰色粉體材料。其中，水化熱調(diào)控材料為相對(duì)分子質(zhì)量500～3000的多糖類物質(zhì)，是以天然淀粉為原料，經(jīng)預(yù)處理、溶解、生物酶溶解、熱處理、冷卻結(jié)晶等過(guò)程制得；混凝土膨脹組分是以石灰石、礬土、石膏等為原材料，經(jīng)1100～1400℃高溫下煅燒制成的CaO熟料。高效抗裂劑的主要作用原理是：一方面調(diào)控水泥水化放熱速率，延長(zhǎng)水化放熱過(guò)程，充分利用結(jié)構(gòu)的散熱條件，降低混凝土結(jié)構(gòu)中心溫峰值及溫降階段降溫速率，降低溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)；另一方面通過(guò)混凝土膨脹組分調(diào)控混凝土變形過(guò)程，在不同階段產(chǎn)生膨脹補(bǔ)償混凝土的自收縮和溫降收縮，以此提高混凝土抗裂性能。

2 抗裂劑對(duì)中熱水泥水化的影響

水化熱是水工等大體積混凝土膠凝材料的重要性能指標(biāo)之一。目前，水泥水化熱的測(cè)試方法主要有溶解熱法和等溫量熱法，等溫量熱法是指在恒定溫度下測(cè)量與反應(yīng)速率成正比的瞬時(shí)反應(yīng)熱功率，可對(duì)反應(yīng)中熱焓變化率進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，能非常精確地測(cè)試水泥水化放熱和完整描述水泥水化過(guò)程。近年來(lái)，采用TAM AIR進(jìn)行等溫量熱測(cè)試較為普遍，TAM AIR測(cè)試法測(cè)試精度高、試驗(yàn)誤差小，能精確測(cè)量膠凝材料水化放熱，適用于復(fù)合膠凝體系水化放熱測(cè)試試驗(yàn)。本次使用儀器選用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的型號(hào)為TAM Air熱導(dǎo)式等溫量熱儀，恒溫裝置溫度波動(dòng)控制在±0.02℃，測(cè)量溫度范圍為5～90℃，檢測(cè)限為4μW。

2.1 中熱水泥水化熱

為研究中熱水泥的水化行為特征，采用水泥水化熱測(cè)定儀進(jìn)行了3種不同水泥的水化熱試驗(yàn)，對(duì)比研究了基準(zhǔn)水泥、普硅水泥、中熱水泥水化過(guò)程放熱量、放熱速率隨時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

圖2 中熱水泥、普硅水泥和基準(zhǔn)水泥的水化熱曲線

由圖2（a）可知，中熱水泥水化過(guò)程中的放熱量始終低于普硅水泥和基準(zhǔn)水泥，普硅水泥、基準(zhǔn)水泥、中熱水泥的3 d放熱量分別為306.6、280.3、205.5 J/g，中熱水泥放熱量約為普硅水泥的67%，約為基準(zhǔn)水泥73.3%；7 d放熱量分別為345.0、322.6、256.2 J/g，中熱水泥放熱量約為普硅水泥的74.3%。

由圖2（b）可知，不同水泥水化熱變化趨勢(shì)相同，出現(xiàn)最大水化放熱速率時(shí)間均在10 h左右；普硅水泥和基準(zhǔn)水泥的水化放熱速率基本相同，而中熱水泥的水化放熱速率則相對(duì)較慢，普硅水泥、基準(zhǔn)水泥、中熱水泥的最大放熱速率約分別為3.3、3.1、2.2×10-3W/g，中熱水泥的最大放熱速率為普硅水泥的66.7%。

圖2試驗(yàn)結(jié)果表明，中熱水泥較普硅水泥、基準(zhǔn)水泥具有更低的早期放熱量和最大放熱速率，因此使用中熱水泥對(duì)于降低混凝土早期放熱量及升溫速率有一定的作用。

2.2 抗裂劑及礦物摻合料對(duì)中熱水泥水化性能的影響

近年來(lái)，隨著廢棄資源再利用的興起及高性能混凝土的推廣應(yīng)用，粉煤灰、礦粉、硅粉等礦物摻合料在混凝土中單獨(dú)或復(fù)合使用，以此提高混凝土的性能。同時(shí)，為了提高大體積混凝土的抗裂性，抗裂劑也是重要組成材料之一。為此，試驗(yàn)研究了粉煤灰、硅粉復(fù)摻的中熱水泥膠凝材料體系的水化過(guò)程，以及抗裂劑對(duì)中熱水泥水化熱的影響規(guī)律。復(fù)合膠凝材料體系試驗(yàn)配合比如表2所示，其中a0為基準(zhǔn)組，粉煤灰、硅粉摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的25%、3%，a1和a2為摻抗裂劑HME的試驗(yàn)組，摻量分別為總膠凝材料質(zhì)量的5%、8%，抗裂劑按比例等量取代基準(zhǔn)組中的水泥、粉煤灰、硅粉。

表2 復(fù)合膠凝材料體系水化熱試驗(yàn)配合比 kg/m3

中熱水泥、粉煤灰、硅粉及抗裂劑組成的復(fù)合膠凝材料體系水化熱試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 抗裂劑對(duì)中熱水泥復(fù)合膠凝材料體系水化熱的影響

由圖3（a）可見(jiàn)：a1組的3 d放熱量和a0基準(zhǔn)組的基本相同，7 d較基準(zhǔn)組約降低5.2%；a2組的水化放熱量始終低于基準(zhǔn)組，3 d水化熱為128.2 J/g，較基準(zhǔn)組降低了12.8%，7 d水化熱為168.5 J/g，較基準(zhǔn)組降低了9.8%。

由圖3（b）可見(jiàn)：基準(zhǔn)組a0組的最大放熱速率約為1.04×10-3W/g，約為中熱水泥最大放熱速率50%；摻加抗裂劑的試驗(yàn)組（a1、a2）與基準(zhǔn)組（a0）相比，早期放熱速率趨勢(shì)基本相同，摻量為5%的a1組的最大放熱速率下降了約4.8%，摻量為8%的a2組最大放熱速率約為0.85×10-3W/g，降低約18.3%，較5%摻量時(shí)降低效果明顯。

圖3試驗(yàn)結(jié)果表明，抗裂劑HME能降低由中熱水泥、粉煤灰、硅粉組成的膠凝材料體系放熱量和放熱速率，HME摻量5%時(shí)對(duì)早期水化影響較小，后期產(chǎn)生一定的影響；HME摻量8%時(shí)，對(duì)于中熱水泥膠凝材料體系的水化熱和水化放熱速率降低效果更加明顯。

3 抗裂劑對(duì)中熱水泥混凝土性能的影響

以某水電站工程泄水建筑物二次襯砌混凝土配合比（C9050）為基礎(chǔ)，研究了抗裂劑對(duì)中熱水泥混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組混凝土配合比，如表3所示。其中膠凝材料組成與2.2水化熱試驗(yàn)中相同，A0為基準(zhǔn)配合比（工程實(shí)際配合比），A1、A2試驗(yàn)組分別為摻加5%、8%抗裂劑的混凝土配合比。

表3 中熱水泥混凝土的試驗(yàn)配合比 kg/m3

3.1 混凝土的力學(xué)性能

測(cè)試了3種配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度，以研究抗裂劑對(duì)中熱水泥混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗裂劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見(jiàn)，摻抗裂劑的試驗(yàn)組7 d前抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組稍低，28 d強(qiáng)度與基準(zhǔn)組基本相同，90 d強(qiáng)度甚至略高于基準(zhǔn)組。A2組的3 d抗壓強(qiáng)度為18.1 MPa，為基準(zhǔn)組的83.8%；28 d抗壓強(qiáng)度為45.67 MPa，約為基準(zhǔn)組的97.4%，基本相同；90 d抗壓強(qiáng)度為55.03 MPa，較基準(zhǔn)組提高了5%。表明使用抗裂劑的中熱水泥混凝土早期抗壓強(qiáng)度稍低，但后期抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，甚至高于基準(zhǔn)組混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.2 混凝土自生體積變形

為了提高建筑物安全性及耐久性，許多大體積混凝土都有嚴(yán)格的抗裂性要求，而自生體積變形是評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？刂苹炷磷允湛s能夠降低實(shí)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮裂縫，進(jìn)而降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)JTJ270—1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)表3中的3組中熱水泥混凝土進(jìn)行自生體積變形試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 抗裂劑對(duì)混凝土自生體積變形的影響

由圖5可見(jiàn)，A0基準(zhǔn)組混凝土試件的自生體積變形表現(xiàn)為28 d前持續(xù)收縮，28 d變形值約為-109με，之后趨于穩(wěn)定，且有微量膨脹，這與中熱水泥中MgO后期反應(yīng)有關(guān)；摻加抗裂劑的試驗(yàn)組（A1、A2）表現(xiàn)出先膨脹后收縮的變形特征，主要原因是抗裂劑中膨脹組分在水泥水化過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，以補(bǔ)償基準(zhǔn)混凝土的收縮。A1組的最大膨脹值約為155με，A2組的最大膨脹值約為197με，后期產(chǎn)生了一定的收縮，但總體變形仍為膨脹變形，HME摻量為8%時(shí)的膨脹效果比摻量為5%時(shí)的好。表明抗裂劑能降低中熱水泥混凝土的自收縮變形、提高體積穩(wěn)定性，抗裂劑的補(bǔ)償收縮有利于提高中熱水泥混凝土的抗裂性。

3.3 混凝土的絕熱溫升

絕熱溫升是測(cè)試混凝土水化放熱溫升的重要指標(biāo)，特別是對(duì)大體積混凝土這一項(xiàng)熱物理性能更加重要。對(duì)表3中的3組中熱水泥混凝土進(jìn)行絕熱溫升試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 抗裂劑對(duì)混凝土絕熱溫升的影響

由圖6可見(jiàn)：抗裂劑摻量為5%時(shí)（A1組），3 d前絕熱溫升曲線與A0組基本吻合，后期溫升值較A0組略低；抗裂劑摻量為8%（A2組）時(shí)，從早期開始溫升值始終低于A0組，且A2組的絕熱溫升值趨于平穩(wěn)時(shí)間比A0組和A1組延遲2～3 d，溫升速率更加平緩；A0、A1、A2三組中熱水泥混凝土的3 d絕熱溫升值分別為38.4、37.6、32.1℃，7 d絕熱溫升值分別為44.2、42.5、41.4℃，主要原因是抗裂劑中的水化熱調(diào)控材料能延緩中熱水泥水化速率，避免早期放熱過(guò)快。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗裂劑能降低中熱水泥混凝土的絕熱溫升值，且摻量為8%時(shí)對(duì)于早期放熱速率的調(diào)控作用明顯，7 d絕熱溫升比基準(zhǔn)低2.8℃左右，通過(guò)抗裂劑對(duì)中熱水泥混凝土水化溫升歷程的調(diào)控，能夠緩解早期放熱集中及溫升值高的現(xiàn)象，從而降低結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）中熱水泥水化過(guò)程中的放熱量和放熱速率比普硅水泥和基準(zhǔn)水泥均較低，7 d中熱水泥放熱量約為相同強(qiáng)度等級(jí)普硅水泥的74.3%，最大放熱速率約為普硅水泥的67.3%，中熱水泥具有較小的放熱速率和較低的水化熱。

（2）高效抗裂劑對(duì)中熱水泥、粉煤灰、硅粉組成的復(fù)合膠凝材料體系具有較好的水化熱調(diào)控作用，進(jìn)一步降低中熱水泥的放熱速率和水化熱，抗裂劑摻量為8%時(shí)，最大放熱速率比基準(zhǔn)組降低18.3%。

（3）高效抗裂劑對(duì)中熱水泥混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小，前期強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)組混凝土，但28 d抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響，90 d強(qiáng)度比基準(zhǔn)組略高；抗裂劑能提高中熱水泥混凝土的體積穩(wěn)定性，其膨脹作用可有效補(bǔ)償混凝土收縮變形，從而降低收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)；摻入8%抗裂劑HME能有效降低中熱水泥混凝土的絕熱溫升，延緩水泥的水化放熱，7 d絕熱溫升值降低約2.8℃。因此，高效抗裂劑通過(guò)對(duì)中熱水泥水化放熱歷程的調(diào)控及對(duì)混凝土補(bǔ)償收縮雙重作用，能夠延緩水泥的放熱過(guò)程、降低混凝土的絕熱溫升，同時(shí)提高混凝土體積穩(wěn)定性，從而有利于提高中熱水泥混凝土的抗裂性能。