高效抗裂劑在中熱水泥混凝土中的應用

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家重點實驗室，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、內外溫差大等特點，很容易產生開裂[1]。通常需控制混凝土內部溫升及溫降階段因收縮而導致的開裂，主要措施包括在混凝土中預設冷卻水管、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（簡稱中熱水泥）具有低水化熱、高MgO含量等特點，相較于普通硅酸鹽水泥（以下簡稱普硅水泥），其早期放熱量更低、放熱速率更慢，而且中熱水泥中的MgO在后期會緩慢水化生成Mg（OH）2產生體積膨脹，從而有效補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用[5-6]。近年來，具有強度高、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、錦屏等多個大型水電工程的大壩混凝土中已得到應用[7-8]，并且中熱水泥已逐步向橋梁、隧道等工程推廣應用。

水泥混凝土在水化硬化過程中會釋放大量的熱量，由此產生的溫度應力是導致混凝土出現(xiàn)裂縫的一個主要原因，對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理更加復雜，系統(tǒng)地研究各種外加組分對水泥水化熱的影響也十分必要[10-11]。對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用[12-14]，但已有研究和應用均是針對普通硅酸鹽水泥混凝土，而對在中熱水泥混凝土中的研究應用很少。為此，本文以中熱水泥及中熱水泥混凝土為目標，系統(tǒng)研究了高效抗裂劑對中熱水泥水化及混凝土力學性能、熱學性能、體積穩(wěn)定性等的影響規(guī)律，對提高中熱水泥混凝土的抗裂性具有重要意義。

1 試驗材料

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

（2）粉煤灰：Ⅰ級，需水量比為94%，燒失量為4.53%，其主要化學成分如表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，粉煤灰球形顆粒存在明顯、顆粒級配分布合理、雜質較少，質量較好。

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

表1 中熱水泥、煤粉灰、硅粉的主要化學成分 %

（4）骨料：砂，人工砂，細度模數(shù)為2.6；石，5～20 mm連續(xù)級配（小石）和20～40 mm連續(xù)級配（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。由水化熱調控材料和混凝土膨脹組分按質量比1∶30復配制成，為灰色粉體材料。其中，水化熱調控材料為相對分子質量500～3000的多糖類物質，是以天然淀粉為原料，經(jīng)預處理、溶解、生物酶溶解、熱處理、冷卻結晶等過程制得；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：一方面調控水泥水化放熱速率，延長水化放熱過程，充分利用結構的散熱條件，降低混凝土結構中心溫峰值及溫降階段降溫速率，降低溫度開裂風險；另一方面通過混凝土膨脹組分調控混凝土變形過程，在不同階段產生膨脹補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之一。目前，水泥水化熱的測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量與反應速率成正比的瞬時反應熱功率，可對反應中熱焓變化率進行準確計量，能非常精確地測試水泥水化放熱和完整描述水泥水化過程。近年來，采用TAM AIR進行等溫量熱測試較為普遍，TAM AIR測試法測試精度高、試驗誤差小，能精確測量膠凝材料水化放熱，適用于復合膠凝體系水化放熱測試試驗。本次使用儀器選用美國TA公司生產的型號為TAM Air熱導式等溫量熱儀，恒溫裝置溫度波動控制在±0.02℃，測量溫度范圍為5～90℃，檢測限為4μW。

2.1 中熱水泥水化熱

為研究中熱水泥的水化行為特征，采用水泥水化熱測定儀進行了3種不同水泥的水化熱試驗，對比研究了基準水泥、普硅水泥、中熱水泥水化過程放熱量、放熱速率隨時間的關系，結果如圖2所示。

圖2 中熱水泥、普硅水泥和基準水泥的水化熱曲線

由圖2（a）可知，中熱水泥水化過程中的放熱量始終低于普硅水泥和基準水泥，普硅水泥、基準水泥、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相同，出現(xiàn)最大水化放熱速率時間均在10 h左右；普硅水泥和基準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較慢，普硅水泥、基準水泥、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試驗結果表明，中熱水泥較普硅水泥、基準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中熱水泥水化性能的影響

近年來，隨著廢棄資源再利用的興起及高性能混凝土的推廣應用，粉煤灰、礦粉、硅粉等礦物摻合料在混凝土中單獨或復合使用，以此提高混凝土的性能。同時，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，試驗研究了粉煤灰、硅粉復摻的中熱水泥膠凝材料體系的水化過程，以及抗裂劑對中熱水泥水化熱的影響規(guī)律。復合膠凝材料體系試驗配合比如表2所示，其中a0為基準組，粉煤灰、硅粉摻量分別為膠凝材料質量的25%、3%，a1和a2為摻抗裂劑HME的試驗組，摻量分別為總膠凝材料質量的5%、8%，抗裂劑按比例等量取代基準組中的水泥、粉煤灰、硅粉。

表2 復合膠凝材料體系水化熱試驗配合比 kg/m3

中熱水泥、粉煤灰、硅粉及抗裂劑組成的復合膠凝材料體系水化熱試驗結果如圖3所示。

圖3 抗裂劑對中熱水泥復合膠凝材料體系水化熱的影響

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

由圖3（b）可見：基準組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%；摻加抗裂劑的試驗組（a1、a2）與基準組（a0）相比，早期放熱速率趨勢基本相同，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%摻量時降低效果明顯。

圖3試驗結果表明，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%時對早期水化影響較小，后期產生一定的影響；HME摻量8%時，對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，研究了抗裂劑對中熱水泥混凝土力學性能的影響。試驗設計了3組混凝土配合比，如表3所示。其中膠凝材料組成與2.2水化熱試驗中相同，A0為基準配合比（工程實際配合比），A1、A2試驗組分別為摻加5%、8%抗裂劑的混凝土配合比。

表3 中熱水泥混凝土的試驗配合比 kg/m3

3.1 混凝土的力學性能

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

圖4 抗裂劑對混凝土抗壓強度的影響

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

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格的抗裂性要求，而自生體積變形是評價混凝土抗裂性能的一項重要指標。控制混凝土自收縮能夠降低實體結構產生的收縮裂縫，進而降低開裂風險，依據(jù)JTJ270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》，對表3中的3組中熱水泥混凝土進行自生體積變形試驗，結果如圖5所示。

圖5 抗裂劑對混凝土自生體積變形的影響

由圖5可見，A0基準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后期反應有關；摻加抗裂劑的試驗組（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程中發(fā)生化學反應產生膨脹，以補償基準混凝土的收縮。A1組的最大膨脹值約為155με，A2組的最大膨脹值約為197με，后期產生了一定的收縮，但總體變形仍為膨脹變形，HME摻量為8%時的膨脹效果比摻量為5%時的好。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

絕熱溫升是測試混凝土水化放熱溫升的重要指標，特別是對大體積混凝土這一項熱物理性能更加重要。對表3中的3組中熱水泥混凝土進行絕熱溫升試驗，結果如圖6所示。

圖6 抗裂劑對混凝土絕熱溫升的影響

由圖6可見：抗裂劑摻量為5%時（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，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控材料能延緩中熱水泥水化速率，避免早期放熱過快。試驗結果表明，抗裂劑能降低中熱水泥混凝土的絕熱溫升值，且摻量為8%時對于早期放熱速率的調控作用明顯，7 d絕熱溫升比基準低2.8℃左右，通過抗裂劑對中熱水泥混凝土水化溫升歷程的調控，能夠緩解早期放熱集中及溫升值高的現(xiàn)象，從而降低結構的開裂風險。

4 結論

（1）中熱水泥水化過程中的放熱量和放熱速率比普硅水泥和基準水泥均較低，7 d中熱水泥放熱量約為相同強度等級普硅水泥的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）高效抗裂劑對中熱水泥、粉煤灰、硅粉組成的復合膠凝材料體系具有較好的水化熱調控作用，進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，最大放熱速率比基準組降低18.3%。

（3）高效抗裂劑對中熱水泥混凝土抗壓強度影響較小，前期強度略低于基準組混凝土，但28 d抗壓強度基本無影響，90 d強度比基準組略高；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償混凝土收縮變形，從而降低收縮開裂風險；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，高效抗裂劑通過對中熱水泥水化放熱歷程的調控及對混凝土補償收縮雙重作用，能夠延緩水泥的放熱過程、降低混凝土的絕熱溫升，同時提高混凝土體積穩(wěn)定性，從而有利于提高中熱水泥混凝土的抗裂性能。