高性能大体积混凝土的设计制备与裂缝控制技术

高性能大体积混凝土的设计制备与裂缝控

制技术

1大体积混凝土裂§1控制的总体思路

目前，桥梁工程中广泛运用的大体积混凝土，由于大体积混凝土结构截面尺

寸大，混凝土材料本身为热的不良导体，结构内部温度场对于外界环境的温度变

化不会发生即时的温度波动，大量的热聚集在混凝土结构内部无法释放，而结构

表面混凝土的散热较快，这样即在混凝土内部和表层则形成较大温差，从而引发

不均匀的温度变形和温度应力，一旦温度变形引起的温度拉应力超过混凝土的抗

拉强度，就会在混凝土中产生温度裂缝。

大体积混凝土常会因为施工期间（配合比设计、入模温度、养护措施等因素）

控制不当而产生大量温度裂缝，致使影响工程质量。为了抑制由上述原因导致的

温度裂缝，主要采取选用低热水泥和掺加矿物掺合料配制混凝土，降低入模温度，

并通冷却水带走结构核心部位的集中热量，以降低结构内外温差，实现对温度应

力的控制，但在实际操作工程中，往往会出现因通水时间和通水降温速率控制不

利而引发混凝土开裂的状况，且采用冷却水管会存在压浆不实的问题，水、有害

离子和空气容易渗入进去，导致金属冷却水管锈蚀，影响桥梁结构安全性冷却水

管用量较大，增大工程成本。同时，现代桥梁的建设条件及存在环境越来越恶劣,

高盐分、高流速、高含沙量对桥梁承台混凝土的冲刷造成磨蚀，影响其使用寿命。

大量工程实践表明:大体积混凝土结构因温度应力引发的早期裂缝往往在结

构边部发生，浇筑初期结构整体的温度均会随着胶凝材料水化反应的进行而逐步

升高；而当水化反应逐渐减弱时，混凝土自身放热逐步减少，此阶段大体积混凝

土结构外部混凝土的升温状况即主要受控于环境温度，其温度开始逐步下降，然

而结构内部核心部分混凝土的热量无法短时间消散，仍处于受热膨胀的状态，而

边部混凝土已经受到环境温度的影响开始受冷收缩处于外部的混凝土即受到了

极大的拉应力作用，当同龄期混凝土自身的抗拉强度小于结构表层所产生的拉应

力时，则导致结构边部温度裂缝的产生。

针对大体积混凝土普遍存在的温度应力造成开裂导致的耐久性下降的问题，

提出低温升抗裂大体积混凝土的设计、制备与梯度结构优化相结合的大体积混凝

土裂缝控制技术，即内部采用开发的低温升高抗裂混凝土，边部采用掺加纤维的

低收缩高韧性抗裂混凝土，解决边部混凝土产生拉应力过大而导致的开裂的问

题，从而形成连续的高抗裂大体积混凝土梯度结构，实现中低标号大体积混凝土

取消普遍采用的通冷却水的温控技术措施，加快施工进度，降低工程造价。对于

高标号大体积混凝土，采用梯度结构与通冷却水相结合的温控技术措施，降低入

模温度，实现大体积混凝土的裂缝控制。

2低温升抗裂大体积混凝土设计与制备技术

2.1高活性补偿收缩矿物掺合料的研发

现有的矿物掺合料如矿渣、硅灰、沸石粉、磷渣粉、偏高岭土等，尽管活性

高，但利用其配制的混凝土收缩较大，易开裂，而利用钢渣矿粉配制的混凝土虽

然具有补偿收缩的作用，但由于其活性低，利用率相对较低。团队采用自主研发

的由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成的高活性补偿收缩矿物掺合

料(RA)部分替代粉煤灰，降低收缩，提高混凝土体积稳定性，并提高了力学性能、

抗碳化性能以及抗渗性能，结果见表1。

表1不同矿物掺合料混凝土性能

收缩率

水泥粉煤灰RA28d抗压强X10-4氯离子扩散系碳化深度

kg/m3kg/m3kg/m3度/MPa28数/nrP/s/mm

360d

d

A0360120065.41.93.27.5xIO-131.06

A1360804068.51.12.56.0xIO-130.98

掺加高活性补偿收缩矿物掺合料的混凝土A1较未掺的混凝土A0的收缩值

大幅度降低，耐久性提升。

2.2减缩增韧剂的研发

2.2.1减缩增韧原理

减缩剂是一种基于减少水溶液表面张力的混凝土外加剂，一般为气一液界面

活性剂，它可以大幅度地降低水泥石中毛细孔或凝胶孔中液相的表面张力，从而

减少混凝土的收缩，现有的混凝土减缩剂通常是非离子表面活性剂，通过降低毛

细孔隙溶液表面张力，从而降低了混凝土的干燥收缩和自收缩。增韧剂即是利用

有机硅氧烷基团在水泥浆体的碱性体系中水解生成具有反应活性的Si-。基团，

Si-b基团可以参与C-S-H凝胶的水化过程，与无机硅化合物发生化学键的成键

反应。下图为增韧材料的分子结构，蓝圈包围的是硅氧烷基团，赋予增韧材料遥

爪功能。

001

。（­。ok.

CAH—

电荷

分子链的柔顺性分子规整件

图1增韧材料分子结构

本团队在氨基甲酸酯嵌段共聚物中引入一种具有超长分子链的聚合物，利用

这种聚合物的超长分子链在基体中相互缠结形成的网络状骨架结构，为材料提供

机械强度；当材料受到外力作用时，通过这种网络状骨架结构的形变、吸收和传

递来自基体的冲击能量，起到增韧作用。由于在增韧体系中，增韧效果在一定程

度上与增韧剂的物理交联点的多少成正相关，减缩增韧剂具有的环境响应交联

点，可以使其与包括自身在内的物质相互交联，形成复杂的网络状骨架结构，当

该体系受外力冲击时，形成的网络状骨架结构可以吸收部分冲击能，从而提高混

凝土的断裂韧性。

图2聚合物自交联形成三维互穿微凝胶网络

2.2.2减缩增韧剂的制备

团队优选江苏博特新材料有限公司SBT®一混凝土减缩剂、SBT®ITM混凝

土原位增韧材料，通过对混凝土的工作性能、力学性能与收缩性能影响的研究,

确定减缩增韧剂的制备比例。

(1)试验原材料与配合比

原材料主要选当地的原材料，如：华新P-O42.5普通硅酸盐水泥；武汉阳

逻电厂生产I级粉煤灰；细集料:河砂，最大粒径5mm，连续级配，细度模数2.6,

表观密度2.61g/cm3;粗集料：普通碎石，表观密度2.84g/cm3,颗粒级配为

5〜25连续级配。外加剂：江苏博特新材料有限公司生产的聚竣酸减水剂、

SBT®一混凝土减缩剂、SBT®ITM混凝土原位增韧剂。保持配合比其他参数不

变的前提下，调整减缩剂与增韧剂的掺量，进行混凝土的工作性能、力学性能、

收缩性能的研究。配合比如下：

表2混凝土配合比(kg/m3)

编水粉煤粗集细集减减缩减缩剂与

水

号泥灰料料水剂增韧剂增韧剂比例

14305015410537631.2%\\

1.0

24305015410537631.2%1:1

%

1.0

34305015410537631.2%1:2

%

1.0

44305015410537631.2%1:3

%

(2)磁短果与讨论

主要考察减缩增韧剂对混凝土的工作性能、自收缩等性能的影响。

表3工作性能与力学性能

编号坍落度扩展度抗压强度/MPa抗折强度/MPa

/mm/mm7d28d7d28d

120045047.261.33.125.31

221048047.060.53.375.65

321549548.463.53.536.01

421049047.962.73.546.03

上述试验结果表明，相同配合比下，加入减缩增韧剂对混凝土的工作性能有

所改善，没有出现离析泌水，抗压强度基本不变，抗折强度有明显改善。其次，

随着减缩剂与增韧剂的比列减小，抗折强度逐渐增高，然后趋于稳定。

18O

16O

X4O

12O

,9

1010O

X

拗8O

鳏

6O

与

4O

2O

O

图3混凝土的自收缩率

图3为空白试验与掺加减缩增韧剂的3组配合比随着龄期变化的自收缩率,

由图可知，掺加减缩增韧剂明显减少混凝土的自收缩率，随着减缩剂与增韧剂的

比列减小，混凝土的自收缩率变大，但是配比3自收缩率稍微增大，配比4自

收缩率增大明显。综上分析，通过力学性能和自收缩性能优选配合比3,确定减

缩增韧剂的比例为1:2。

2.3内养护材料的研发

通过掺加一种含有大量强亲水基团且呈三维网状交联结构的高吸水树脂材

料作为内养护组分，利用聚合物分子与水分子之间的化学键吸收并保存水分，在

混凝土内部形成持续供水的养护环境，对混凝土强度的发展起到重要的作用。内

养护剂为自主研发的淀粉接枝阴离子-非离子基团内养护材料（如图3-12所示）,

具有较好的吸水-释水功能，对混凝土起到内养护作用。该内养护剂碱性环境下

的高吸水能力，是由于阴离子性单体和非离子性单体具有高亲水性的-SO3H和

-NH2所确定的。-SO3H对二价、三价阳离子具有很好耐受力，而-NW具有很

好的水解稳定性、抗酸碱及热稳定性，-SO3H/-NH2中非离子性基团的引入较好

地调控了主链上的电荷密度，降低了高分子网络在碱性溶液的敏感性，从而提高

了内养护材料对碱性溶液的吸收能力。吸水前高分子长链相互靠拢缠在一起彼此

交联呈网状结构，高分子网络是固态网束未电离成离子对，当遇水时亲水基团与

水分子的水和作用，使高分子网束扩张产生网内外离子浓度差，从而产生渗透压

水分子在渗透压作用下向网结构内渗透，从而吸水。当非离子化程度提高后，静

电斥力大大减少，网络变得更易收缩，饱水凝胶同时受到热和压力的作用，其释

水加速、释水量也加大。从而保证了其吸水-释水特性，对混凝土起到较好的内

养护作用。制备过程：Q）淀粉糊化：恒温水浴升温至70〜8CTC,取总体积1/4

的蒸储水，称取木薯淀粉溶于蒸微水并搅拌均匀，将淀粉液加入装有搅拌器、回

流冷凝管、温度计的四口瓶中，糊化30min。（2）自由基引发。降低反应温度至

60~70℃,取总体积1/6的蒸储水，按比例称取高岭土、硝酸锦筱和过硫酸筱

并溶于水，搅拌均匀后加入四口烧瓶，反应30min。（3）接枝共聚。维持上述温

度，取总体积1/4的蒸储水，按配比分别称取单体丙端酰胺、单体2-丙烯酰胺

基-2甲基丙磺酸和交联剂，溶于水并搅拌均匀。单体溶液需用在自由基引发反

应lOmin后加入四口烧瓶，单体溶液滴加时间控制在2〜4h内。反应结束后得

到无色凝胶状物质或者含凝胶浓溶液。（4）水解。维持上述温度，取总体积1/3

蒸储水将NaOH溶于水，将NaOH溶液加入四口烧品，水解30min得到粗产

物。（5）抽滤、洗涤。用真空抽滤机进行粗产物脱水。然后用乙醇、丙酮对初产

物进行6~12h浸泡、洗涤，洗去残留碱、单体，至少进行两次洗涤，得到纯产

物。⑹干燥、粉碎。纯产物在105。（：真空干燥箱中干燥8h至叵重，经破碎、研

磨至所需细度即得内养护材料。将上述内养护材料应用于用高钛重矿渣砂制备的

C65混凝土中使其在混凝土内部起到内养护作用促进混凝土后期强度的发展,

以及减少混凝土的收缩作用，进而提高混凝土的耐久性。

图4淀粉接枝阴离子-非离子基团内养护材料结构设计图

2.4低温升抗裂大体积混凝土配合比设计

2.4.1密实骨架大体积混凝土配合比设计

对于大体积混凝土而言，由于结构尺寸过大，施工时间往往较长，在进行配

合比设计过程中对混凝土的缓凝时间有较高的要求，一般来说大体积混凝土的初

凝时间均超过了15h，所以混凝土中胶凝材料的水化放热一般则集中在浇筑后的

3天左右完成。在此期间结构整体的温度均会随着胶凝材料水化反应的进行而逐

步升高，而当水化反应逐渐减弱时，混凝土自身的放热也逐步减少，此阶段大体

积混凝土结构外部混凝土的升温状况主要受控于环境温度，其温度开始逐步下

降，然而结构内部核心部分混凝土的热量无法短时间消散，仍处于受热膨胀的状

态，外部混凝土的已经受到环境温度的影响开始受冷收缩。结构内部膨胀，外部

收缩，致使处于外部的混凝土受到极大的拉应力作用，当同龄期混凝土自身的抗

拉强度小于结构表层所产生的拉应力时，则必定导致大体积混凝土结构温度裂缝

的产生。因此，在进行大体积混凝土配合比设计时，为了避免温度应力对结构整

体造成不利影响，务必要考虑胶材放热量与混凝土强度增长之间的关系。本团队

通过采用密实骨架堆积原理进行大体积混凝土的配合比设计，在满足混凝土强度

设计要求、耐久性能及体积稳定性能的条件下，最大限度的减少胶凝材料的使用

量，即兼顾材料自身强度，同时减少胶材体系放热，从而实现了大体积混凝土抗

裂的两个最主要条件。

(1)密实骨架堆积法基本原理

采用密实骨架堆积原理进行大体积混凝土的配合比设计时，首先将不同比例

的粉煤灰与砂进行充填试验，以获得最大单位容重；再将最大单位容重掺入比例

下的粉煤灰与砂做为细集料同石子之间进行充填试验，从而获得骨料与粉料在密

实填充状态下的最大单位容重，进一步确定材料最小空隙率Vv及所需要的润滑

浆量，最后根据混凝土强度和耐久性的相关设计要求确定水胶比。

（2）密实骨架堆积法计算方法

1）确定粉煤灰与砂的填充比例：

2=%/（卬/+吗）

2）以。比例的细骨料（含粉煤灰与砂）填塞石子，得最大堆积因子B:

（3=（wf+吗）/（叼+暝+叱,）

3）混凝土中粉料与骨料密实堆积的最大单位重为U”,:

U,„=9+%+%

4）最大单位重下的石子质量：

agg=U”,（l-耳）

5）最大单位重下的砂质量：

sand=U“/（l一a）

6）最大单位重下的粉煤灰质量：

fly=U.£a

7）骨料密实堆积的条件下的最小空隙率：

匕=1一（力y/〃+sand/ys+agg//„）

8）混凝土单位体积下的水泥浆体积：

\/p~Vv+sxt=Nx

8）混凝土单位体积下的骨材体积：

其中，卬八叱、吗一分别为粉煤灰、砂、石子的质量；

a、B—分别为细集料及粗集料的致密堆积系数；

勺、八、九一分别为粉煤灰、砂、石子的密度；

/V—水泥浆量的放大倍数；

一为骨材表面积；

J为包裹于骨材表面的润浆厚度。

（3）大体积混凝土密实骨架配合比设计

1）试验原材料：

水泥：安徽"海螺"P.O42.5R水泥，比表面积为377m7kg;

粉煤灰：浙江长兴电厂I级灰，需水量比为92%,细度为4.8%（筛余）；

矿粉：浙江拓翔建材S95级，比表面积＞400m2/kg,实测比表面积为428

m2/kg,流动度比为98%,7天活性指数为81%,28天活性指数为101%;

硅灰：武汉粒固硅灰有限公司，SiO2含量93%，比表面积18500m2/kg,

需水量比120%;

砂：江西赣江河中砂，细度模数2.6〜3.0;

石：德清下柏石场5~25mm连续级配碎石，压碎值416%;

减水剂：浙江五龙ZWL-A-IX和上海三瑞VIVID-500聚竣酸减水剂；

减缩增韧剂：上海三瑞高效减缩增韧VIVID-JZ;

仿钢纤维：武汉新途有限公司生产的密度0.91~0.98g/cm3,长度

25~38cm,直径0.8〜1.1mm,抗拉强度？350MPa,断裂伸长率s30%的有机

聚合物纤维；

聚丙烯睛纤维：深圳市海川实业股份有限公司生产的密度L18kg/m3,长

度6mm,抗拉强度2900MPa,断裂伸长率20%〜26%的聚丙烯睛纤维。

2）密实骨架配合比

针对C30大体积混凝土的相关设计要求，利用密实骨架堆积法设计原理，通

过上述计算确定了大体积混凝土粉料及各骨料的掺量，同时依据强度和工作性能

的相关要求对基准配合比作出适当调整，最后确定的大体积混凝土基准配合比见

下表：

表3-1大体积混凝土基准配合比（kg/m3）

水泥粉煤灰砂石水减水剂

23016079510551583.6

2.4.2大体积混凝土胶凝材料体系优化

根据密实骨架堆积得出的基准配合比虽能够较好提高混凝土的致密性，但是

并未针对大体积混凝土具体的放热特性优化,为了最大幅度的降低混凝土绝热温

升，需要对胶凝材料体系中各粉料的掺加比例进行优化调整后的配合比见下表：

表3-2大体积混凝土调整配合比

材料用量（kg/m3）

编号

水泥粉煤灰矿粉砂石水ZWL-A-IXVIVID-500

18016517579510551423.6/

210015516579510551423.6/

312014515579510551423.6/

414013514579510551423.6/

5801651757951055142/3.6

61001551657951055142/3.6

71201451557951055142/3.6

81401351457951055142/3.6

表3-3混凝土的物理性能

编号坍落度抗压强度劈裂抗拉强度

/cm/MPa/MPa

Oh2.0h7d28d7d28d

122020021.333.61.212.53

222019026.137.51.533.06

321018028.641.31.623.18

420017030.945.51.833.32

522019022.835.71.292.62

621019027.539.11.593.16

720018029.142.21.673.24

819017031.845.21.883.38

由上表中的混凝土物理性能试验结果可知，除配合比1和配合比5中水泥

的掺量较小，其7d和28d的抗压强度和劈裂抗拉强度数值均较低，未能达到

C30混凝土的相关强度设计标准外其他各组配合比的力学性能指标均满足混凝

土强度设计标准，而在胶凝材料总量不变的条件下，随着胶凝材料中水泥掺量的

增加，混凝土的物理力学性能均出现增长，这主要是由于水泥是提供混凝土早期

强度的主要来源，当水泥掺量较低时，混凝土早期强度不足，水化反应后产生

Ca(0H)2的量大幅减少,进一步削弱矿物掺合料二次水化的碱激发作用，混凝

土的后期强度较低。

(1)外加剂对大体积混凝土缓凝时间的影响

由于大体积混凝土尺寸大，混凝土单次浇筑方量多，施工时间往往超过十几

个小时，施工时为避免出现冷缝,需要严格控制混凝土的缓凝时间。同时，对于

混凝土材料本身，凝结时间越快，胶凝材料的水化放热则越集中，在大体积混凝

土结构散热性能不良的情况下常交凝材料短时间内的集中放热会引发巨大的内外

温差，极不利于结构温度应力的控制，所以实际工程中务必对缓凝时间进行调整。

通过调整外加剂的种类和掺量对大体积混凝土缓凝时间的影响，进一步对低温升

抗裂大体积混凝土的适用外加剂进行优选。

表3-4外加剂对混凝土缓凝时间的影响

凝结时间/h:min抗压强度/MPa

编号掺量/%.

初凝终凝7d28d

IX-10.718:2037:1023.733.2

IX-20.819:3538:4024.335.6

IX-30.921:1040:0526.637.9

IX-41.023:2544:1524.535.7

IX-51.126:0049:1023.334.1

IX-61.228:5551:2021.230.8

VI-10.716:1030:0024.833.4

VI-20.817:2532:3526.136.3

VI-30.919:0034:2027.538.6

VI-41.020:1536:1027.839.9

VI-51.121:2039:1526.538.1

VI-61.223:3042:0525.837.4

注：之前为减水剂型号，百分比掺量为减水剂与胶凝材料总量的比

由上表中的试验结果可知，在两种不同减水剂的使用过程中，混凝土的凝结

时间均随着减水剂掺量的增长而出现延时效果加强,而力学性能随着外加剂掺量

的增加出现了先增长后下降的趋势。这主要是由于外加剂中的缓凝成分官能团通

过空间位阻、静电斥力等作用，抑制了C3A和C3s的水化反应［5。］,当掺量过高

时，会对混凝土的力学性能造成不利影响。

为了同时保障混凝土的缓凝效果和力学性能，需严格控制外加剂的掺量，对

于ZWL-C-IX,在掺量为0.9%时，其抗压强度达到最大值；而对于VMD-500,

在掺量为1.0%时达到最大值。在掺量相同的条件下，对比两组外加剂的缓凝效

果发现，ZWL-C-IX的缓凝效果要优于VIVID-500，其初凝时间和终凝时间都出

现较大幅度的延迟；对比两种外加剂初凝时间与终凝时间的间隔发现，

ZWL-C-IX的时间间隔在19h-23h左右,而VIVID-500的时间间隔则在

14h-18h左右,由此说明ZWL-C-IX对于大体积混凝土放热峰的延时作用亦要

优于VIVID-500,同时对比强度结果可知，两种外加剂对于强度的影响则无明

显差别，故为了改善混凝土的放热特性，抑制温度应力，优选ZWL-C-IX在掺

量为0.9%时为最佳掺量。

(2)外加剂对大体积混凝土减缩增韧效果的影响

在保持ZWL-C-IX掺量为0.9%的条件下，改变聚醇类减缩增韧组分

VIVID-JZ的掺量，利用其"原位复合"增韧机理，以改善混凝土收缩性能,提

高混凝土自身的抗拉强度，具体试验方案见下表：

表3-5混凝土试验配合比

材料用量(kg/nrP)ZWL-A-IXVIVID-JZ

编号

水泥粉煤灰矿粉砂石水(%)(%)

110015516579510551420.90

210015516579510551420.90.2

310015516579510551420.90.4

410015516579510551420.90.6

510015516579510551420.90.8

610015516579510551420.91.0

710015516579510551420.91.2

810015516579510551420.91.4

注：百分比掺量为外加剂与胶凝材料总量的比

表3-6混凝土的物理性能

抗压强度劈裂抗拉强度混凝土干燥

编号/MPa/MPa缩率（XUH）

7d28d7d28d28d

126.637.91.593.15236

227.338.51.653.33228

328.040.31.713.38215

429.743.61.783.45209

531.145.31.833.51203

630.644.71.803.48198

730.043.81.773.44195

829.342.51.723.37192

由上表中的试验结果可知，混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度均随着减缩增

韧剂掺量的增加出现了先增长后下降的趋势，而混凝土的收缩率随着减缩增韧剂

掺量的增大而不断降低，当掺量超过1.0%以后，减缩的效果无明显继续提升，

当配合比5中减缩增韧剂的掺量为0.8%,混凝土的力学性能达到最佳，相较不

掺加减缩增韧剂的配合比1空白组，其7d的抗压强度提高了16.9%,7d的劈

裂抗拉强度提高了15.1%。

减缩增韧剂的中的减缩增韧原理实质是在基体材料中引入一种具有超长分

子链的聚醇类聚合物，利用超长分子链的"原位复合"增韧机理，分子链互相纠

缠形成网格状骨架体系，镶嵌在水泥石之中为提高了材料的机械强度，同时通过

网格骨架结构自身的变形作用吸收了结构应变能，使原本混凝土自身的收缩作用

及微裂纹扩展需要吸收更多的能量才能实现，从而起到减缩增韧的效果。通过上

述研究，得出ZWL-C-IX掺量为胶凝材料总量的0.9%,同时减缩增韧剂掺量为

胶凝材料总量的0.8%时，为低温升抗裂混凝土外加剂的最佳掺量。

2.4.3入模温度对大体积混凝土绝热温升的影响

众多工程实践发现，大体积混凝土在不同入模温度下浇筑施工，其结构内部

温度场的状况差异明显。研究发现混凝土入模温度越高对水化反应的促进作用愈

强，胶凝材料的放热速率和大体积混凝土结构内部的绝热温升也有明显的提高，

而低入模温度则会对胶凝材料的水化放热起到抑制作用。大体积混凝土规范当中

仅对不同种类矿物掺合料及不同掺量条件下的胶凝材料水化热计算给出相应计

算公式，而公式中并未考虑入模温度的影响。综合考虑胶凝材料中矿物掺合料种

类、相对掺量及入模温度,对不同入模温度对大体积混凝土绝热温升及胶凝材料

体系水化反应的影响进行深入研究，并对混凝土绝热温升的计算公式进行修正。

(1)原材料

水泥采用安徽"海螺"P.042.5R水泥；粉煤灰采用浙江长兴电厂I级灰，

水泥和粉煤灰的化学成分由X射线荧光分析得到，见表3.1.1；拌合水采用自来

水；减水剂采用浙江五龙ZWL-A-IX缓凝高效减水剂，减水率为28.6%,分别

命名为PCI、PC2、PC3,分子结构具体信息见表3.2.2。PCI、PC2、PC3为

甲氧基聚乙二醇甲基丙焙酸酯系聚竣酸减水剂，由A和B两种单体共聚而成(A

为甲基丙烯酸，简称MAA;B为甲氧基聚乙二醇，简称MPEG),其化学式为：

广

fcF—CH^-(-CH2—CH好

COOHC=O

O4-CH2CH2O4^CH3

产o

H2C=CH-COOHH2C=CH2—C—OY—CH2cH2。+飙

AB

表3.2.1原材料化学成分

原材料CaO(%)MgO(%烧失量(%)共计(％)

SiO2(%)AI2O3(%Fe2O3(%

)))

水泥21.354.673.3162.603.080.9596.05

粉煤灰50.9534.784.132.800.591.9493.25

表3.2.2减水剂分子结构参数

编号主链长(nm)支链长(nm)分子量(g/mol)

PCI13.08.335546

PC216.68.354472

PC311.38.329759

(2)入模温度对胶凝材料水化放热特性的影响

胶凝材料的水化放热速率以及混凝土的绝热温升与混凝土施工时的入模温

度密切相关，随着入模温度的升高，胶凝材料的水化放热速率、放热量均会有不

同程度的增长。在大体积混凝土的施工过程需使用大量水泥、粉煤灰和矿粉等胶

凝材料，而现场拌合楼所用的这些胶凝材料大多情况下都是随进随用，所以存放

在贮仓里的胶凝材料温度常超过60℃,如遇大方量混凝土浇筑昼夜施工时,胶

凝材料都未能经过冷却即进行使用，温度高达90。(：以上，使用如此高储存温度

的胶凝材料拌合出来的混凝土，除了极端地区或极端天气条件下，混凝土的入模

温度一般会高于15。(2,考虑到不同季节施工时，混凝土的入模温度差异较大，

故选取了15℃,25℃,35T三个温度段，对不同入模温度对胶凝材料体系水化

反应的影响进行研究。

1)矿物掺合料换算放热量及放热取代系数

矿物掺合料水化活性不及纯水泥，因此通常情况下不直接测定其水化放热

量。但矿物掺合料中的活性氧化硅、氧化铝等会与水泥水化反应后析出的

Ca(0H)2发生二次水化反应，Ca(0H)2作为碱性激发剂，极大地促进了矿物掺合

料的水化反应，而Ca(OH)2的含量与水泥掺量密切相关。因此，本文利用矿物

掺合料换算放热量及放热取代系数分别来表征在不同水泥掺量条件下，单位质量

矿物掺合料自身的水化放热特性。

矿物掺合料换算放热量及放热取代系数计算公式按下式进行：

GC.(ix)(3-2-5)

'x

N,=/(3-2-6)

'c

其中：C一单位质量水泥放热量(J/g)

X一矿物掺合料掺量(g)

G——单位质量胶材放热量(J)

Mt单位质量矿物掺合料换算放热量(J)

Nt-单位质量矿物掺合料放热取代水泥系数

2)试验配合比

表3.2.5水泥-粉煤灰体系配合比

55~水泥(％)~~粉煤灰(％)减水剂(％)水灰比

FA10901010.35

FA20802010.35

FA33673310.35

FA5050501035

FA67336710.35

试验中在固定水灰比及减水剂掺量的条件下调整水泥及粉煤灰的掺量，使粉

煤灰掺量分别为胶材总量的10%,20%、33%、50%、67%,以探究不同粉煤

灰掺量对复合胶凝材料水化放热规律的影响。

3)不同入模温度下水泥一粉煤灰体系的放热规律研究

将上述配合比制备出的试样放入TA,得到的不同入模温度对水泥一粉煤灰

体系水化放热特性影响结果如下：

表326水泥-粉煤灰体系水化放热特性

3d放热掺合料换算温峰出现

掺合料放热最大放热速

试样编号量放热量时间

Mt

取代系数Nt率(mW/g)

(J/g)(J/g)(h:min)

15-C266.18//3.1812:46

15-FA10254.32147.580.552.8413:21

15-FA20239.21131.330.492.4015:52

15℃

15-FA33216.65116.080.442.0018:57

15-FA50181.1496.100.361.4720:43

15-FA67139.0276.380.290.8328:34

25-C315.16//5.3411:21

25℃25-FA10303.42197.760.634.5112:19

25-FA20287.67177.710.563.7113:31

25-FA33263.52158.680.503.1614:59

25-FA50225.34135.520.432.2418:29

25-FA67180.18113.700.361.2822:16

35-C361.34//9.8907:37

35-FA10350.61254.040.709.0308:25

35-FA20335.27230.990.647.3309:33

35℃

35-FA33311.97211.730.595.7310:00

35-FA50269.12176.900.493.8212:14

35-FA67220.64151.340.422.2916:09

注：表中之前为入模温度，之后为配合比编号

-一3

O上5

a3./C*10%FA一

M2.

U2L.\,C*20%FA

O.S

WO

nL4./C3%FA»

H5x

匚u

。

=O.4/C*50%FAo

E。.

nO.

qm

x

二s禹/LAJ

一2

rt

二Oo

-H

a「

0204060loo

Timehour

a.入模温度为15。（：时的放热速率曲线b.入模温度为25P时的放热速率曲线

(

ma

ul

)

o

I

i

o

u

c

n

q

二

c.入模温度为35℃时的放热速率曲线

图3.2.2水泥-粉煤灰体系水化放热速率曲线

试验结果表明，在入模温度相同的条件下，试样水化放热量及放热速率的降

低程度、水化放热峰值出现的推移程度，均随粉煤灰掺量的增加而增加。在粉煤

灰掺量相同的情况下，随着入模温度的提高，体系水化放热量、温峰强度均提高,

其中粉煤灰参与水化反应而产生的放热量及取代水泥的放热折算系数亦出现不

同程度的增长。同时由放热曲线形状可知，温度的增加明显促进了粉煤灰的反应，

15工时有两个明显的放热峰,而当入模温度为35T时候仅有一个放热峰出现，

说明水泥+粉煤灰体系的放热峰可细化成两个小峰，分别对应于水泥水化反应和

粉煤灰的二次水化反应，而由于高温作用，粉煤灰的二次水化反应速率增大，导

致其和水泥熟料放热的差距减小，再加上其反应热值也较小，所以第二放热峰基

本没有明显分化现象。

由此得出，水泥掺量及入模温度对水泥-粉煤灰体系的放热反应均有较强的

促进作用。就FA50（胶材总量400kg）而言，其在入模温度为15。（：时的绝热

温升较25℃和35T时的绝热温升相比，分别降低了7.22。（：及14.36。故为了

降低大体积混凝土内部的最高温度峰值和内表温差，应当尽量提高粉煤灰的掺

量，同时降低施工时的入模温度。

4）入模温度对复杂胶凝材料体系水化放热特性的影响

针对C30、C40及C50大体积混凝土的相关设计要求，确定了6组低水泥

掺量下的胶凝材料基准配合比。现对以下6组配合比在不同入模温度下的水化放

热特性进行研究。

表3.2.9复杂胶凝材料体系配合比

编号水泥粉煤灰（%）矿粉减水剂（%）水灰比

(%)(%)

#30-10.240.370.390.010.35

#30-20.290.350.360.010.35

#40-30.330.330.340.010.34

#40-40.370.300.330.010.34

#50-50.440.290.270.010.31

#50-60.480.270.250.010.31

注：表中“犷之后为强度强度等级，”/之后为配合比编号

将上述配合比制备出的试样放入TA，得到的不同入模温度对复杂胶凝材料

体系水化放热特性影响结果如下表：

表3.2.10复杂胶凝材料体系放热特性

掺合料换算温峰出现

3d放热掺合料放热最大放热速

试样编号放热量时间

Mt

取代系数率(mW/g)

量(J/g)Nt

(J/g)(h:min