低热大体积混凝土微应变特性分析

李鸿盛， 陈敏， 杨益波， 何哲

(1.中交一公局重庆万州高速公路有限公司， 重庆 404000； 2.中交一公局厦门工程有限公司， 厦门 361021； 3.交通运输部公路科学研究所， 北京 100088)

随着近几十年中国基础设施工程建设事业的发展，大体积混凝土结构在填芯、桥台、桥墩锚碇等桥梁构件上的应用越来越普遍，但由于大体积混凝土结构在施工阶段一次浇筑方量较多，且其本身几何尺寸又较大，因此水泥水化反应放出的热量在自然情况下难以传递到表面，导致混凝土结构内部温度急剧上升，而外部温度又较低，从而使得混凝土结构内外产生较大的温差而引起温度应力使表面受拉，最终使抗拉强度并不高的混凝土产生开裂现象，破坏其整体性，改变结构的受力，削弱了混凝土结构的功能，威胁到整个工程的安全[1- 4]。为此，研究者们进行了相关的研究，文献[5-7]提出在混凝土中掺入缓凝剂，以减缓水化作用，结果表明从力学性能上来看，缓凝剂会降低混凝土早期强度，而后期强度会有所增加，从微观机理上分析发现缓凝剂能促进水泥混凝土发生二次水化，进而提高其后期强度。文献[8]提出利用氧化镁的低膨胀性来降低大体积混凝土的水化热，进而抑制其收缩。文献[9]提出采用外置冷热源，使水在混凝土表面层预埋管网中循环，以控制大体积混凝土温度。也有研究者建立大体积混凝土温度场模型并与工程实测数据比较[10-13]，研究发现数值模拟结果与实测结果相差不大。作为一种矿物掺和料——粉煤灰由于其三大效应使得其在混凝土尤其是在大体积混凝土中得到广泛的应用。文献[14]研究了不同粉煤灰掺量下的混凝土的碳化性能，结果表明：粉煤灰能显著提高混凝土的动弹性模量且在20%掺量时增强效果最明显。文献[15]发现粉煤灰会混凝土减小因混凝土弹性模量的变化及收缩徐变而引起的预应力损失。文献[16]研究了大体积混凝土的耐久性，分析了矿粉掺量对大体积混凝土抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透等耐久性能的影响。

综上所述，可以发现目前对大体积混凝土力学性能、耐久性能及数值模拟的研究较多，但对于大体积混凝土温缩变形及其影响机理的研究还较少。大体积混凝土的温缩变形性能及影响机理如何需要更多的研究来解释。为此，现基于新田长江大桥锚碇大体积混凝土的工程应用，希望通过水化抑制方法从根本上降低混凝土的水化温升，从而减少混凝土由于内外温度不均匀而产生的裂缝，以取代目前实体工程中常见的布设冷却水管的温控措施。首先探究水化热抑制剂对水泥流动度与凝结时间的影响；其次通过试验研究粉煤灰与水化热抑制剂对大体积混凝土温缩变形性能的影响，再分析粉煤灰、水化热抑制剂对大体积混凝土的水化温度、微变形与收缩性能的作用规律，最后找到粉煤灰与水化热抑制剂的最佳掺量。以期为大体积混凝土施工过程中温度控制方法提供参考借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

水泥选择P·O 42.5水泥，密度为3.05 g/cm3，比表面积为345 m2/kg，初凝时间为155 min，终凝时间为230 min，3 d抗压与抗折强度分别为26.5 MPa与5.7 MPa，28 d抗压与抗折强度分别为46.1 MPa与7.8 MPa，其组成参数如表1所示；粉煤灰为符合规范的一级粉煤灰；砂为细度模数为2.91的含泥量低于1%的石灰岩机制砂；粗骨料为石灰岩碎石；减水剂约为减水率为27%的聚羧基醚型减水剂；水为自来水，水化热抑制剂为自主研发的对水泥水化热有明显抑制作用的水化热抑制剂，由蔗糖、有机膦与酒石酸按一定比例配制而成。

表1 P·O 42.5水泥组成参数Table 1 P·O 42.5 Cement composition parameters

1.2 配合比

通过在混凝土中掺入20%、30%、40%的粉煤灰取代水泥，同时掺入胶凝材料的0.1%、0.2%、0.3%的水化热抑制剂进行C30锚碇大体积混凝土配合比设计，设计的配合比如表2所示。

表2 C30大体积混凝土配合比Table 2 C30 Anchor anchor mass concrete mix ratio

1.3 试验方法

主要探究了粉煤灰掺量及水化热抑制剂对新拌C30锚碇大体积混凝土水化温度、试件凝结硬化阶段与养护阶段内部微变形及大体积混凝土干燥收缩的影响，其中大体积混凝土水化温度、微变形测量采用的是综合测试仪(图1)，使用方法是将测头在试件成型时埋入混凝土试件，通过连接线与综合测试仪相连。试件成型后，连接并启动综合测试仪，在数据采集前对综合测试仪进行调整与清零，因每组测头都有不同编号，且综合测试仪能够分别记录每组数据，故只需在实验进行前进行一次调整清零，实验过程中不可设置仪器参数；试件的收缩测量采用GB-T50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的接触法进行实验(1 d为脱模后的初始值，收缩值0)，试件及测量装置如图2所示。

图1 温度变形实验Fig.1 Temperature deformation experiment

试件尺寸：100×100×515 mm图2 收缩实验Fig.2 Contraction experiment

图3 水化抑制剂对水泥流动度与凝结时间的影响Fig.3 Effect of hydration inhibitors on cement mobility and condensation time

2 结果与分析

2.1 水化抑制剂对水泥流动度与凝结时间的影响

图3为水化抑制剂对水泥流动度与凝结时间的影响结果，由图3(a)可知，水化抑制剂能明显提高水泥的流动度，尤其对2 h的流动度提升最为显著，且掺量越多，提高效果越明显；由图3(b)可以发现，掺入水化抑制剂能显著降低流动度损失率，水化抑制剂掺量为0.2%与掺量为0.3%的流动度损失率相差不大，1 h的损失率都在6%左右，2 h的损失率在18%左右。其原因是水化抑制剂有表面活性，会在水泥与水的界面产生吸附，改变了水泥固体了粒子的表面性质，水化抑制剂通过其分子中的亲水基团吸附大量的水分子形成较厚的水膜层，使水泥晶体间的相互接触受阻，使得其水化过程延长，进而使流动度在较长时间内都保持较大值。从图3(c)可知，水化抑制剂能极大地提升水泥的初、终凝时间，且0.2%与0.3%的水化抑制剂掺量对凝结时间影响相差不大，初凝时间都在390 min左右，终凝时间在500 min左右。这是由于水化抑制剂延缓了水化反应，从而延长了水泥凝结时间，同时表明在掺量为0.2%时，水化抑制剂就能较好地达到效果，在此之上在增加水化抑制剂缓凝效果增加并不明显。

2.2 低热大体积混凝土水化温度

采用综合测试仪测试标准养护条件下3 d内的大体积混凝土试件的水化温度，测试频率为每隔一小时测试并记录一次水化温度，水化温度测试结果如图4和图5所示。

2.2.1 粉煤灰掺量对大体积混凝土水化温度的影响

图4为不同粉煤灰掺量的大体积混凝土早期水化温度变化曲线图，由图4可发现，未掺粉煤灰的混凝土水化温度变化趋势为先上升后降低，在1 185 min时出现波峰温度，掺入粉煤灰的大体积混凝土整体上水化放热随时间的增加都表现出“下降-升高-下降”的规律，随着粉煤灰的掺入，大体积混凝土基体的水化放热峰值会明显降低，且峰值出现后移的现象，随着时间的增加，未掺粉煤灰的大体积混凝土水化放热最大，最高水化温度为41.6 ℃，随着粉煤灰的掺入，大体积混凝土的最高水化温度分别下降13.5%、16.1%、16.3%，峰值时间分别后移660、900、1 080 min，放热峰延缓时间都在10 h以上；波谷温度随粉煤灰掺量的增加而降低，且波谷温度对应的时间也出现后移现象。

图4 大体积混凝土早期水化温度随粉煤灰掺量 变化曲线图Fig.4 Change of early hydration temperature of bulk concrete with fly ash incorporation

掺入粉煤灰大体积混凝土水化放热呈现“下降-升高-下降”的规律的原因是由于在拌和过程中，水泥遇到水，立即发生水化放热反应，使基体在成型时具有一定的温度，而随时间延长温度出现下降是受到超细矿物粉煤灰的影响，粉煤灰颗粒粒径远远小于水泥颗粒，因此粉煤灰会吸附在水泥颗粒表面，由于超细颗粒具有较强的絮凝作用，所以当胶凝材料与水拌和后，大量的水分被超细颗粒及絮凝结构吸附，使得与水泥颗粒接触的水较少，延缓水化反应，导致温度降低；随着水化反应的不断进行，吸附于粉煤灰表面和絮凝结构的水分开始与水泥颗粒接触，水化反应进入加速期，这一时期水化反应剧烈、放热大，温度出现上升，当反应进行一段时间，水化速率较快的C3S与C3A被消耗殆尽，总体水化速度放缓，放热下降，温度出现下降。而随着粉煤灰掺量增加水化放热波峰、波谷温度后移的原因是随着内掺粉煤灰的增加，单位体积内水泥含量降低，形成的絮凝结构越多，导致温度降低得越明显，使得波谷温度后移，波谷温度后移又导致波峰温度后移。

2.2.2 水化热抑制剂对大体积混凝土水化温度的影响

图5是不同水化热抑制剂掺量对大体积混凝土早期水化温度影响变化曲线图，图5中水化温度随时间的变化规律与粉煤灰掺量对大体积混凝土早期水化温度变化曲线图有相似的规律，即“下降-上升-下降”，但随水化热抑制剂的掺入，其波峰温度变得更低，相比于单掺粉煤灰的混凝土，波峰温度出现的时间再次向后推移了10 h以上，相对于对照组后移了20 h以上；且随着水化热抑制剂掺量的增加温峰相对于对照组分别降低了23.6%、26.7%、27.6%。其原因为复掺粉煤灰与水化热抑制剂的混凝土在受粉煤灰影响之外，还受到水化热抑制剂的作用，水化热抑制剂分子中的亲水基吸附大量的水分子形成较厚的水膜层，阻止了部分水与水泥的反应。同时可以看出，水化热抑制剂掺量越多，大体积混凝土的水化波谷温度越低，其原因与粉煤灰作用类似，水化热抑制剂越多，其亲水基吸附水膜层就越多，导致水化温度降低得越明显。

图5 大体积混凝土早期水化温度随水化热抑制剂 掺量变化曲线图Fig.5 Changes of early hydration temperature of bulk concrete with incorporation of hydration thermal inhibitors

2.3 低热大体积混凝土微变形

采用综合测试仪测试标准养护条件下3 d内的大体积混凝土试件内部的微应变，每隔一小时读一次微应变，结果如图6～图9所示。

2.3.1 粉煤灰掺量对大体积混凝土微变形的影响

图6为不同粉煤灰掺量下的大体积混凝土应变随时间增长变化曲线，从图6可以发现，随着水化反应时间的增长，大体积混凝土基体变形测量值总体上保持上升，直至测量后期应变逐渐稳定；且掺粉煤灰的大体积混凝土会在400～700 min时间段内出现微应变降低现象，而未掺粉煤灰的混凝土没有此种规律，这是由于作为外掺料的粉煤灰的絮凝作用，在水化前期减少了部分水泥与水的接触，延缓了水化，使得水化温度暂时降低(图4)，减少了温度应力，微应变也随之出现略微下降。图7为不同粉煤灰掺量的大体积混凝土最大应变值，由图7可知，掺入粉煤灰能显著地降低大体积混凝土的最大微应变，掺20%、30%、40%粉煤灰的大体积混凝土微应变分别降低24.9%、28.7%、32.5%，即粉煤灰掺量越大，大体积混凝土最大微应变越小，这是由于粉煤灰掺量越多，其自身存在的火山灰效应、滚珠效应以及微集料效应对大体积混凝土作用越明显，温升降低越明显，从而使最大微应变也随之降低。

图6 不同粉煤灰掺量的大体积混凝土应变随龄期 增长变化曲线Fig.6 Growth curve of bulk concrete strain with different fly ash incorporation with age

2.3.2 水化热抑制剂对大体积混凝土微变形的影响

图8显示了不同水化热抑制剂掺量下的大体积混凝土微应变随时间的变化，其总体规律与单掺粉煤灰的类似。图9为不同水化热抑制剂掺量的大体积混凝土微应变峰值，由图9可以看出，不同的水化热抑制剂的加入使得大体积混凝土的最大微应变得到进一步的降低，微应变峰值显著后移，且加入的水化热抑制剂掺量越大，其最大应变值越小，后移现象越明显。这是因为水化热抑制剂对水化反应的抑制作用，延缓了水泥的水化速度，在掺粉煤灰的基础上进一步降低了早强水化热，使得大体积混凝土早期的内外温差进一步降低，从而减小了大体积混凝土内部的温度应力，使得最大微应变进一步减少。同时还可以发现，水化热抑制剂掺量为0.2%与0.3%的大体积混凝土最大微应变接近，说明水化热抑制剂掺量在较小的时候作用更加明显，掺量太高对大体积混凝土微应变的减弱效果相对于在较低掺量下不够明显。

图7 不同粉煤灰掺量大体积混凝土微应变峰值Fig.7 Microstrain peak of bulk concrete with different fly ash mixing

图8 不同粒径大体积混凝土应变随龄期变化曲线图Fig.8 Plot of different particle size bulk concrete strain changes with age

图9 不同水化热抑制剂掺量大体积混凝土微应变峰值Fig.9 Microstrain peak of bulk concrete with different hydration thermal inhibitors

2.4 低热大体积混凝土收缩性能

2.4.1 粉煤灰对大体积混凝土收缩性能的影响

图10为不同粉煤灰掺量的大体积混凝土收缩值随龄期变化曲线图，由图10可以看出，随着龄期的增长，混凝土的收缩值呈现上升趋势；且在同一龄期下粉煤灰掺量越大，大体积混凝土基体的收缩值越小，180 d龄期时，20%、30%与40%粉煤灰掺量的大体积混凝土收缩值较未掺分别下降了8.6%、13.9%、19.7%，这主要是由于粉煤灰取代了部分水泥，使得发生水化的水泥总量减少；同时，由于粉煤灰对水泥的包裹作用，导致部分水泥与水的接触受阻，从而抑制了水化反应，使得放出的热量降低，延缓了混凝土内部的水化温度上升(图5)，温度应力相对较小，导致收缩值相对于未掺粉煤灰的大体积混凝土低，粉煤灰掺量越大，这种作用越发明显。从图10还可以发现，未掺粉煤灰的混凝土7 d龄期的收缩值已超过180 d龄期的70%，而掺粉煤灰的混凝土在7 d收缩值仅占180 d龄期的50%左右，在28 d才达到180 d收缩值得70%，这表明粉煤灰的缓凝作用明显。

图10 不同粉煤灰掺量大体积混凝土收缩随龄期 变化曲线图Fig.10 Change of bulk concrete with age

2.4.2 水化热抑制剂对大体积混凝土收缩性能的影响

图11为不同水化热抑制剂掺量下的大体积混凝土收缩值随龄期变化曲线图，由图11可知，总体规律与单掺粉煤灰类似，有所区别的是，复掺粉煤灰与水化热抑制剂会使得大体积混凝土收缩值进一步降低，且在28 d的收缩占180 d收缩值得60%左右，在45 d的收缩才接近180 d总收缩的70%。这是因为水化热抑制剂的亲水基吸附的水分子形成了较厚的水膜，使晶体间的相互作用受到屏蔽，进一步抑制了水化反应的进行。同时可以发现，掺0.2%与0.3%的水化热抑制剂收缩值非常接近，综合成本与作用效果因素，推荐水化热抑制剂掺量为0.2%。

图11 不同水化热抑制剂掺量对大体积混凝土收缩 随龄期变化曲线图Fig.11 Plot of shrinkage of bulk concrete with different hydration heat inhibitors mixed with age

3 结论

(1)掺入粉煤灰与水化热抑制剂都会使大体积混凝土水化放热随时间的增加而出现下降-升高-下降的规律；大体积混凝土早期水化温度随粉煤灰掺量的增加逐渐减小，相比于无粉煤灰的混凝土水化反应最高温度41.6 ℃，掺粉煤灰的大体积混凝土温度下降5 ℃以上。

(2)大体积混凝土基体变形测量值总体上保持上升，直至测量后期应变逐渐稳定，掺入粉煤灰与水化热抑制剂能显著地降低大体积混凝土的最大微应变。

(3)未掺粉煤灰的混凝土7 d龄期的收缩值已超过180 d龄期的70%，而掺粉煤灰的混凝土要在28 d才达到180 d收缩值得70%，而复掺粉煤灰与水化热抑制剂的混凝土需要45 d才能达到180 d收缩值70%左右。