高性能大體積混凝土的設(shè)計(jì)制備與裂縫控制技術(shù)

高性能大體積混凝土的設(shè)計(jì)制備與裂縫控

制技術(shù)

1大體積混凝土裂§1控制的總體思路

目前，橋梁工程中廣泛運(yùn)用的大體積混凝土，由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)截面尺

寸大，混凝土材料本身為熱的不良導(dǎo)體，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)對(duì)于外界環(huán)境的溫度變

化不會(huì)發(fā)生即時(shí)的溫度波動(dòng)，大量的熱聚集在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部無(wú)法釋放，而結(jié)構(gòu)

表面混凝土的散熱較快，這樣即在混凝土內(nèi)部和表層則形成較大溫差，從而引發(fā)

不均勻的溫度變形和溫度應(yīng)力，一旦溫度變形引起的溫度拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗

拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生溫度裂縫。

大體積混凝土常會(huì)因?yàn)槭┕て陂g（配合比設(shè)計(jì)、入模溫度、養(yǎng)護(hù)措施等因素）

控制不當(dāng)而產(chǎn)生大量溫度裂縫，致使影響工程質(zhì)量。為了抑制由上述原因?qū)е碌?/p>

溫度裂縫，主要采取選用低熱水泥和摻加礦物摻合料配制混凝土，降低入模溫度，

并通冷卻水帶走結(jié)構(gòu)核心部位的集中熱量，以降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度應(yīng)

力的控制，但在實(shí)際操作工程中，往往會(huì)出現(xiàn)因通水時(shí)間和通水降溫速率控制不

利而引發(fā)混凝土開裂的狀況，且采用冷卻水管會(huì)存在壓漿不實(shí)的問(wèn)題，水、有害

離子和空氣容易滲入進(jìn)去，導(dǎo)致金屬冷卻水管銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性冷卻水

管用量較大，增大工程成本。同時(shí)，現(xiàn)代橋梁的建設(shè)條件及存在環(huán)境越來(lái)越惡劣,

高鹽分、高流速、高含沙量對(duì)橋梁承臺(tái)混凝土的沖刷造成磨蝕，影響其使用壽命。

大量工程實(shí)踐表明:大體積混凝土結(jié)構(gòu)因溫度應(yīng)力引發(fā)的早期裂縫往往在結(jié)

構(gòu)邊部發(fā)生，澆筑初期結(jié)構(gòu)整體的溫度均會(huì)隨著膠凝材料水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐步

升高；而當(dāng)水化反應(yīng)逐漸減弱時(shí)，混凝土自身放熱逐步減少，此階段大體積混凝

土結(jié)構(gòu)外部混凝土的升溫狀況即主要受控于環(huán)境溫度，其溫度開始逐步下降，然

而結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心部分混凝土的熱量無(wú)法短時(shí)間消散，仍處于受熱膨脹的狀態(tài)，而

邊部混凝土已經(jīng)受到環(huán)境溫度的影響開始受冷收縮處于外部的混凝土即受到了

極大的拉應(yīng)力作用，當(dāng)同齡期混凝土自身的抗拉強(qiáng)度小于結(jié)構(gòu)表層所產(chǎn)生的拉應(yīng)

力時(shí)，則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)邊部溫度裂縫的產(chǎn)生。

針對(duì)大體積混凝土普遍存在的溫度應(yīng)力造成開裂導(dǎo)致的耐久性下降的問(wèn)題，

提出低溫升抗裂大體積混凝土的設(shè)計(jì)、制備與梯度結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的大體積混凝

土裂縫控制技術(shù)，即內(nèi)部采用開發(fā)的低溫升高抗裂混凝土，邊部采用摻加纖維的

低收縮高韌性抗裂混凝土，解決邊部混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致的開裂的問(wèn)

題，從而形成連續(xù)的高抗裂大體積混凝土梯度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中低標(biāo)號(hào)大體積混凝土

取消普遍采用的通冷卻水的溫控技術(shù)措施，加快施工進(jìn)度，降低工程造價(jià)。對(duì)于

高標(biāo)號(hào)大體積混凝土，采用梯度結(jié)構(gòu)與通冷卻水相結(jié)合的溫控技術(shù)措施，降低入

模溫度，實(shí)現(xiàn)大體積混凝土的裂縫控制。

2低溫升抗裂大體積混凝土設(shè)計(jì)與制備技術(shù)

2.1高活性補(bǔ)償收縮礦物摻合料的研發(fā)

現(xiàn)有的礦物摻合料如礦渣、硅灰、沸石粉、磷渣粉、偏高嶺土等，盡管活性

高，但利用其配制的混凝土收縮較大，易開裂，而利用鋼渣礦粉配制的混凝土雖

然具有補(bǔ)償收縮的作用，但由于其活性低，利用率相對(duì)較低。團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)

的由鋼渣、礦渣、硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏混合而成的高活性補(bǔ)償收縮礦物摻合

料(RA)部分替代粉煤灰，降低收縮，提高混凝土體積穩(wěn)定性，并提高了力學(xué)性能、

抗碳化性能以及抗?jié)B性能，結(jié)果見表1。

表1不同礦物摻合料混凝土性能

收縮率

水泥粉煤灰RA28d抗壓強(qiáng)X10-4氯離子擴(kuò)散系碳化深度

kg/m3kg/m3kg/m3度/MPa28數(shù)/nrP/s/mm

360d

d

A0360120065.41.93.27.5xIO-131.06

A1360804068.51.12.56.0xIO-130.98

摻加高活性補(bǔ)償收縮礦物摻合料的混凝土A1較未摻的混凝土A0的收縮值

大幅度降低，耐久性提升。

2.2減縮增韌劑的研發(fā)

2.2.1減縮增韌原理

減縮劑是一種基于減少水溶液表面張力的混凝土外加劑，一般為氣一液界面

活性劑，它可以大幅度地降低水泥石中毛細(xì)孔或凝膠孔中液相的表面張力，從而

減少混凝土的收縮，現(xiàn)有的混凝土減縮劑通常是非離子表面活性劑，通過(guò)降低毛

細(xì)孔隙溶液表面張力，從而降低了混凝土的干燥收縮和自收縮。增韌劑即是利用

有機(jī)硅氧烷基團(tuán)在水泥漿體的堿性體系中水解生成具有反應(yīng)活性的Si-?；鶊F(tuán)，

Si-b基團(tuán)可以參與C-S-H凝膠的水化過(guò)程，與無(wú)機(jī)硅化合物發(fā)生化學(xué)鍵的成鍵

反應(yīng)。下圖為增韌材料的分子結(jié)構(gòu)，藍(lán)圈包圍的是硅氧烷基團(tuán)，賦予增韌材料遙

爪功能。

001

。（-。ok.

CAH—

電荷

分子鏈的柔順性分子規(guī)整件

圖1增韌材料分子結(jié)構(gòu)

本團(tuán)隊(duì)在氨基甲酸酯嵌段共聚物中引入一種具有超長(zhǎng)分子鏈的聚合物，利用

這種聚合物的超長(zhǎng)分子鏈在基體中相互纏結(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)，為材料提供

機(jī)械強(qiáng)度；當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，通過(guò)這種網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)的形變、吸收和傳

遞來(lái)自基體的沖擊能量，起到增韌作用。由于在增韌體系中，增韌效果在一定程

度上與增韌劑的物理交聯(lián)點(diǎn)的多少成正相關(guān)，減縮增韌劑具有的環(huán)境響應(yīng)交聯(lián)

點(diǎn)，可以使其與包括自身在內(nèi)的物質(zhì)相互交聯(lián)，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)

該體系受外力沖擊時(shí)，形成的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)可以吸收部分沖擊能，從而提高混

凝土的斷裂韌性。

圖2聚合物自交聯(lián)形成三維互穿微凝膠網(wǎng)絡(luò)

2.2.2減縮增韌劑的制備

團(tuán)隊(duì)優(yōu)選江蘇博特新材料有限公司SBT?一混凝土減縮劑、SBT?ITM混凝

土原位增韌材料，通過(guò)對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能與收縮性能影響的研究,

確定減縮增韌劑的制備比例。

(1)試驗(yàn)原材料與配合比

原材料主要選當(dāng)?shù)氐脑牧希纾喝A新P-O42.5普通硅酸鹽水泥；武漢陽(yáng)

邏電廠生產(chǎn)I級(jí)粉煤灰；細(xì)集料:河砂，最大粒徑5mm，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.6,

表觀密度2.61g/cm3;粗集料：普通碎石，表觀密度2.84g/cm3,顆粒級(jí)配為

5?25連續(xù)級(jí)配。外加劑：江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚竣酸減水劑、

SBT?一混凝土減縮劑、SBT?ITM混凝土原位增韌劑。保持配合比其他參數(shù)不

變的前提下，調(diào)整減縮劑與增韌劑的摻量，進(jìn)行混凝土的工作性能、力學(xué)性能、

收縮性能的研究。配合比如下：

表2混凝土配合比(kg/m3)

編水粉煤粗集細(xì)集減減縮減縮劑與

水

號(hào)泥灰料料水劑增韌劑增韌劑比例

14305015410537631.2%\\

1.0

24305015410537631.2%1:1

%

1.0

34305015410537631.2%1:2

%

1.0

44305015410537631.2%1:3

%

(2)磁短果與討論

主要考察減縮增韌劑對(duì)混凝土的工作性能、自收縮等性能的影響。

表3工作性能與力學(xué)性能

編號(hào)坍落度擴(kuò)展度抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa

/mm/mm7d28d7d28d

120045047.261.33.125.31

221048047.060.53.375.65

321549548.463.53.536.01

421049047.962.73.546.03

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，相同配合比下，加入減縮增韌劑對(duì)混凝土的工作性能有

所改善，沒(méi)有出現(xiàn)離析泌水，抗壓強(qiáng)度基本不變，抗折強(qiáng)度有明顯改善。其次，

隨著減縮劑與增韌劑的比列減小，抗折強(qiáng)度逐漸增高，然后趨于穩(wěn)定。

18O

16O

X4O

12O

,9

1010O

X

拗8O

鰥

6O

與

4O

2O

O

圖3混凝土的自收縮率

圖3為空白試驗(yàn)與摻加減縮增韌劑的3組配合比隨著齡期變化的自收縮率,

由圖可知，摻加減縮增韌劑明顯減少混凝土的自收縮率，隨著減縮劑與增韌劑的

比列減小，混凝土的自收縮率變大，但是配比3自收縮率稍微增大，配比4自

收縮率增大明顯。綜上分析，通過(guò)力學(xué)性能和自收縮性能優(yōu)選配合比3,確定減

縮增韌劑的比例為1:2。

2.3內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的研發(fā)

通過(guò)摻加一種含有大量強(qiáng)親水基團(tuán)且呈三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高吸水樹脂材

料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分，利用聚合物分子與水分子之間的化學(xué)鍵吸收并保存水分，在

混凝土內(nèi)部形成持續(xù)供水的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展起到重要的作用。內(nèi)

養(yǎng)護(hù)劑為自主研發(fā)的淀粉接枝陰離子-非離子基團(tuán)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料（如圖3-12所示）,

具有較好的吸水-釋水功能，對(duì)混凝土起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。該內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑堿性環(huán)境下

的高吸水能力，是由于陰離子性單體和非離子性單體具有高親水性的-SO3H和

-NH2所確定的。-SO3H對(duì)二價(jià)、三價(jià)陽(yáng)離子具有很好耐受力，而-NW具有很

好的水解穩(wěn)定性、抗酸堿及熱穩(wěn)定性，-SO3H/-NH2中非離子性基團(tuán)的引入較好

地調(diào)控了主鏈上的電荷密度，降低了高分子網(wǎng)絡(luò)在堿性溶液的敏感性，從而提高

了內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對(duì)堿性溶液的吸收能力。吸水前高分子長(zhǎng)鏈相互靠攏纏在一起彼此

交聯(lián)呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高分子網(wǎng)絡(luò)是固態(tài)網(wǎng)束未電離成離子對(duì)，當(dāng)遇水時(shí)親水基團(tuán)與

水分子的水和作用，使高分子網(wǎng)束擴(kuò)張產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)外離子濃度差，從而產(chǎn)生滲透壓

水分子在滲透壓作用下向網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)滲透，從而吸水。當(dāng)非離子化程度提高后，靜

電斥力大大減少，網(wǎng)絡(luò)變得更易收縮，飽水凝膠同時(shí)受到熱和壓力的作用，其釋

水加速、釋水量也加大。從而保證了其吸水-釋水特性，對(duì)混凝土起到較好的內(nèi)

養(yǎng)護(hù)作用。制備過(guò)程：Q）淀粉糊化：恒溫水浴升溫至70?8CTC,取總體積1/4

的蒸儲(chǔ)水，稱取木薯淀粉溶于蒸微水并攪拌均勻，將淀粉液加入裝有攪拌器、回

流冷凝管、溫度計(jì)的四口瓶中，糊化30min。（2）自由基引發(fā)。降低反應(yīng)溫度至

60~70℃,取總體積1/6的蒸儲(chǔ)水，按比例稱取高嶺土、硝酸錦筱和過(guò)硫酸筱

并溶于水，攪拌均勻后加入四口燒瓶，反應(yīng)30min。（3）接枝共聚。維持上述溫

度，取總體積1/4的蒸儲(chǔ)水，按配比分別稱取單體丙端酰胺、單體2-丙烯酰胺

基-2甲基丙磺酸和交聯(lián)劑，溶于水并攪拌均勻。單體溶液需用在自由基引發(fā)反

應(yīng)lOmin后加入四口燒瓶，單體溶液滴加時(shí)間控制在2?4h內(nèi)。反應(yīng)結(jié)束后得

到無(wú)色凝膠狀物質(zhì)或者含凝膠濃溶液。（4）水解。維持上述溫度，取總體積1/3

蒸儲(chǔ)水將NaOH溶于水，將NaOH溶液加入四口燒品，水解30min得到粗產(chǎn)

物。（5）抽濾、洗滌。用真空抽濾機(jī)進(jìn)行粗產(chǎn)物脫水。然后用乙醇、丙酮對(duì)初產(chǎn)

物進(jìn)行6~12h浸泡、洗滌，洗去殘留堿、單體，至少進(jìn)行兩次洗滌，得到純產(chǎn)

物。⑹干燥、粉碎。純產(chǎn)物在105。（：真空干燥箱中干燥8h至叵重，經(jīng)破碎、研

磨至所需細(xì)度即得內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料。將上述內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料應(yīng)用于用高鈦重礦渣砂制備的

C65混凝土中使其在混凝土內(nèi)部起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展,

以及減少混凝土的收縮作用，進(jìn)而提高混凝土的耐久性。

圖4淀粉接枝陰離子-非離子基團(tuán)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4低溫升抗裂大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.4.1密實(shí)骨架大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)

對(duì)于大體積混凝土而言，由于結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，施工時(shí)間往往較長(zhǎng)，在進(jìn)行配

合比設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)混凝土的緩凝時(shí)間有較高的要求，一般來(lái)說(shuō)大體積混凝土的初

凝時(shí)間均超過(guò)了15h，所以混凝土中膠凝材料的水化放熱一般則集中在澆筑后的

3天左右完成。在此期間結(jié)構(gòu)整體的溫度均會(huì)隨著膠凝材料水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐

步升高，而當(dāng)水化反應(yīng)逐漸減弱時(shí)，混凝土自身的放熱也逐步減少，此階段大體

積混凝土結(jié)構(gòu)外部混凝土的升溫狀況主要受控于環(huán)境溫度，其溫度開始逐步下

降，然而結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心部分混凝土的熱量無(wú)法短時(shí)間消散，仍處于受熱膨脹的狀

態(tài)，外部混凝土的已經(jīng)受到環(huán)境溫度的影響開始受冷收縮。結(jié)構(gòu)內(nèi)部膨脹，外部

收縮，致使處于外部的混凝土受到極大的拉應(yīng)力作用，當(dāng)同齡期混凝土自身的抗

拉強(qiáng)度小于結(jié)構(gòu)表層所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，則必定導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫

的產(chǎn)生。因此，在進(jìn)行大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)整

體造成不利影響，務(wù)必要考慮膠材放熱量與混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)之間的關(guān)系。本團(tuán)隊(duì)

通過(guò)采用密實(shí)骨架堆積原理進(jìn)行大體積混凝土的配合比設(shè)計(jì)，在滿足混凝土強(qiáng)度

設(shè)計(jì)要求、耐久性能及體積穩(wěn)定性能的條件下，最大限度的減少膠凝材料的使用

量，即兼顧材料自身強(qiáng)度，同時(shí)減少膠材體系放熱，從而實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土抗

裂的兩個(gè)最主要條件。

(1)密實(shí)骨架堆積法基本原理

采用密實(shí)骨架堆積原理進(jìn)行大體積混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先將不同比例

的粉煤灰與砂進(jìn)行充填試驗(yàn)，以獲得最大單位容重；再將最大單位容重?fù)饺氡壤?/p>

下的粉煤灰與砂做為細(xì)集料同石子之間進(jìn)行充填試驗(yàn)，從而獲得骨料與粉料在密

實(shí)填充狀態(tài)下的最大單位容重，進(jìn)一步確定材料最小空隙率Vv及所需要的潤(rùn)滑

漿量，最后根據(jù)混凝土強(qiáng)度和耐久性的相關(guān)設(shè)計(jì)要求確定水膠比。

（2）密實(shí)骨架堆積法計(jì)算方法

1）確定粉煤灰與砂的填充比例：

2=%/（卬/+嗎）

2）以。比例的細(xì)骨料（含粉煤灰與砂）填塞石子，得最大堆積因子B:

（3=（wf+嗎）/（叼+暝+叱,）

3）混凝土中粉料與骨料密實(shí)堆積的最大單位重為U”,:

U,?=9+%+%

4）最大單位重下的石子質(zhì)量：

agg=U”,（l-耳）

5）最大單位重下的砂質(zhì)量：

sand=U“/（l一a）

6）最大單位重下的粉煤灰質(zhì)量：

fly=U.￡a

7）骨料密實(shí)堆積的條件下的最小空隙率：

匕=1一（力y/〃+sand/ys+agg//?）

8）混凝土單位體積下的水泥漿體積：

\/p~Vv+sxt=Nx

8）混凝土單位體積下的骨材體積：

其中，卬八叱、嗎一分別為粉煤灰、砂、石子的質(zhì)量；

a、B—分別為細(xì)集料及粗集料的致密堆積系數(shù)；

勺、八、九一分別為粉煤灰、砂、石子的密度；

/V—水泥漿量的放大倍數(shù)；

一為骨材表面積；

J為包裹于骨材表面的潤(rùn)漿厚度。

（3）大體積混凝土密實(shí)骨架配合比設(shè)計(jì)

1）試驗(yàn)原材料：

水泥：安徽"海螺"P.O42.5R水泥，比表面積為377m7kg;

粉煤灰：浙江長(zhǎng)興電廠I級(jí)灰，需水量比為92%,細(xì)度為4.8%（篩余）；

礦粉：浙江拓翔建材S95級(jí)，比表面積＞400m2/kg,實(shí)測(cè)比表面積為428

m2/kg,流動(dòng)度比為98%,7天活性指數(shù)為81%,28天活性指數(shù)為101%;

硅灰：武漢粒固硅灰有限公司，SiO2含量93%，比表面積18500m2/kg,

需水量比120%;

砂：江西贛江河中砂，細(xì)度模數(shù)2.6?3.0;

石：德清下柏石場(chǎng)5~25mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值416%;

減水劑：浙江五龍ZWL-A-IX和上海三瑞VIVID-500聚竣酸減水劑；

減縮增韌劑：上海三瑞高效減縮增韌VIVID-JZ;

仿鋼纖維：武漢新途有限公司生產(chǎn)的密度0.91~0.98g/cm3,長(zhǎng)度

25~38cm,直徑0.8?1.1mm,抗拉強(qiáng)度？350MPa,斷裂伸長(zhǎng)率s30%的有機(jī)

聚合物纖維；

聚丙烯睛纖維：深圳市海川實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的密度L18kg/m3,長(zhǎng)

度6mm,抗拉強(qiáng)度2900MPa,斷裂伸長(zhǎng)率20%?26%的聚丙烯睛纖維。

2）密實(shí)骨架配合比

針對(duì)C30大體積混凝土的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，利用密實(shí)骨架堆積法設(shè)計(jì)原理，通

過(guò)上述計(jì)算確定了大體積混凝土粉料及各骨料的摻量，同時(shí)依據(jù)強(qiáng)度和工作性能

的相關(guān)要求對(duì)基準(zhǔn)配合比作出適當(dāng)調(diào)整，最后確定的大體積混凝土基準(zhǔn)配合比見

下表：

表3-1大體積混凝土基準(zhǔn)配合比（kg/m3）

水泥粉煤灰砂石水減水劑

23016079510551583.6

2.4.2大體積混凝土膠凝材料體系優(yōu)化

根據(jù)密實(shí)骨架堆積得出的基準(zhǔn)配合比雖能夠較好提高混凝土的致密性，但是

并未針對(duì)大體積混凝土具體的放熱特性優(yōu)化,為了最大幅度的降低混凝土絕熱溫

升，需要對(duì)膠凝材料體系中各粉料的摻加比例進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后的配合比見下表：

表3-2大體積混凝土調(diào)整配合比

材料用量（kg/m3）

編號(hào)

水泥粉煤灰礦粉砂石水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

編號(hào)坍落度抗壓強(qiáng)度劈裂抗拉強(qiáng)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試驗(yàn)結(jié)果可知，除配合比1和配合比5中水泥

的摻量較小，其7d和28d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)值均較低，未能達(dá)到

C30混凝土的相關(guān)強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外其他各組配合比的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足混凝

土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而在膠凝材料總量不變的條件下，隨著膠凝材料中水泥摻量的

增加，混凝土的物理力學(xué)性能均出現(xiàn)增長(zhǎng)，這主要是由于水泥是提供混凝土早期

強(qiáng)度的主要來(lái)源，當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度不足，水化反應(yīng)后產(chǎn)生

Ca(0H)2的量大幅減少,進(jìn)一步削弱礦物摻合料二次水化的堿激發(fā)作用，混凝

土的后期強(qiáng)度較低。

(1)外加劑對(duì)大體積混凝土緩凝時(shí)間的影響

由于大體積混凝土尺寸大，混凝土單次澆筑方量多，施工時(shí)間往往超過(guò)十幾

個(gè)小時(shí)，施工時(shí)為避免出現(xiàn)冷縫,需要嚴(yán)格控制混凝土的緩凝時(shí)間。同時(shí)，對(duì)于

混凝土材料本身，凝結(jié)時(shí)間越快，膠凝材料的水化放熱則越集中，在大體積混凝

土結(jié)構(gòu)散熱性能不良的情況下常交凝材料短時(shí)間內(nèi)的集中放熱會(huì)引發(fā)巨大的內(nèi)外

溫差，極不利于結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的控制，所以實(shí)際工程中務(wù)必對(duì)緩凝時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)調(diào)整外加劑的種類和摻量對(duì)大體積混凝土緩凝時(shí)間的影響，進(jìn)一步對(duì)低溫升

抗裂大體積混凝土的適用外加劑進(jìn)行優(yōu)選。

表3-4外加劑對(duì)混凝土緩凝時(shí)間的影響

凝結(jié)時(shí)間/h:min抗壓強(qiáng)度/MPa

編號(hào)摻量/%.

初凝終凝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：之前為減水劑型號(hào)，百分比摻量為減水劑與膠凝材料總量的比

由上表中的試驗(yàn)結(jié)果可知，在兩種不同減水劑的使用過(guò)程中，混凝土的凝結(jié)

時(shí)間均隨著減水劑摻量的增長(zhǎng)而出現(xiàn)延時(shí)效果加強(qiáng),而力學(xué)性能隨著外加劑摻量

的增加出現(xiàn)了先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。這主要是由于外加劑中的緩凝成分官能團(tuán)通

過(guò)空間位阻、靜電斥力等作用，抑制了C3A和C3s的水化反應(yīng)［5。］,當(dāng)摻量過(guò)高

時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能造成不利影響。

為了同時(shí)保障混凝土的緩凝效果和力學(xué)性能，需嚴(yán)格控制外加劑的摻量，對(duì)

于ZWL-C-IX,在摻量為0.9%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；而對(duì)于VMD-500,

在摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值。在摻量相同的條件下，對(duì)比兩組外加劑的緩凝效

果發(fā)現(xiàn)，ZWL-C-IX的緩凝效果要優(yōu)于VIVID-500，其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都出

現(xiàn)較大幅度的延遲；對(duì)比兩種外加劑初凝時(shí)間與終凝時(shí)間的間隔發(fā)現(xiàn)，

ZWL-C-IX的時(shí)間間隔在19h-23h左右,而VIVID-500的時(shí)間間隔則在

14h-18h左右,由此說(shuō)明ZWL-C-IX對(duì)于大體積混凝土放熱峰的延時(shí)作用亦要

優(yōu)于VIVID-500,同時(shí)對(duì)比強(qiáng)度結(jié)果可知，兩種外加劑對(duì)于強(qiáng)度的影響則無(wú)明

顯差別，故為了改善混凝土的放熱特性，抑制溫度應(yīng)力，優(yōu)選ZWL-C-IX在摻

量為0.9%時(shí)為最佳摻量。

(2)外加劑對(duì)大體積混凝土減縮增韌效果的影響

在保持ZWL-C-IX摻量為0.9%的條件下，改變聚醇類減縮增韌組分

VIVID-JZ的摻量，利用其"原位復(fù)合"增韌機(jī)理，以改善混凝土收縮性能,提

高混凝土自身的抗拉強(qiáng)度，具體試驗(yàn)方案見下表：

表3-5混凝土試驗(yàn)配合比

材料用量(kg/nrP)ZWL-A-IXVIVID-JZ

編號(hào)

水泥粉煤灰礦粉砂石水(%)(%)

110015516579510551420.90

210015516579510551420.90.2

310015516579510551420.90.4

410015516579510551420.90.6

510015516579510551420.90.8

610015516579510551420.91.0

710015516579510551420.91.2

810015516579510551420.91.4

注：百分比摻量為外加劑與膠凝材料總量的比

表3-6混凝土的物理性能

抗壓強(qiáng)度劈裂抗拉強(qiáng)度混凝土干燥

編號(hào)/MPa/MPa縮率（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

由上表中的試驗(yàn)結(jié)果可知，混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著減縮增

韌劑摻量的增加出現(xiàn)了先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，而混凝土的收縮率隨著減縮增韌劑

摻量的增大而不斷降低，當(dāng)摻量超過(guò)1.0%以后，減縮的效果無(wú)明顯繼續(xù)提升，

當(dāng)配合比5中減縮增韌劑的摻量為0.8%,混凝土的力學(xué)性能達(dá)到最佳，相較不

摻加減縮增韌劑的配合比1空白組，其7d的抗壓強(qiáng)度提高了16.9%,7d的劈

裂抗拉強(qiáng)度提高了15.1%。

減縮增韌劑的中的減縮增韌原理實(shí)質(zhì)是在基體材料中引入一種具有超長(zhǎng)分

子鏈的聚醇類聚合物，利用超長(zhǎng)分子鏈的"原位復(fù)合"增韌機(jī)理，分子鏈互相糾

纏形成網(wǎng)格狀骨架體系，鑲嵌在水泥石之中為提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)

網(wǎng)格骨架結(jié)構(gòu)自身的變形作用吸收了結(jié)構(gòu)應(yīng)變能，使原本混凝土自身的收縮作用

及微裂紋擴(kuò)展需要吸收更多的能量才能實(shí)現(xiàn)，從而起到減縮增韌的效果。通過(guò)上

述研究，得出ZWL-C-IX摻量為膠凝材料總量的0.9%,同時(shí)減縮增韌劑摻量為

膠凝材料總量的0.8%時(shí)，為低溫升抗裂混凝土外加劑的最佳摻量。

2.4.3入模溫度對(duì)大體積混凝土絕熱溫升的影響

眾多工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，大體積混凝土在不同入模溫度下澆筑施工，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部

溫度場(chǎng)的狀況差異明顯。研究發(fā)現(xiàn)混凝土入模溫度越高對(duì)水化反應(yīng)的促進(jìn)作用愈

強(qiáng)，膠凝材料的放熱速率和大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的絕熱溫升也有明顯的提高，

而低入模溫度則會(huì)對(duì)膠凝材料的水化放熱起到抑制作用。大體積混凝土規(guī)范當(dāng)中

僅對(duì)不同種類礦物摻合料及不同摻量條件下的膠凝材料水化熱計(jì)算給出相應(yīng)計(jì)

算公式，而公式中并未考慮入模溫度的影響。綜合考慮膠凝材料中礦物摻合料種

類、相對(duì)摻量及入模溫度,對(duì)不同入模溫度對(duì)大體積混凝土絕熱溫升及膠凝材料

體系水化反應(yīng)的影響進(jìn)行深入研究，并對(duì)混凝土絕熱溫升的計(jì)算公式進(jìn)行修正。

(1)原材料

水泥采用安徽"海螺"P.042.5R水泥；粉煤灰采用浙江長(zhǎng)興電廠I級(jí)灰，

水泥和粉煤灰的化學(xué)成分由X射線熒光分析得到，見表3.1.1；拌合水采用自來(lái)

水；減水劑采用浙江五龍ZWL-A-IX緩凝高效減水劑，減水率為28.6%,分別

命名為PCI、PC2、PC3,分子結(jié)構(gòu)具體信息見表3.2.2。PCI、PC2、PC3為

甲氧基聚乙二醇甲基丙焙酸酯系聚竣酸減水劑，由A和B兩種單體共聚而成(A

為甲基丙烯酸，簡(jiǎn)稱MAA;B為甲氧基聚乙二醇，簡(jiǎn)稱MPEG),其化學(xué)式為：

廣

fcF—CH^-(-CH2—CH好

COOHC=O

O4-CH2CH2O4^CH3

產(chǎn)o

H2C=CH-COOHH2C=CH2—C—OY—CH2cH2。+飆

AB

表3.2.1原材料化學(xué)成分

原材料CaO(%)MgO(%燒失量(%)共計(jì)(％)

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減水劑分子結(jié)構(gòu)參數(shù)

編號(hào)主鏈長(zhǎng)(nm)支鏈長(zhǎng)(nm)分子量(g/mol)

PCI13.08.335546

PC216.68.354472

PC311.38.329759

(2)入模溫度對(duì)膠凝材料水化放熱特性的影響

膠凝材料的水化放熱速率以及混凝土的絕熱溫升與混凝土施工時(shí)的入模溫

度密切相關(guān)，隨著入模溫度的升高，膠凝材料的水化放熱速率、放熱量均會(huì)有不

同程度的增長(zhǎng)。在大體積混凝土的施工過(guò)程需使用大量水泥、粉煤灰和礦粉等膠

凝材料，而現(xiàn)場(chǎng)拌合樓所用的這些膠凝材料大多情況下都是隨進(jìn)隨用，所以存放

在貯倉(cāng)里的膠凝材料溫度常超過(guò)60℃,如遇大方量混凝土澆筑晝夜施工時(shí),膠

凝材料都未能經(jīng)過(guò)冷卻即進(jìn)行使用，溫度高達(dá)90。(：以上，使用如此高儲(chǔ)存溫度

的膠凝材料拌合出來(lái)的混凝土，除了極端地區(qū)或極端天氣條件下，混凝土的入模

溫度一般會(huì)高于15。(2,考慮到不同季節(jié)施工時(shí)，混凝土的入模溫度差異較大，

故選取了15℃,25℃,35T三個(gè)溫度段，對(duì)不同入模溫度對(duì)膠凝材料體系水化

反應(yīng)的影響進(jìn)行研究。

1)礦物摻合料換算放熱量及放熱取代系數(shù)

礦物摻合料水化活性不及純水泥，因此通常情況下不直接測(cè)定其水化放熱

量。但礦物摻合料中的活性氧化硅、氧化鋁等會(huì)與水泥水化反應(yīng)后析出的

Ca(0H)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，Ca(0H)2作為堿性激發(fā)劑，極大地促進(jìn)了礦物摻合

料的水化反應(yīng)，而Ca(OH)2的含量與水泥摻量密切相關(guān)。因此，本文利用礦物

摻合料換算放熱量及放熱取代系數(shù)分別來(lái)表征在不同水泥摻量條件下，單位質(zhì)量

礦物摻合料自身的水化放熱特性。

礦物摻合料換算放熱量及放熱取代系數(shù)計(jì)算公式按下式進(jìn)行：

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

'x

N,=/(3-2-6)

'c

其中：C一單位質(zhì)量水泥放熱量(J/g)

X一礦物摻合料摻量(g)

G——單位質(zhì)量膠材放熱量(J)

Mt單位質(zhì)量礦物摻合料換算放熱量(J)

Nt-單位質(zhì)量礦物摻合料放熱取代水泥系數(shù)

2)試驗(yàn)配合比

表3.2.5水泥-粉煤灰體系配合比

55~水泥(％)~~粉煤灰(％)減水劑(％)水灰比

FA10901010.35

FA20802010.35

FA33673310.35

FA5050501035

FA67336710.35

試驗(yàn)中在固定水灰比及減水劑摻量的條件下調(diào)整水泥及粉煤灰的摻量，使粉

煤灰摻量分別為膠材總量的10%,20%、33%、50%、67%,以探究不同粉煤

灰摻量對(duì)復(fù)合膠凝材料水化放熱規(guī)律的影響。

3)不同入模溫度下水泥一粉煤灰體系的放熱規(guī)律研究

將上述配合比制備出的試樣放入TA,得到的不同入模溫度對(duì)水泥一粉煤灰

體系水化放熱特性影響結(jié)果如下：

表326水泥-粉煤灰體系水化放熱特性

3d放熱摻合料換算溫峰出現(xiàn)

摻合料放熱最大放熱速

試樣編號(hào)量放熱量時(shí)間

Mt

取代系數(shù)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：表中之前為入模溫度，之后為配合比編號(hào)

-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.入模溫度為15。（：時(shí)的放熱速率曲線b.入模溫度為25P時(shí)的放熱速率曲線

(

ma

ul

)

o

I

i

o

u

c

n

q

二

c.入模溫度為35℃時(shí)的放熱速率曲線

圖3.2.2水泥-粉煤灰體系水化放熱速率曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，在入模溫度相同的條件下，試樣水化放熱量及放熱速率的降

低程度、水化放熱峰值出現(xiàn)的推移程度，均隨粉煤灰摻量的增加而增加。在粉煤

灰摻量相同的情況下，隨著入模溫度的提高，體系水化放熱量、溫峰強(qiáng)度均提高,

其中粉煤灰參與水化反應(yīng)而產(chǎn)生的放熱量及取代水泥的放熱折算系數(shù)亦出現(xiàn)不

同程度的增長(zhǎng)。同時(shí)由放熱曲線形狀可知，溫度的增加明顯促進(jìn)了粉煤灰的反應(yīng)，

15工時(shí)有兩個(gè)明顯的放熱峰,而當(dāng)入模溫度為35T時(shí)候僅有一個(gè)放熱峰出現(xiàn)，

說(shuō)明水泥+粉煤灰體系的放熱峰可細(xì)化成兩個(gè)小峰，分別對(duì)應(yīng)于水泥水化反應(yīng)和

粉煤灰的二次水化反應(yīng)，而由于高溫作用，粉煤灰的二次水化反應(yīng)速率增大，導(dǎo)

致其和水泥熟料放熱的差距減小，再加上其反應(yīng)熱值也較小，所以第二放熱峰基

本沒(méi)有明顯分化現(xiàn)象。

由此得出，水泥摻量及入模溫度對(duì)水泥-粉煤灰體系的放熱反應(yīng)均有較強(qiáng)的

促進(jìn)作用。就FA50（膠材總量400kg）而言，其在入模溫度為15。（：時(shí)的絕熱

溫升較25℃和35T時(shí)的絕熱溫升相比，分別降低了7.22。（：及14.36。故為了

降低大體積混凝土內(nèi)部的最高溫度峰值和內(nèi)表溫差，應(yīng)當(dāng)盡量提高粉煤灰的摻

量，同時(shí)降低施工時(shí)的入模溫度。

4）入模溫度對(duì)復(fù)雜膠凝材料體系水化放熱特性的影響

針對(duì)C30、C40及C50大體積混凝土的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，確定了6組低水泥

摻量下的膠凝材料基準(zhǔn)配合比?，F(xiàn)對(duì)以下6組配合比在不同入模溫度下的水化放

熱特性進(jìn)行研究。

表3.2.9復(fù)雜膠凝材料體系配合比

編號(hào)水泥粉煤灰（%）礦粉減水劑（%）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“獷之后為強(qiáng)度強(qiáng)度等級(jí)，”/之后為配合比編號(hào)

將上述配合比制備出的試樣放入TA，得到的不同入模溫度對(duì)復(fù)雜膠凝材料

體系水化放熱特性影響結(jié)果如下表：

表3.2.10復(fù)雜膠凝材料體系放熱特性

摻合料換算溫峰出現(xiàn)

3d放熱摻合料放熱最大放熱速

試樣編號(hào)放熱量時(shí)間

Mt

取代系數(shù)率(mW/g)

量(J/g)Nt

(J/g)(h:min