降低大體積混凝土水化熱的措施探討

毋慧玲

（臺州市皓強建材有限公司，浙江 臺州 318000）

0 前言

混凝土是由膠凝材料、砂石骨料和水、外加劑等各組分經(jīng)物理和化學反應(yīng)形成的多相體材料，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中扮演了極為重要的角色，混凝土質(zhì)量也關(guān)乎工程實體的安全和服役壽命，因此如何保證混凝土工程各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制也成為參建各方關(guān)注的重點。大體積混凝土澆筑方量大、施工緊湊，混凝土集中放熱，造成混凝土內(nèi)外溫差增大，在養(yǎng)護不良的情況下極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，從而帶來混凝土結(jié)構(gòu)強度和耐久性下降等系列問題[1]。降低大體積混凝土水化熱，要對引起混凝土水化熱升高的因素進行分析，進而從原材料、施工及溫控技術(shù)各方面著手，做到綜合管控。

本文通過對引起混凝土水化熱升高的因素進行分析，并對降低大體積混凝土水化熱的方法進行探討，以期為工程實際提供參考。

1 引起混凝土水化熱升高的因素

1.1 膠凝材料

水泥和礦粉、煤灰等礦物摻和料共同組成了混凝土的膠凝組分，遇水拌和后發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣以及鈣礬石等水化產(chǎn)物，并在反應(yīng)過程中釋放大量熱量，使得混凝土內(nèi)部溫度升高。因此膠凝材料是影響混凝土水化熱升高最直接的材料因素。水泥熟料組成結(jié)構(gòu)、細度和溫度都會對水泥水化熱產(chǎn)生影響[2]。重慶大學王沖等[3]人通過研究發(fā)現(xiàn)，水泥比表面積增加，混凝土升溫速率和水化放熱總量均增加，水泥組分中堿含量也使得早期放熱量集中，適當提高石膏用量可以延緩水泥水化放熱速率，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升值。

水泥熟料中 C3A 和 C3S 水化反應(yīng)快，放熱較為集中，因此水泥中 C3A 和 C3S 含量較高時混凝土內(nèi)部水化放熱較快[2]，更容易出現(xiàn)溫度裂縫。熱水泥的應(yīng)用也使得混凝土內(nèi)部水化放熱集中，水泥水化放熱峰值大幅提前[4]，見圖 1。

粉煤灰和礦粉等礦物摻和料的加入不僅能節(jié)約水泥用量，同時也有利于降低水泥水化熱[5,6]。羅樹強[7]的研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰的加入可以降低混凝土早期溫升速率，削減混凝土溫峰值，且摻量增加混凝土內(nèi)部放熱速率放慢。適當細度的粉煤灰能夠進一步延緩水泥放熱峰的出現(xiàn)。磨細礦粉同樣可以改變水泥的水化歷程，延緩水泥放熱速率，但其效果不如粉煤灰。雙摻礦粉和煤灰可以起到協(xié)同效應(yīng)（圖 2），降低混凝土內(nèi)部早期溫升[5]。而硅灰對水泥水化熱的研究則出現(xiàn)摻量的差異，郝俊娟等人[8]認為低摻量下硅灰可以促進水泥水化反應(yīng)，水化熱增加，摻量高時會降低水泥水化熱。

圖1 水泥溫度對水化放熱速率的影響[4]

圖2 單、雙摻礦物摻和料對混凝土內(nèi)部溫度的影響

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比在設(shè)計的過程中，要充分考慮大體積混凝土自身放熱特點，盡可能的少用水泥或采用低熱水泥，增加礦物摻和料的比例，同時采用緩凝型的減水劑，降低大體積混凝土早期絕熱溫升。

重慶大學王沖[9]通過在 C150 超高強混凝土中改變礦物摻和料比例，研究混凝土內(nèi)部的溫升以及內(nèi)外表面溫差值，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計混凝土配比時加入活性礦物摻和料完全可以控制混凝土溫升值，并應(yīng)用于大體積混凝土。

其他條件相同時，水膠比越低、混凝土的絕熱溫升達到的峰值越高，這說明水分欠缺時水泥水化正向反應(yīng)速度加快，促進水化產(chǎn)物的大量生成，導致早期水化放熱較快。此外緩凝型外加劑在混凝土配合比的應(yīng)用可以延緩水化放熱速率，降低溫升值，鄭克仁等[10]研究發(fā)現(xiàn)緩凝劑可以有效延緩水泥早期的水化進程，而對后期水化程度無影響。

1.3 施工因素

混凝土從生產(chǎn)到澆筑入模，每一個環(huán)節(jié)對于大體積混凝土的溫升和開裂都至關(guān)重要。作為施工方，做好與材料供應(yīng)單位的要料銜接，在施工過程中分層振搗可以提高混凝土工作范圍，增加混凝土散熱面積。

施工環(huán)境同樣重要。高溫天氣下，水泥水化過快，短時間釋放大量水化熱，由于混凝土是熱的不良導體，從而出現(xiàn)內(nèi)外溫差較大，出現(xiàn)溫度應(yīng)力，混凝土開裂風險較大。因此要避免在高溫天氣（35℃ 以上）澆筑大體積混凝土，以減少混凝土內(nèi)部溫升。

混凝土澆筑完成后要及時進行覆膜、降低水分散失，同時通過蓄水和灑水養(yǎng)護、養(yǎng)護劑養(yǎng)護等養(yǎng)護方法，減少混凝土內(nèi)部游離水的蒸發(fā)速率。良好的養(yǎng)護可以為水泥持續(xù)水化提供充足的水分，降低早期水化放熱速率，同時降低內(nèi)外溫差，溫度裂縫的發(fā)生幾率也會大幅減少[11]。

2 防治措施

2.1 嚴選混凝土原材料

混凝土原材料的篩選是從源頭控制大體積混凝土溫升的第一步，膠凝材料是主要的水化熱來源，因此在進行水泥選擇時，不能只考慮施工工期而選擇早強水泥，這樣會使得混凝土早期水化熱集聚在混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生溫度應(yīng)力增大工程開裂風險，因此要控制水泥細度，通過水泥標稠試驗進行入場驗收標準，采用熟料 C3A 含量低的水泥，降低水泥早期水化反應(yīng)速率。

優(yōu)質(zhì)的礦物摻和料可以削弱水泥水化放熱峰值，延緩水泥反應(yīng)速率，對混凝土內(nèi)部溫升提高有效調(diào)控的作用。在機制砂普遍使用的今天，要對機制砂的各項指標進行嚴格控制，包括機制砂的細度、含粉、MB 值等，尤其是機制砂 MB 值，高 MB 值機砂能夠吸收較多的水分，和外加劑分子形成競爭吸附[12]造成大體積混凝土早期開裂風險增加。

2.2 做好生產(chǎn)管理及運輸

混凝土攪拌站作為大體積混凝土的供應(yīng)方，要合理設(shè)計混凝土配比，盡量擴大活性礦物摻和料的使用比例，采用緩凝型外加劑，同時做好混凝土運輸過程中的保溫，減少混凝土在運輸過程中的坍落度損失，對出站混凝土進行內(nèi)部溫度監(jiān)測，并安排大體積混凝土澆筑專人值守，查找混凝土出站和入模混凝土溫升差別原因，及時反饋給生產(chǎn)管理人員和技術(shù)人員，做好過程銜接。

2.3 做好施工管理和及時養(yǎng)護

混凝土施工方要做好要料銜接，減少混凝土的待料時間，同時對入模前的模板和鋼筋采用噴淋降溫，降低混凝土入模溫度。在夏季施工期間，要積極采用降溫新技術(shù)，在混凝土內(nèi)部預設(shè)冷卻導管，通過控制水流來降低混凝土內(nèi)部溫升，同時根據(jù)施工需要，增設(shè)后澆帶，分層澆筑，降低混凝土集中放熱，采用跳倉法施工，減少溫度裂縫的發(fā)生[13]。

同時工地要做好混凝土溫度動態(tài)監(jiān)測，及時調(diào)整生產(chǎn)工序，保證混凝土內(nèi)外溫差值在限制范圍。及時做好混凝土養(yǎng)護，通過覆膜、噴淋、養(yǎng)護劑等做好混凝土養(yǎng)護，保證養(yǎng)護周期，達到養(yǎng)護強度后方可拆模。

2.4 積極利用混凝土降溫新技術(shù)

混凝土施工技術(shù)和外加劑技術(shù)的發(fā)展使得大體積混凝土溫升控制變得可行。骨料風冷和冰水拌和技術(shù)使得混凝土內(nèi)部放熱速率大為減慢。而低熱或中熱水泥自身較低的早期水化熱和較好的后期強度增長使得其在大型水利水電工程或海防工程中得以應(yīng)用[14,15]，并帶來了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

外加劑技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得從原材料端頭抑制水泥水化熱多了更多選項。水化抑制劑的摻入使得混凝土早期溫升大幅降低，但會對混凝土的初始工作性能和經(jīng)時保坍性能造成不良影響，混凝土早期和后期強度均下降[16]。但總的來說，為大體積混凝土降低內(nèi)部水化熱提供了技術(shù)參考。

3 結(jié)論

大體積混凝土水化放熱量控制的核心在于降低水泥水化速率或者降低膠凝體系總的水化放熱量，但原材料的控制、混凝土生產(chǎn)企業(yè)良好的管理以及施工方有序的施工組織及養(yǎng)護都會對降低大體積混凝土溫升有所裨益?？刂拼篌w積混凝土水化熱還要依靠新技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新和新材料應(yīng)用為大體積混凝土溫控及裂縫控制提供更多參考。