【摘要】 本文深入研究淀粉基化学外加剂对水泥水化热的控制效果与机理，通过FT-IR、量热分析等手段验证其降温效果，为工程应用提供理论依据。

技术背景与工程挑战

大体积混凝土结构在现代工程建设中扮演着重要角色，中国每年消耗量超过1000万立方米，广泛应用于大坝、桥梁、港口和超高层建筑。然而，水化热导致的温度裂缝问题始终是工程质量控制的难点。混凝土作为低导热材料，在水化过程中内部温度持续上升，当达到峰值后由于温度下降产生收缩应力，当拉应力超过材料抗拉强度时即形成裂缝，严重影响结构的耐久性和安全性。

传统的水化热控制方法主要包括选用低热水泥、掺入矿渣或粉煤灰等辅助胶凝材料，以及采用冷却水管、预冷骨料等技术措施。但这些方法存在施工复杂、成本高昂或效果有限等问题。Zhang等人创新性地开发了一种淀粉基化学外加剂（SA），为水化热控制提供了新的解决方案。

 

淀粉基外加剂的化学特性与表征

FT-IR光谱分析

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对化学外加剂进行表征，结果显示在3300 cm⁻¹处出现宽峰，对应羟基（-OH）的伸缩振动。2933 cm⁻¹处的弱吸收带归属于C-H伸缩振动，1454-1372 cm⁻¹之间的吸收峰为淀粉环骨架振动，1016-1062 cm⁻¹区间的吸收由C-O伸缩振动引起，857 cm⁻¹处的弱峰则对应C-O-C伸缩振动。

这些特征峰表明该化学外加剂含有丰富的淀粉基羟基亲水性化合物，为其在水泥水化过程中的作用提供了化学基础。羟基的存在使得外加剂能够与水分子形成氢键，从而影响水泥的水化过程。

图1 化学混合物的FT-IR光谱。

 

水化热调控效果实验研究

等温量热法分析

通过等温量热法研究不同掺量SA对水泥水化过程的影响。实验结果显示，化学外加剂的加入显著改变了水化反应速率和程度。当SA掺量从0.2%增加至0.6%时，最大热流从2.6 mW/g降低到1.5 mW/g，表明水化放热速率得到有效控制。

值得注意的是，随着外加剂掺量的增加，水化放热峰值出现时间延迟，这说明SA不仅降低了放热速率，还延缓了水化进程，为大体积混凝土的温度控制提供了更宽的时间窗口。

图2 四种化学外加剂掺量对w/c为0.38的水泥浆体在恒定试验温度20 ℃下的量热曲线的影响如下:（a）热流率;（b）水泥浆体的累积水化热。

半绝热量热法验证

采用半绝热量热法对掺加SA的砂浆进行温升测试，结果与水泥浆体的等温量热曲线具有良好的一致性。未掺加SA的砂浆最高温度达到36℃，而掺加0.6% SA的砂浆最高温度降至25℃，降温幅度达11℃。

这一结果证明SA在实际砂浆体系中仍能保持优良的水化热控制效果，为其工程应用提供了实验依据。温度峰值的大幅降低直接意味着温度裂缝风险的显著减小。

图3 四种掺量混合的化学外加剂掺量对w/c 0.38砂浆在恒定试验温度20 ℃下温度变化的影响。

 

作用机理深入分析

水化过程调控机制

SA对水泥水化的影响机制可能源于其长链聚合物结构对水化产物形成的阻碍作用。淀粉基聚合物中的亲水基团与水分子的相互作用，改变了水泥颗粒表面的水化环境，延缓了C-S-H等主要水化产物的形成速率。

此外，SA分子可能在水泥颗粒表面形成一层保护膜，限制了离子扩散和水化反应的进行，从而实现了对水化放热过程的调控。这种物理阻碍作用与化学延缓效应的协同作用，是SA能够有效控制水化热的关键。

微观结构影响

通过X射线衍射分析和电阻测试结果表明，SA的加入改变了水化产物的结晶度和分布状态。长链聚合物的存在可能影响了水化产物的取向生长，从而优化了水泥石的微观结构，进一步提高了抗裂性能。

 

工程应用价值与前景

技术优势分析

与传统水化热控制措施相比，淀粉基外加剂具有显著优势：

1.施工简便​：直接掺入混凝土配合比，无需额外设备安装

2.成本效益​：相比冷却水管等措施，材料成本大幅降低

3.​效果显著​：最大可降低水化温升11℃，有效控制温度裂缝

4.​适应性广​：适用于各种大体积混凝土工程

应用前景展望

随着基础设施建设的持续发展，对大体积混凝土裂缝控制的需求日益增长。淀粉基外加剂作为一种绿色、经济、高效的水化热控制方案，在水利工程、交通基建、城市建设等领域具有广阔的应用前景。未来研究可进一步优化配方，提高适应性和经济性。

 

结论与建议

本研究证实淀粉基化学外加剂能有效降低水泥水化热，减少温度裂缝风险。当掺量为0.6%时，水化热流降低43%，砂浆最高温度降低11℃。其作用机理主要源于长链聚合物对水化过程的物理阻碍和化学延缓效应。

在实际工程应用中，建议根据具体工程要求和环境条件优化SA掺量，平衡水化热控制与凝结时间的关系。同时，需要进一步研究SA与其他外加剂的相容性，以及长期耐久性影响，为工程应用提供更全面的技术支撑。

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参考文献

1.Zhang, H.;  Wang, W.;  Li, Q.;  Tian, Q.;  Li, L.; Liu, J., A starch-based admixture for reduction of hydration heat in cement composites. Constr. Build. Mater. 2018, 173, 317-322.

 

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