近年来，随着我国基础设施的快速建设，大型水利工程、核电工程、超高层建筑结构、大型民用设施和大型地下结构工程不断涌现，并在国民经济中发挥着巨大作用。然而，大体积混凝土在施工和运行过程中存在诸多问题，混凝土开裂为普遍性的技术难题之一。国内外学者对混凝土结构裂缝进行调查分析时发现，混凝土结构由非荷载引起的“非荷载裂缝”约占裂缝总数的80%。其中混凝土收缩裂缝又占“非荷载裂缝”的绝大部分。慕尼黑工业大学Springenschmid在关于德国混凝土的研究中指出，大多数混凝土收缩应力的1/3来自温度收缩、2/3来自干燥收缩，并指出避免混凝土早期温度裂缝为当前混凝土技术的主要问题之一。

　　 水化热抑制剂为一种新型混凝土外加剂，主要抑制大体积混凝土由于水化温升过高产生的温度收缩裂缝，由多羟基化合物和多羟基酯类衍射物按一定比例复合而成，能在水泥碱性溶液中不断溶解、吸附。可明显抑制水泥矿物C₃S的早期水化速率 (见图1) ，有效调控水泥加速期的水化历程和集中放热，延缓放热过程，降低早期放热量，最终降低混凝土内部最高水化温升，从而实现控制混凝土早期温度裂缝的目的。

　　 水化热抑制剂对水泥水化放热历程的影响如图2所示，由图2可知，传统缓凝剂只能延迟水泥水化温峰出现的时间，而水化热抑制剂既能延迟温峰出现的时间，又能大幅降低水化放热速率。当混凝土结构存在一定散热条件时，能有效削弱内部温峰，降低温度开裂风险。

　　 20世纪90年代日本成功研制出抑制水泥水化热的“电化CSA100R”、中国建筑材料科学研究总院研制的抑制水化热型混凝土膨胀剂HCSA-R等。但对于水化热抑制剂在实际工程中的应用研究较少，主要针对湖北地区水资源配置工程，探究水化热抑制剂在水利工程大体积混凝土应用中的降温效果。

　　 湖北省某水利工程以城乡生活供水、工业供水和农业供水为主，通过退还被城市挤占的农业灌溉和生态用水，改善受水区用水条件。该工程第4标段位于湖北省枣阳市，主体工程包括渡槽、明渠、暗涵、隧洞等，总长8.16km。其中包括大体积混凝土结构和超长超大薄壁结构，如暗涵侧墙、渡槽、进出口翼墙等，对结构稳定性和安全性有极高的要求，混凝土裂缝控制尤为重要。预防大体积混凝土结构开裂，需严格控制施工过程中的水化放热量，针对温度裂缝机理及产生原因采取有效的预防措施。

　　 选取暗涵段为试验对象，工程现场采用明挖法施工，暗涵侧墙与底板受地基约束，且暗涵通风条件有限，内部环境温度较高，在夏季高温环境下施工易因温度应力过大产生裂缝。

　　 选取2段侧墙作为试验段，尺寸均为10.0m (长) ×5.5m (高) ×1.0m (厚) ，为钢筋混凝土结构，混凝土设计强度等级为C25W6F150。

　　 选用P·O42.5普通硅酸盐水泥;细骨料为河砂，细度模数为3.0～3.2;粗骨料选用5～10, 10～25mm连续级配的碎石;选用Ⅰ级粉煤灰;减水剂为HL-8000型聚羧酸盐减水剂;纤维型号为UF500;水化热抑制剂型号为HHC-S;水为普通自来水。水泥和粉煤灰化学分析结果如表1所示。

　　 混凝土各项物理性能试验均采用现场实际生产配合比，具体如表2所示。水化热抑制剂掺量为胶凝材料的1%，掺入方式为外掺，作为抑制剂组。

　　 混凝土和易性和抗压强度检验结果如表3所示。与基准混凝土相比，掺入水化热抑制剂的混凝土初始坍落度及损失相差不大。掺入水化热抑制剂后混凝土7, 28d抗压强度分别提高32.4%，19.3%。

　　 暗涵结构及温度传感器布置如图3所示，温度传感器的埋设参照GB 50496—2012《大体积混凝土工程施工规范》，埋设部位选为侧墙中心位置。

　　 基准组、抑制剂组侧墙中心位置混凝土温升曲线如图4所示，具体数值如表4所示。由图4及表4可知，基准组侧墙中心混凝土水化温峰为61.4℃，出现时间为23h;抑制剂组侧墙中心混凝土水化温峰为55.3℃，出现时间为34h。抑制剂组温峰较基准组降低6.1℃，出现时间延迟11h，说明水化热抑制剂明显降低了混凝土中心温度，延迟了温峰出现时间。

　　 根据实测数据，采用MIDAS/Civil软件中的水化热分析模块进行有限元分析。根据轴对称性，取实体结构的1/4作为几何模型，如图5所示。

　　 根据模型计算结果，由部分时刻基准组与抑制剂组温度云图可知，在10h前的升温阶段，抑制剂组混凝土内部升温较慢。随着水化反应的进行产生大量热量，23h时基准组混凝土中部已积聚大量热量，并达到温峰，且温峰区较大，由于混凝土导热性差，加之外界的散热作用，此时外部边角部位的混凝土接近环境温度，里表温差高达31.6℃。抑制剂组温峰出现时间推迟至34h，内部温峰区较小，内外温度梯度过渡平缓。在基准组23～55h的降温阶段，34h时混凝土内部还存在较大的高温区，但表面已基本降至环境温度，55h时高温区消失，这种温度的陡降极易造成混凝土温降收缩开裂。抑制剂组混凝土降温较平缓，降温过程中结构内部未产生较大的温度梯度。

　　 当拉应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土将产生裂缝，温差变化影响拉应力的产生及分布。根据模型运算结果，以裂缝指数 (抗拉强度与拉应力的比值) 衡量某一区域产生裂缝的可能性，即裂缝指数≥1时，混凝土无开裂风险;当裂缝指数<1且越接近于0时，开裂风险越大，产生有害裂缝的几率越大。

　　 由部分时刻侧墙开裂区域分布云图可知，开裂风险区域较大的时期为混凝土升温及降温阶段，这与温度场分析结果吻合。升温阶段基准组混凝土内部温度急剧上升，但未传至表面，产生第1次里表温差极大值。此时混凝土抗拉强度尚在发展，抵御温差收缩应力的能力较低，但由于模板的限制作用，结构开裂风险较低。降温阶段混凝土拆模后表面散热较快，内部仍积聚大量水化热，产生第2次里表温差极大值，此时产生的温度应力大于混凝土抗拉强度，开裂风险较大。抑制剂组混凝土温峰降低6.1℃，掺入抑制剂的主要作用在于减小混凝土升温及降温速率，使整个过程中温度梯度较为平缓，降低温差收缩应力。

　　 本工程大体积混凝土结构掺入水化热抑制剂浇筑14d后，墙体未出现开裂情况，温度裂缝得到有效控制。

　　 1) 水化热抑制剂降温效果明显，使混凝土中心温峰降低6.1℃，出现时间延迟11h，表明水化热抑制剂可降低混凝土温度裂缝产生的风险。

　　 2) 将实测数据导入有限元模型中，得到基准组及掺水化热抑制剂组混凝土温度分布情况。计算结果表明，抑制剂组混凝土温度分布较均匀，温峰区域显著减小，各时段温度梯度较平缓。

　　 3) 通过模拟分析开裂区域分布情况可知，掺水化热抑制剂后的混凝土开裂指数较低，且具有开裂风险的区域明显缩小。

　　 4) 水化热抑制剂主要作用不仅在于降低混凝土温峰值，还使混凝土在升温、降温过程中的温度梯度相对平缓，降低温差收缩应力，减少温度收缩裂缝出现的几率。