削峰劑與膨脹劑雙摻技術(shù)在超長大體積結(jié)構(gòu)混凝土防溫度裂縫中的研究與應(yīng)用

尹 秀, 解 悅, 閆 濤

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 611730)

1 概 述

成都市地鐵19號線地下停車廠C40P8超長結(jié)構(gòu)混凝土使用年限為100 a,服役環(huán)境為Ⅱa類,設(shè)計齡期為28 d,厚度為1 m,高度為7～9 m,整體長度達500 m。按照《大體積混凝土施工規(guī)范》GB 50496-2018中的定義,該結(jié)構(gòu)屬于超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)。此類混凝土結(jié)構(gòu)面臨大尺寸、大約束、大溫度應(yīng)力三個“大”問題,其因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的開裂風(fēng)險極高。為降低結(jié)構(gòu)開裂,在設(shè)計上采取了“跳倉法”施工,將該結(jié)構(gòu)分割成幾小塊以釋放結(jié)構(gòu)的溫降變形,防止結(jié)構(gòu)混凝土開裂。但分割后的結(jié)構(gòu)混凝土平均一次性澆筑長度仍達40 m左右,單次澆筑的最長長度則接近60 m,依然存在很大的溫度開裂風(fēng)險。為解決這一問題,急需找到一種切實可行的方法。為此,我單位技術(shù)人員通過文獻調(diào)研、理論研究、現(xiàn)場驗證等多種手段,力求尋找到新的解決方法。

2 現(xiàn)有針對溫度裂縫采用的解決手段

超長大體積結(jié)構(gòu)混凝土在澆筑成型后其混凝土內(nèi)部由于膠凝材料水化釋放出大量的水化熱,加之混凝土本身散熱性能較差而造成混凝土內(nèi)外表面形成較大的溫差,同時其在溫降過程中出現(xiàn)了混凝土內(nèi)外部溫降不一致的情況,進一步加劇了混凝土內(nèi)外部溫差,使混凝土產(chǎn)生了較大的溫度收縮而導(dǎo)致混凝土受拉破壞,出現(xiàn)溫度裂縫。

對于如何有效預(yù)防超長大體積結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生溫度裂縫,目前普遍采用向混凝土中加入膨脹劑,利用膨脹劑的膨脹能以補償大體積混凝土因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的溫度收縮,從而達到防裂效果[1～4]。但是,大體積混凝土由于混凝土方量大,內(nèi)部溫升很高,僅僅依靠膨脹劑產(chǎn)生的膨脹能補償溫度收縮需要大幅度提高其摻量。但在大量摻入膨脹劑后將會對混凝土的工作性能及強度產(chǎn)生較大的影響[5];同時,由于膨脹劑摻量過高,還存在后期過分膨脹帶來的開裂風(fēng)險。

鑒于此,我單位技術(shù)人員針對采用削峰劑與膨脹劑雙摻技術(shù)的技術(shù)方案,開展了對超長大體積混凝土防溫度裂縫以及應(yīng)用效果的研究。通過摻入削峰劑以降低大體積混凝土水化熱帶來的部分溫升,摻入適量的膨脹劑釋放膨脹能以補償剩余溫升值在溫降過程中產(chǎn)生的溫度收縮,最終達到降低混凝土澆筑后大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫風(fēng)險的目的。

3 削峰劑與膨脹劑雙摻技術(shù)研究

3.1 原材料

水泥為洋房P·MH 42.5中熱硅酸鹽水泥,產(chǎn)自江西九江,其化學(xué)組成見表1,礦物成分見表2,物理性能見表3,滿足《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》GB/T 200-2017中對中熱硅酸鹽水泥的相關(guān)要求。

表1 水泥和粉煤灰化學(xué)組成表 /%

粉煤灰為F類I級粉煤灰,產(chǎn)自四川金堂,其化學(xué)組成見表1,物理性能見表4,滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2017中對F類Ⅰ級粉煤灰的相關(guān)要求。

表4 粉煤灰物理性能表

粗骨料為四川什邡產(chǎn)人工碎石,粒徑為5～31.5 mm,連續(xù)級配,壓碎指標(biāo)為4.7%。

細骨料為四川什邡產(chǎn)人工砂,粒徑為0～5 mm,石粉含量為4.1%,細度模數(shù)為2.7。

膨脹劑為氧化鈣-硫鋁酸鈣型膨脹劑,其性能檢測結(jié)果見表5,滿足《混凝土膨脹劑》GB/T 23439-2017中Ⅱ型膨脹劑的相關(guān)要求。

表5 膨脹劑性能表

所采用的HB7-3型削峰劑為我單位研發(fā),可有效削減大體積混凝土最大溫升并降低其早期升溫速率的新材料,其性能檢測結(jié)果見表6,滿足《混凝土水化溫升抑制劑》JC/T2608-2021中的相關(guān)要求。

表6 HB7-3型削峰劑性能表

3.2 配合比設(shè)計思路

混凝土配合比的設(shè)計思路:首先對碎石級配以及砂率進行試驗,以保證集料達到最低空隙率,使混凝土在滿足工作性能的情況下降低其膠材用量;然后在設(shè)計好的混凝土配合比中摻入削峰劑以降低混凝土澆筑后的溫峰值;摻入適量的膨脹劑制備成補償收縮混凝土以抵抗溫降收縮,達到降低溫度裂縫產(chǎn)生的目的。

3.3 基準(zhǔn)混凝土配合比參數(shù)的確定

通過對混凝土碎石級配、砂率、粉煤灰以及外加劑摻量進行不同的配合比反復(fù)調(diào)整試驗,在所有試驗結(jié)果均滿足強度、工作性能和耐久性要求的情況下,最終確定了C35混凝土配合比參數(shù)見表7。

表7 C35混凝土配合比表 /kg·m-3

3.4 削峰劑摻量對混凝土溫升影響的研究

在表7所示的C35混凝土配合比基礎(chǔ)上,分別加入膠凝材料總質(zhì)量為0.5%、1%以及1.5%的HB7-3削峰劑進行混凝土絕熱溫升試驗。不同削峰劑摻量對混凝土絕熱溫升的影響見圖1。由圖1所示數(shù)據(jù)可知:加入削峰劑后,混凝土的絕熱溫升上升速率有明顯的減緩,且削峰劑摻量越大其對應(yīng)的絕熱溫升上升速率越慢,表明加入削峰劑對降低混凝土的水化速率有明顯的效果;需要注意的是:當(dāng)削峰劑摻量超過1%后,混凝土的凝結(jié)時間延長,對施工進度以及混凝土表面防裂造成負面影響。因此,結(jié)合實際情況,最終將削峰劑摻量定為1%。

圖1 不同削峰劑摻量對混凝土絕熱溫升影響圖

圖2為基準(zhǔn)混凝土與加入1%削峰劑后的混凝土試驗墩溫升數(shù)據(jù)對比圖。由圖2所示數(shù)據(jù)可知:加入1%削峰劑后,其對應(yīng)的混凝土溫峰值由58 ℃降低到49 ℃,降低幅度約為15%。

圖2 混凝土試驗墩溫升數(shù)據(jù)對比圖

3.5 膨脹劑摻量對混凝土性能影響的研究

在基準(zhǔn)混凝土以及摻入1%削峰劑的基礎(chǔ)上,加入膠凝材料總質(zhì)量5%、6%和8%的膨脹劑進行了混凝土限制膨脹率測定試驗。不同膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率效果見圖3。由圖3所示數(shù)據(jù)可知:加入膨脹劑后,混凝土在養(yǎng)護過程中隨著時間的延長,其對應(yīng)的限制膨脹率增加,在水中養(yǎng)護10 d以后,限制膨脹率的增加幅度減緩;20 d以后,限制膨脹率基本不再明顯變化;膨脹劑摻量越大其對應(yīng)的混凝土限制膨脹率增加幅度越大;在5%、6%以及8%膨脹劑摻量下其對應(yīng)的混凝土14 d限制膨脹率分別為298 με、372 με以及485 με;膨脹劑內(nèi)摻8%后其對應(yīng)的混凝土28 d強度出現(xiàn)了較大幅度的降幅。從混凝土結(jié)構(gòu)安全性考慮,最終將膨脹劑摻量選定為內(nèi)摻6%。

圖3 不同膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率測定數(shù)據(jù)示意圖

4 工程應(yīng)用效果

根據(jù)削峰劑及膨脹劑摻量試驗,最終確定的成都市地鐵19號線地下停車廠C40P8超長結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場生產(chǎn)混凝土配合比見表8。

表8 現(xiàn)場生產(chǎn)混凝土配合比表 /kg·m-3

混凝土澆筑后,對混凝土溫度以及應(yīng)變進行了實時測定,所取得的數(shù)據(jù)見圖4。由圖4所示的數(shù)據(jù)可知:混凝土入模溫度為30℃,在澆筑成型后第2 d溫度達到最高54 ℃,溫升為24 ℃,從而將其內(nèi)外溫差成功控制在25 ℃以內(nèi),澆筑后的第3 d開始出現(xiàn)降溫,在澆筑后的第6 d,混凝土溫度和環(huán)境溫度相當(dāng);其結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變測定數(shù)據(jù)從澆筑開始到齡期30 d時均為正值,表明混凝土始終處于膨脹狀態(tài),從而有效補償了混凝土因溫降帶來的收縮。

圖4 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)實際溫度/應(yīng)變測定數(shù)據(jù)圖

技術(shù)人員對現(xiàn)場150 m長墻結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑后3個月進行了表面裂縫檢測,其結(jié)果表明:整體長墻表觀質(zhì)量良好,未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫,表明采用削峰劑與膨脹劑雙摻技術(shù)有效解決了超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的溫度裂縫問題。

5 結(jié) 語

此次研究旨在通過削峰劑與膨脹劑雙摻技術(shù)降低超長大體積結(jié)構(gòu)混凝土溫度裂縫出現(xiàn)的概率。采用削峰劑降低大體積混凝土的部分溫升,采用膨脹劑釋放的膨脹能補償剩余水化熱在溫降過程中產(chǎn)生的溫度收縮,雙管齊下以降低超長大體積結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的風(fēng)險。

試驗結(jié)果表明:在不改變混凝土工作性能和力學(xué)性能的前提下,該技術(shù)可有效降低混凝土水化熱并提供適當(dāng)?shù)呐蛎浤?其在成都地鐵19號線150 m混凝土長墻結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)用效果表明:在混凝土澆筑后近3個月對現(xiàn)場150 m超長大體積結(jié)構(gòu)混凝土進行檢測的結(jié)果為該結(jié)構(gòu)混凝土表面沒有出現(xiàn)肉眼可見的溫度裂縫,防裂效果達到了預(yù)期目的。