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補償收縮混凝土的研究和應用現(xiàn)狀概述

本文由同濟大學孫振平教授課題組楊旭整理

注:本公眾號所發(fā)布內容均為課題組原創(chuàng),轉載或修編時請務必注明出處。



0 引言

采用膨脹水泥或摻加膨脹劑拌制的,硬化過程中產(chǎn)生的體積膨脹能補償干燥收縮的微膨脹混凝土稱為補償收縮混凝土。在鋼筋和鄰位限制下,補償收縮混凝土能在結構中建立(0.2-0.7MPa的預壓應力,可防止或大大減輕混凝土硬化過程產(chǎn)生的收縮裂縫,從而達到抗裂防滲的目的[1]。

吳中偉院士于1979年出版的《補償收縮混凝土》一書[2],是當代第一本論述補償收縮混凝土的專著。該專著提出了混凝土的補償收縮原理、補償收縮模式,以及補償收縮混凝土的設計和工程應用等。游寶坤等通過對膨脹水泥的研究和開發(fā)應用[3],用混凝土膨脹劑取代膨脹水泥,具有技術先進、有利于施工以及降低造價等突出優(yōu)點。

目前,混凝土膨脹劑和補償收縮混凝土的研究方興未艾。中國土木學會混凝土外加劑專業(yè)委員會分別于19941998、2002、2006 、20102014年召開了六屆“全國混凝土膨脹劑學術交流會”,并出版了六部論文集。2009年住房和城鄉(xiāng)建設部制定了行業(yè)標準JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》,2014年建設部修訂了GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》,完善了摻膨脹劑的補償收縮混凝土的配合比設計、構造設計和施工注意事項,這在很大程度上提高了我國補償收縮混凝土的理論和工程應用水平[4]。

1 補償收縮混凝土抗裂機理

補償收縮混凝土是一種微膨脹混凝土,當膨脹劑加入普通水泥與水拌合后,水化反應生成膨脹性水化物----鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)、Ca(OH)2Mg(OH)2等,這是它的膨脹源。

當混凝土膨脹對鋼筋產(chǎn)生拉應力,鋼筋也對混凝土產(chǎn)生了相應的壓應力。一般來說,在鋼筋混凝土結構中建立(0.2-0.7MPa預壓應力,這就相當于提高了混凝土的早期抗拉強度,同時推遲了混凝土收縮的產(chǎn)生,抗拉強度在此期間得到大幅增長,當混凝土開始收縮時,其抗拉強度已增長到足以抵抗收縮產(chǎn)生的拉應力,從而大大減輕或防止混凝土的收縮開裂,達到抗裂防滲的目的[4]。

2 補償收縮混凝土對原材料的要求
2.1 水泥

補償收縮混凝土選擇水泥的立足點與普通混凝土有所區(qū)別,主要是考慮水泥與膨脹劑之間應具有良好的適應性,以使其獲得足夠的強度和良好的膨脹變形性能。

1)水泥品種

可采用硅酸鹽水泥(P·IP·II)、普通硅酸鹽水泥(P·O)、礦渣硅酸鹽酸水泥(P·S)、火山灰硅酸鹽水泥(P·P)及粉煤灰硅酸鹽水泥(P·F),不能選用快硬水泥、鐵鋁酸鹽水泥和高鋁水泥,水泥的強度等級不低于32.5級。大體積混凝土可選用低熱微膨脹水泥(GB 2938-1997),大壩混凝土可選用高貝利特水泥(HBC)。

同強度等級情況下,水泥品種選擇的順序為:P·O→P·S→P·II→P·I→P·PP·F。此外,宜優(yōu)先選用細度較大的水泥、回轉窯水泥以及SO3含量較高或適中的水泥(不超過8%),這些水泥有利于混凝土膨脹性能的發(fā)揮和后期強度的發(fā)展。

2)水泥用量

膨脹劑的摻入會使混凝土的早期水化熱提高,為防止或減少混凝土溫度裂縫,在配制補償收縮混凝土時,水泥用量不宜過大。有抗?jié)B要求的補償收縮混凝土的水泥用量不應小于320kg·m-3,當使用摻合料時,其水泥用量不應小于280kg·m-3。

2.2 膨脹劑

膨脹劑是補償收縮混凝土實現(xiàn)補償收縮性能最關鍵的組成材料,用于制備補償收縮混凝土的膨脹劑應達到如表1所示的性能指標。

1 補償收縮混凝土膨脹劑性能指標


注:1.細度用比表面積和1.25mm篩余或0.08mm篩余和1.25mm篩余表示,仲裁檢驗采用比表面積和1.25mm篩余進行;2. A法和B法可參考GB501192013附錄B,檢驗時A、B兩法均可使用,仲裁檢驗采用A法。

2.3 摻合料

使用適宜的摻合料對補償收縮混凝土的性能是有利的,但需經(jīng)試驗確定其最佳摻量以控制膨脹率。摻合料的品質應符合相關標準的要求,并按照相關應用規(guī)范或試驗結果確定摻合料對水泥的適宜置換率。在使用摻合料時,還應嚴格控制SO3的含量,以防止生成過多的鈣礬石,從而導致混凝土的體積不穩(wěn)定,降低混凝土的耐久性。

在計算補償收縮混凝土的配合比時,應把膨脹劑摻量與摻合料摻量一并加到水泥中計算,三者的最少用量不應低于300kg· m-3。否則,混凝土的限制膨脹率偏低。

2.4 細集料

細集料要求使用干凈的河砂,應嚴格按高標準控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量及壓碎指標值,其中以細度模數(shù)為2.6-3.1的中砂為宜。不宜選用砂巖類山砂、機制砂和海砂,因為此類砂對補償收縮混凝土的膨脹率的影響非常大。

2.5 粗集料

粗集料常因地質條件及巖石分布而異,無堿-集料反應的堅硬漿巖、沉積巖和變質巖的卵石和碎石均可使用。凝灰?guī)r要慎重使用,不宜使用膠結不良的砂巖以及泥巖、頁巖和片狀的變質巖碎石。一般來說,石灰?guī)r、花崗巖等碎石性能都較好。

如粗集料是碎石,需經(jīng)過二次破碎,使碎石基本無棱角,并減少針片狀顆粒的含量。

2.6 化學外加劑

補償收縮混凝土中摻加其它外加劑必須慎重,同一外加劑在不同補償收縮混凝土中會產(chǎn)生不同的效果,無論摻加何種外加劑,都必須經(jīng)過試驗后才能正式用于工程。一般來說,盡可能選用使混凝土收縮率比較低的化學外加劑,如緩凝劑、減水劑和高效減水劑等。

2.7 水

補償收縮混凝土用拌合水除質量應符合混凝土用水標準外,其用量應比相同坍落度的普通混凝土多10%-15%。但用水量的增加會增大水灰比,使混凝土的膨脹率減少,干縮率增加,因此,在施工工藝允許的條件下,盡量減小用水量,補償收縮混凝土的水膠比一般控制在0.35-0.50的范圍內。

3 補償收縮混凝土配合比設計中的注意事項

補償收縮混凝土配合比設計原則與普通混凝土大致相同,需滿足混凝土施工性能、設計強度等級和抗?jié)B等級等要求。此外,不同于普通混凝土,補償收縮混凝土還需達到工程要求的限制膨脹率的設計指標等要求。補償收縮混凝土的配合比設計要特別注意以下注意事項[5]。

1)補償收縮混凝土因利用“水泥+膨脹劑”組合以后的綜合性能,必然存在著膨脹劑與水泥的適應性問題及最佳匹配關系。膨脹劑的合理摻量與水泥的SO3含量有關,同時,水泥的強度等級與早強性會影響混凝土的膨脹速度。

2)補償收縮混凝土最低限制膨脹率應滿足相關標準的規(guī)定。日本JJs. A 6202規(guī)定,用100mm*100mm*360mm試體,配筋率μ=0.95%時的混凝土水中7d限制膨脹率應大于1.5*10-4;我國GB 501192013規(guī)定,用100mm*100mm*300mm試體,配筋率μ=0.785%時的混凝土水中7d限制膨脹率應大于1.5*10-4。另外,考慮到化學外加劑、摻合料以及混凝土內外溫差等影響因素,需酌情增減限制膨脹率以滿足工程要求。

3)膨脹劑內摻量用膨脹劑占“水泥+膨脹劑+摻合料”總量的質量百分比來表示。GB 501192013規(guī)定,補償收縮混凝土中膨脹劑最低內摻量為8%、最高內摻量為12%,即合理的用量范圍是8%-12%。但這并不是絕對的約束條件,補償收縮混凝土中膨脹劑的適宜摻量還需根據(jù)實際應用情況(如限制膨脹率設計指標等)進行試驗確定。

4GB 501192013規(guī)定,補償收縮混凝土的水膠比不得大于0.50,水泥(C+摻合料(F+膨脹劑(E)不得小于300kg·m-3。工程實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),膠凝材料總用量為(400-450kg·m-3時,最利于發(fā)揮膨脹變形的作用,摻合料的適宜用量為膠凝材料總用量的10%-20%。

5)使用化學外加劑時,外加劑摻量用膠凝材料的外加百分比表示。同時,應重視緩凝帶來的作用,混凝土終凝時間夏季應大于15h,冬季應大于10h

4 補償收縮混凝土的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

近年來,補償收縮混凝土在國內已成功應用于多項國家重點工程,其中包括國家體育場,國家游泳館,奧林匹克國際會議中心,首都和廣州白云機場新航站,北京、天津地鐵,深圳華為科研中心,蘇州科技新天地,三峽水電站以及秦山、田灣核電站等數(shù)千個抗裂防滲工程。根據(jù)補償收縮混凝土的特性,其在以下幾方面具有良好的應用前景[6]。

1)結構自防水技術

鋼筋混凝土結構既能承重又能防水,稱之為結構自防水。在1980年以前,結構防水原理都是通過某種手段減少混凝土的孔隙率,細化毛細孔徑,以提高混凝土的抗?jié)B性能。然而,工程實踐表明,這些防水技術往往得不到令人滿意的效果,這是由于人們忽視了水泥混凝土收縮的致命弱點。盡管混凝土很密實,但混凝土干縮和冷縮等均會使結構產(chǎn)生裂縫,從而破壞結構的整體防水功能。大量試驗表明,添加膨脹劑的補償收縮混凝土具有良好的抗裂性,對強度無不良影響,后期強度增長率高于普通混凝土強度,對鋼筋無腐蝕,對水質也無影響。

2)超長結構無縫設計施工新技術

游寶坤等人[3]提出了采用補償收縮混凝土加強帶取代后澆帶,連續(xù)澆筑超長建筑的無縫設計施工方法。依據(jù)“以抗為主”的設計原則,利用補償收縮混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的膨脹作用,在結構中產(chǎn)生少量預壓應力用來補償混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的溫度和收縮拉應力,從而防止收縮裂縫或把裂縫控制在無害裂縫范圍內。采用補償收縮混凝土加強帶有如下優(yōu)點。

1)取消伸縮縫與后澆帶,提高了混凝土結構的整體性能,特別是對于有防水要求的結構混凝土,提高了其整體防水性能。

2)后澆帶一般需經(jīng)(40-60)天才能澆注,采用該技術省去了施工對后澆帶處理這一繁瑣的環(huán)節(jié),大大地縮短了施工周期,加快了施工進度。

3)對于某些結構,由于取消伸縮縫而免去了雙梁雙柱結構,擴大了可有效利用的空間。

3)大體積結構混凝土裂縫控制新方法

為控制大體積混凝土溫差裂縫,在設計和施工方面已有許多成功經(jīng)驗和措施,如摻入緩凝劑、粉煤灰、降低砂石溫度以及埋設冷水管等,但代價較大。近年來,我國有些高層建筑底板設計厚度達3m,混凝土等級達C40-C60。對于C40以上混凝土,水泥用量約為(400-500) kg·m-3,即使采用粉煤灰替代部分水泥,混凝土的水化溫升仍然很高,可使混凝土內部溫度高達60-80℃。而實際上,當混凝土內外溫差超過25℃時,就有可能導致混凝土結構出現(xiàn)貫穿性裂縫。根據(jù)吳中偉院士[2]提出的混凝土干縮和冷縮聯(lián)合補償?shù)睦碚摚谒嘀袚郊优蛎泟?、粉煤灰和緩凝減水劑的“三摻”技術,在降低水化熱的同時,可利用混凝土膨脹劑產(chǎn)生的前期膨脹以補償混凝土干縮,后期(14d后)微膨脹以補償冷縮。

4)剛性屋面防水技術

采用補償收縮混凝土做剛性屋面比普通細石防水混凝土更好,其原因是該技術提高了混凝土的抗裂性,以柔性分隔縫緩解了屋面的溫差裂縫。

5 結語

補償收縮混凝土是一種微膨脹混凝土,可以通過內部膨脹組分水化過程中的膨脹作用補償普通混凝土的收縮作用,使混凝土結構更加密實,從而實現(xiàn)抗裂防滲的目的,具有很好的應用前景。但補償收縮混凝土的配合比設計也因此變得更加復雜,對原材料及配合比的要求也要更加苛刻,因而,改進和完善補償收縮混凝土配合比設計仍然是一個至關重要的問題。

參考文獻

[1] 游寶坤, 趙順增, 劉立, . 補償收縮混凝土的結構設計[J]. 膨脹劑與膨脹混凝土, 2009, (1): 65-70.

[2] 吳中偉, 張鴻直. 膨脹混凝土[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1990: 88-105.

[3] 游寶坤, 顏亨吉, 韓立林, . 硅鋁酸鹽膨脹劑. 中國: ZL91110609[P]. 1993-12-20.

[4] 姚婷, 張守治, 王育江, . 補償收縮混凝土應用技術研究[J]. 混凝土, 2014, (5): 157-160.

[5] 李可斌, 鈕旋敏, 李長成. 補償收縮混凝土應用注意事項[J]. 商品混凝土, 2015, (7): 61-63.

[6] 劉如峰. 補償收縮混凝土性能研究及工程應用[D]. 大連交通大學, 2010.

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