削峰劑與膨脹劑雙摻技術在超長大體積結構混凝土防溫度裂縫中的研究與應用

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超長結構混凝土使用年限為100 a,服役環境為Ⅱa類,設計齡期為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范》GB 50496-2018中的定義,該結構屬于超長大體積混凝土結構。此類混凝土結構面臨大尺寸、大約束、大溫度應力三個“大”問題,其因溫度應力產生的開裂風險極高。為降低結構開裂,在設計上采取了“跳倉法”施工,將該結構分割成幾小塊以釋放結構的溫降變形,防止結構混凝土開裂。但分割后的結構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,我單位技術人員通過文獻調研、理論研究、現場驗證等多種手段,力求尋找到新的解決方法。

2 現有針對溫度裂縫采用的解決手段

超長大體積結構混凝土在澆筑成型后其混凝土內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外表面形成較大的溫差,同時其在溫降過程中出現了混凝土內外部溫降不一致的情況,進一步加劇了混凝土內外部溫差,使混凝土產生了較大的溫度收縮而導致混凝土受拉破壞,出現溫度裂縫。

對于如何有效預防超長大體積結構混凝土產生溫度裂縫,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力產生的溫度收縮,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,內部溫升很高,僅僅依靠膨脹劑產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險。

鑒于此,我單位技術人員針對采用削峰劑與膨脹劑雙摻技術的技術方案,開展了對超長大體積混凝土防溫度裂縫以及應用效果的研究。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生溫度裂縫風險的目的。

3 削峰劑與膨脹劑雙摻技術研究

3.1 原材料

水泥為洋房P·MH 42.5中熱硅酸鹽水泥,產自江西九江,其化學組成見表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要求。

表1 水泥和粉煤灰化學組成表 /%

粉煤灰為F類I級粉煤灰,產自四川金堂,其化學組成見表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級粉煤灰的相關要求。

表4 粉煤灰物理性能表

粗骨料為四川什邡產人工碎石,粒徑為5～31.5 mm,連續級配,壓碎指標為4.7%。

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

膨脹劑為氧化鈣-硫鋁酸鈣型膨脹劑,其性能檢測結果見表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,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,其性能檢測結果見表6,滿足《混凝土水化溫升抑制劑》JC/T2608-2021中的相關要求。

表6 HB7-3型削峰劑性能表

3.2 配合比設計思路

混凝土配合比的設計思路: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生的目的。

3.3 基準混凝土配合比參數的確定

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調整試驗,在所有試驗結果均滿足強度、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混凝土配合比基礎上,分別加入膠凝材料總質量為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所示數據可知: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:當削峰劑摻量超過1%后,混凝土的凝結時間延長,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為基準混凝土與加入1%削峰劑后的混凝土試驗墩溫升數據對比圖。由圖2所示數據可知:加入1%削峰劑后,其對應的混凝土溫峰值由58 ℃降低到49 ℃,降低幅度約為15%。

圖2 混凝土試驗墩溫升數據對比圖

3.5 膨脹劑摻量對混凝土性能影響的研究

在基準混凝土以及摻入1%削峰劑的基礎上,加入膠凝材料總質量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所示數據可知:加入膨脹劑后,混凝土在養護過程中隨著時間的延長,其對應的限制膨脹率增加,在水中養護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;膨脹劑內摻8%后其對應的混凝土28 d強度出現了較大幅度的降幅。從混凝土結構安全性考慮,最終將膨脹劑摻量選定為內摻6%。

圖3 不同膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率測定數據示意圖

4 工程應用效果

根據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超長結構混凝土現場生產混凝土配合比見表8。

表8 現場生產混凝土配合比表 /kg·m-3

混凝土澆筑后,對混凝土溫度以及應變進行了實時測定,所取得的數據見圖4。由圖4所示的數據可知: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 ℃,從而將其內外溫差成功控制在25 ℃以內,澆筑后的第3 d開始出現降溫,在澆筑后的第6 d,混凝土溫度和環境溫度相當;其結構整體應變測定數據從澆筑開始到齡期30 d時均為正值,表明混凝土始終處于膨脹狀態,從而有效補償了混凝土因溫降帶來的收縮。

圖4 現場結構實際溫度/應變測定數據圖

技術人員對現場150 m長墻結構在混凝土澆筑后3個月進行了表面裂縫檢測,其結果表明:整體長墻表觀質量良好,未發現肉眼可見裂縫,表明采用削峰劑與膨脹劑雙摻技術有效解決了超長大體積混凝土結構施工過程中的溫度裂縫問題。

5 結 語

此次研究旨在通過削峰劑與膨脹劑雙摻技術降低超長大體積結構混凝土溫度裂縫出現的概率。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生的溫度收縮,雙管齊下以降低超長大體積結構混凝土產生溫度裂縫的風險。

試驗結果表明:在不改變混凝土工作性能和力學性能的前提下,該技術可有效降低混凝土水化熱并提供適當的膨脹能,其在成都地鐵19號線150 m混凝土長墻結構中的實際應用效果表明:在混凝土澆筑后近3個月對現場150 m超長大體積結構混凝土進行檢測的結果為該結構混凝土表面沒有出現肉眼可見的溫度裂縫,防裂效果達到了預期目的。