削峰剂与膨胀剂双掺技术在超长大体积结构混凝土防温度裂缝中的研究与应用

尹 秀, 解 悦, 闫 涛

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 611730)

1 概 述

成都市地铁19号线地下停车厂C40P8超长结构混凝土使用年限为100 a,服役环境为Ⅱa类,设计龄期为28 d,厚度为1 m,高度为7～9 m,整体长度达500 m。按照《大体积混凝土施工规范》GB 50496-2018中的定义,该结构属于超长大体积混凝土结构。此类混凝土结构面临大尺寸、大约束、大温度应力三个“大”问题,其因温度应力产生的开裂风险极高。为降低结构开裂,在设计上采取了“跳仓法”施工,将该结构分割成几小块以释放结构的温降变形,防止结构混凝土开裂。但分割后的结构混凝土平均一次性浇筑长度仍达40 m左右,单次浇筑的最长长度则接近60 m,依然存在很大的温度开裂风险。为解决这一问题,急需找到一种切实可行的方法。为此,我单位技术人员通过文献调研、理论研究、现场验证等多种手段,力求寻找到新的解决方法。

2 现有针对温度裂缝采用的解决手段

超长大体积结构混凝土在浇筑成型后其混凝土内部由于胶凝材料水化释放出大量的水化热,加之混凝土本身散热性能较差而造成混凝土内外表面形成较大的温差,同时其在温降过程中出现了混凝土内外部温降不一致的情况,进一步加剧了混凝土内外部温差,使混凝土产生了较大的温度收缩而导致混凝土受拉破坏,出现温度裂缝。

对于如何有效预防超长大体积结构混凝土产生温度裂缝,目前普遍采用向混凝土中加入膨胀剂,利用膨胀剂的膨胀能以补偿大体积混凝土因温度应力产生的温度收缩,从而达到防裂效果[1～4]。但是,大体积混凝土由于混凝土方量大,内部温升很高,仅仅依靠膨胀剂产生的膨胀能补偿温度收缩需要大幅度提高其掺量。但在大量掺入膨胀剂后将会对混凝土的工作性能及强度产生较大的影响[5];同时,由于膨胀剂掺量过高,还存在后期过分膨胀带来的开裂风险。

鉴于此,我单位技术人员针对采用削峰剂与膨胀剂双掺技术的技术方案,开展了对超长大体积混凝土防温度裂缝以及应用效果的研究。通过掺入削峰剂以降低大体积混凝土水化热带来的部分温升,掺入适量的膨胀剂释放膨胀能以补偿剩余温升值在温降过程中产生的温度收缩,最终达到降低混凝土浇筑后大体积混凝土产生温度裂缝风险的目的。

3 削峰剂与膨胀剂双掺技术研究

3.1 原材料

水泥为洋房P·MH 42.5中热硅酸盐水泥,产自江西九江,其化学组成见表1,矿物成分见表2,物理性能见表3,满足《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》GB/T 200-2017中对中热硅酸盐水泥的相关要求。

表1 水泥和粉煤灰化学组成表 /%

粉煤灰为F类I级粉煤灰,产自四川金堂,其化学组成见表1,物理性能见表4,满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2017中对F类Ⅰ级粉煤灰的相关要求。

表4 粉煤灰物理性能表

粗骨料为四川什邡产人工碎石,粒径为5～31.5 mm,连续级配,压碎指标为4.7%。

细骨料为四川什邡产人工砂,粒径为0～5 mm,石粉含量为4.1%,细度模数为2.7。

膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙型膨胀剂,其性能检测结果见表5,满足《混凝土膨胀剂》GB/T 23439-2017中Ⅱ型膨胀剂的相关要求。

表5 膨胀剂性能表

所采用的HB7-3型削峰剂为我单位研发,可有效削减大体积混凝土最大温升并降低其早期升温速率的新材料,其性能检测结果见表6,满足《混凝土水化温升抑制剂》JC/T2608-2021中的相关要求。

表6 HB7-3型削峰剂性能表

3.2 配合比设计思路

混凝土配合比的设计思路:首先对碎石级配以及砂率进行试验,以保证集料达到最低空隙率,使混凝土在满足工作性能的情况下降低其胶材用量;然后在设计好的混凝土配合比中掺入削峰剂以降低混凝土浇筑后的温峰值;掺入适量的膨胀剂制备成补偿收缩混凝土以抵抗温降收缩,达到降低温度裂缝产生的目的。

3.3 基准混凝土配合比参数的确定

通过对混凝土碎石级配、砂率、粉煤灰以及外加剂掺量进行不同的配合比反复调整试验,在所有试验结果均满足强度、工作性能和耐久性要求的情况下,最终确定了C35混凝土配合比参数见表7。

表7 C35混凝土配合比表 /kg·m-3

3.4 削峰剂掺量对混凝土温升影响的研究

在表7所示的C35混凝土配合比基础上,分别加入胶凝材料总质量为0.5%、1%以及1.5%的HB7-3削峰剂进行混凝土绝热温升试验。不同削峰剂掺量对混凝土绝热温升的影响见图1。由图1所示数据可知:加入削峰剂后,混凝土的绝热温升上升速率有明显的减缓,且削峰剂掺量越大其对应的绝热温升上升速率越慢,表明加入削峰剂对降低混凝土的水化速率有明显的效果;需要注意的是:当削峰剂掺量超过1%后,混凝土的凝结时间延长,对施工进度以及混凝土表面防裂造成负面影响。因此,结合实际情况,最终将削峰剂掺量定为1%。

图1 不同削峰剂掺量对混凝土绝热温升影响图

图2为基准混凝土与加入1%削峰剂后的混凝土试验墩温升数据对比图。由图2所示数据可知:加入1%削峰剂后,其对应的混凝土温峰值由58 ℃降低到49 ℃,降低幅度约为15%。

图2 混凝土试验墩温升数据对比图

3.5 膨胀剂掺量对混凝土性能影响的研究

在基准混凝土以及掺入1%削峰剂的基础上,加入胶凝材料总质量5%、6%和8%的膨胀剂进行了混凝土限制膨胀率测定试验。不同膨胀剂掺量下混凝土限制膨胀率效果见图3。由图3所示数据可知:加入膨胀剂后,混凝土在养护过程中随着时间的延长,其对应的限制膨胀率增加,在水中养护10 d以后,限制膨胀率的增加幅度减缓;20 d以后,限制膨胀率基本不再明显变化;膨胀剂掺量越大其对应的混凝土限制膨胀率增加幅度越大;在5%、6%以及8%膨胀剂掺量下其对应的混凝土14 d限制膨胀率分别为298 με、372 με以及485 με;膨胀剂内掺8%后其对应的混凝土28 d强度出现了较大幅度的降幅。从混凝土结构安全性考虑,最终将膨胀剂掺量选定为内掺6%。

图3 不同膨胀剂掺量下混凝土限制膨胀率测定数据示意图

4 工程应用效果

根据削峰剂及膨胀剂掺量试验,最终确定的成都市地铁19号线地下停车厂C40P8超长结构混凝土现场生产混凝土配合比见表8。

表8 现场生产混凝土配合比表 /kg·m-3

混凝土浇筑后,对混凝土温度以及应变进行了实时测定,所取得的数据见图4。由图4所示的数据可知:混凝土入模温度为30℃,在浇筑成型后第2 d温度达到最高54 ℃,温升为24 ℃,从而将其内外温差成功控制在25 ℃以内,浇筑后的第3 d开始出现降温,在浇筑后的第6 d,混凝土温度和环境温度相当;其结构整体应变测定数据从浇筑开始到龄期30 d时均为正值,表明混凝土始终处于膨胀状态,从而有效补偿了混凝土因温降带来的收缩。

图4 现场结构实际温度/应变测定数据图

技术人员对现场150 m长墙结构在混凝土浇筑后3个月进行了表面裂缝检测,其结果表明:整体长墙表观质量良好,未发现肉眼可见裂缝,表明采用削峰剂与膨胀剂双掺技术有效解决了超长大体积混凝土结构施工过程中的温度裂缝问题。

5 结 语

此次研究旨在通过削峰剂与膨胀剂双掺技术降低超长大体积结构混凝土温度裂缝出现的概率。采用削峰剂降低大体积混凝土的部分温升,采用膨胀剂释放的膨胀能补偿剩余水化热在温降过程中产生的温度收缩,双管齐下以降低超长大体积结构混凝土产生温度裂缝的风险。

试验结果表明:在不改变混凝土工作性能和力学性能的前提下,该技术可有效降低混凝土水化热并提供适当的膨胀能,其在成都地铁19号线150 m混凝土长墙结构中的实际应用效果表明:在混凝土浇筑后近3个月对现场150 m超长大体积结构混凝土进行检测的结果为该结构混凝土表面没有出现肉眼可见的温度裂缝,防裂效果达到了预期目的。