大體積補(bǔ)償收縮混凝土與延遲鈣礬石生成
提 要:在大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部,由于膠凝材料水化放熱,其最高溫度可能超過(guò)鈣礬石的分解溫度,使水化初期生成的鈣礬石分解;并在溫度降低以后,在硬化混凝土內(nèi)重新生成。本文探討了這種延遲鈣礬石生成現(xiàn)象 對(duì)混凝土性能的影響。發(fā)現(xiàn)延遲鈣礬石生成在水化初期表面為補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹能損失,不能達(dá)到補(bǔ)償溫度收縮的目的;后期表現(xiàn)為混凝土的延遲膨脹。降低水膠比,摻加粉煤灰 和礦渣等礦物摻和料有利于抑制DEF引起的后期膨脹。
關(guān)鍵詞:補(bǔ)償收縮混凝土 延遲鈣礬石生成 膨脹
1 引 言
工業(yè)建筑中的大型設(shè)備基礎(chǔ)、高層建筑的基礎(chǔ)和底層柱等承受荷載較大的部分,往往都采用大體積混凝土澆注。近年來(lái),隨著建筑物高度和體積的不斷增加,大體積混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、體積和厚度也隨之增加。例如,上海金茂大廈,其底板為厚4m、體積13500m3的C50R56大體積混凝土;佛山國(guó)際商業(yè)中心 的底板,強(qiáng)度等級(jí)C30,中心部位厚4m,邊緣厚3m,混凝土方量達(dá)8000m3;北京航華科貿(mào)中心寫(xiě)字樓主樓基礎(chǔ)混凝土底板2.5~5.2m,一次澆筑量7800m3;北 京東方廣場(chǎng)的基礎(chǔ)底板為C35~C40R60的大體積補(bǔ)償收縮混凝土,局部厚達(dá) 5.1m?;炷恋膹?qiáng)度等級(jí)提高,使其膠凝材料用量也必須增加,經(jīng)常達(dá)到400kg/m3以上。而且,現(xiàn)在還流行大體積混凝土底板不留后澆帶,連續(xù)一次澆筑完成的 做法。由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體,集中大量地澆筑大體積高強(qiáng)度混凝土,混 凝土內(nèi)部水泥水化放熱時(shí)間相對(duì)集中,熱量不易散發(fā),導(dǎo)致溫升很大。
大體積混凝土內(nèi)部的最高溫度,實(shí)際上是由澆注溫度、水泥水化熱引起的 絕熱溫升和混凝土的散熱速率三部分所決定。在這三部分中,由水泥水化熱引 起的絕熱溫升是主要因素(當(dāng)氣溫為15~20℃時(shí),在初期升溫階段約占總溫升的65~70%)。綜合大量的工程實(shí)測(cè)結(jié)果可知,當(dāng)?shù)装搴穸刃∮?m時(shí),混凝土內(nèi)部溫度不會(huì)超過(guò)60℃;當(dāng)?shù)装搴穸却笥?.5~2m后,混凝土內(nèi)部溫度將在澆 筑后的二至三天內(nèi)達(dá)到70℃~80℃以上。例如,上海88層的金茂大廈主樓超深基 礎(chǔ)底板混凝土內(nèi)部最高溫度在澆注后52小時(shí)達(dá)97.5℃;北京住總大廈1.8m厚的C40混凝土底板澆筑后兩天,混凝土內(nèi)部溫度即達(dá)82℃。福州臺(tái)灣大酒店厚 1.8m的基礎(chǔ)底板,澆注三天后實(shí)測(cè)的中心溫度達(dá)73.1℃;北京航華科貿(mào)中心寫(xiě)字樓主樓基礎(chǔ)混凝土底板雖然使用礦渣硅酸鹽水泥,并摻入20%的粉煤灰,澆注4天后,實(shí)測(cè)內(nèi)部最高溫度達(dá)75℃;深圳僑光廣場(chǎng) I區(qū)底板混凝土1.1萬(wàn)m3,厚度為1.5m、2.0m、3.0m,內(nèi)部溫度最高分別達(dá)到67℃、79℃、82℃;上海江蘇大廈2.5m厚底板的混凝土中心最高溫度達(dá)82.2℃;深圳媽灣電廠汽輪發(fā)電機(jī) 底板一次澆筑的混凝土最高溫度為78℃??梢?jiàn),一次澆筑的大體積混凝土內(nèi)部 最高溫度大于70℃的工程實(shí)例相當(dāng)普遍。
大體積鋼筋混凝土除了必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、整體性等要求以外,還存在如何控制由于失水和溫度變化引起的收縮開(kāi)裂的問(wèn)題,工程上的措施之一是摻 加膨脹劑來(lái)補(bǔ)償收縮。適量膨脹劑的摻入,不但可以明顯地減少混凝土的收縮, 而且由于混凝土自身的膨脹作用使處于限制狀態(tài)下的混凝土密實(shí)性得以提高,其抗?jié)B性也得到顯著改善。80年代后期以來(lái),膨脹劑在我國(guó)混凝土中的應(yīng)用與日俱增。目前膨脹劑的年產(chǎn)量已超過(guò)25萬(wàn)噸,累計(jì)產(chǎn)量超過(guò)150萬(wàn)噸。膨脹劑 發(fā)展的初期主要用于剛性結(jié)構(gòu)自防水,然后逐漸推廣到大體積結(jié)構(gòu)混凝土防裂 滲、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)施工以及高性能混凝土等〔1〕。
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廣泛使用的U型膨脹劑以無(wú)水硫鋁酸鈣(C4A3S)或硫酸鋁(Al2(SO4)3)為早期膨脹源,明礬石為中期膨脹源,在混凝土的水化硬化過(guò)程中生成大量膨脹性的鈣礬石,對(duì)混凝土的收縮起到有效的補(bǔ)償。摻有膨脹劑的具有防滲抗裂功能的補(bǔ)償收縮混凝土在中國(guó)建筑工程中己得到非常廣泛的應(yīng)用。20年來(lái),用膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土用量估計(jì)達(dá)到3500萬(wàn)立方米,數(shù)量之多為各國(guó)之冠。但是除大量成功的工程實(shí)例外,不成功的例子也隨之增加。例如使用膨脹劑對(duì) 工程防裂無(wú)效,甚至反而開(kāi)裂更甚,導(dǎo)致后期強(qiáng)度倒縮等。如何正確使用膨脹劑,是當(dāng)前建筑施工企業(yè)急需解決的問(wèn)題,近年來(lái)己受到一些學(xué)者的關(guān)注[2,3]。
延遲鈣礬石生成(Delayed Ettringite Formation,簡(jiǎn)稱(chēng)DEF)的研究最初始于80年代初期對(duì)高溫蒸養(yǎng)的預(yù)制混凝土制品(如鐵路軌枕等)的過(guò)早開(kāi)裂破 壞現(xiàn)象的研究[4]。研究結(jié)果證實(shí),水泥水化早期由C3A和SO3反應(yīng)生成的初始鈣礬石(AFt)在高溫蒸養(yǎng)(一般>70℃)條件下不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)變?yōu)閱瘟螓}、SO42-、 Ca2+、Al3+,被C-S-H凝膠吸附。在混凝土制品的使用過(guò)程中,這些離子或單硫鹽會(huì)重新生成鈣礬石。這種在已硬化的水泥石中延遲生成的鈣礬石具有體積膨脹性, 產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力如果超出水泥石的應(yīng)力極限,將使其開(kāi)裂。DEF是一種影響混凝 土結(jié)構(gòu)耐久性的因素。
在摻加膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土中,硫含量可達(dá)5%以上,在水化過(guò)程中所生成的大量鈣礬石,如果大體積混凝土內(nèi)部溫度超過(guò)70℃,則可能發(fā)生分解,并在內(nèi)部溫度降低后,在硬化混凝土內(nèi)部再次生成,產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,使混凝土 結(jié)構(gòu)存在隱患。因此必須對(duì)大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部延遲鈣礬石生成的可能 性及其影響因素予以研究。
在我們對(duì)補(bǔ)償收縮砂漿所做的前期工作中已經(jīng)證實(shí)[5],在大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部溫度超過(guò)70℃后,有可能發(fā)生延遲鈣礬石生成。它對(duì)混凝土性能的影響是多方面的。在初齡期表現(xiàn)為膨脹能的損失,溫度收縮不能被補(bǔ)償,摻加膨脹劑的設(shè)計(jì)目的不能達(dá)到;在長(zhǎng)齡期則表現(xiàn)為延遲膨脹,可能導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。為了進(jìn)一步證實(shí)在大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部延遲鈣礬石生成的可能性,進(jìn)行了混凝土試驗(yàn)。
2 實(shí) 驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)所用膨脹劑為中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院生產(chǎn)的硫鋁酸鹽型UEA混凝土膨脹劑,性能滿(mǎn)足 JC476-1998《混凝土膨脹劑》的要求。水泥為冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P0-525普通硅酸鹽水泥。兩種材料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。
表1 UEA膨脹劑和硅酸鹽水泥的化學(xué)組成
編 號(hào) |
W/C |
UEA |
FA |
SL |
28d抗壓強(qiáng)度(MPa) |
1~7d養(yǎng)護(hù)
溫度 |
1~ 7d養(yǎng)護(hù)
濕度 |
混凝土1 |
0.48 |
0 |
0 |
0 |
50.8 |
TMC |
飽和蒸汽 |
混凝土2 |
0.43 |
0 |
0 |
0 |
60.3 |
TMC |
飽和蒸汽 |
混凝土3 |
0.48 |
10% |
0 |
0 |
56.3 |
TMC |
飽和蒸汽 |
混凝土4 |
0.48 |
10% |
0 |
0 |
64.8 |
常溫 |
>90% |
混凝土5 |
0.43 |
10% |
0 |
0 |
66.3 |
TMC |
飽和蒸汽 |
混凝土6 |
0.43 |
10% |
0 |
0 |
63 |
常溫 |
>90% |
混凝土7 |
0.48 |
10% |
15% |
0 |
41.3 |
TMC |
飽和蒸汽 |
混凝土8 |
0.48 |
10% |
0 |
20% |
63 |
TMC |
飽和蒸汽 |
按照GBJ11988《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的“膨脹混凝土的膨脹 率及干縮率的試驗(yàn)方法”,分別在1、3、7、14、28、60、90d齡期測(cè)量混凝土塊的限制變形量。
3 結(jié)果與分析
圖2和圖3分別是W/B=0.48和0.43的補(bǔ)償收縮混凝土試件限制膨脹率的 經(jīng)時(shí)變化的對(duì)比。常溫養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)償收縮混凝土試件混凝土1和混凝土2的膨脹率隨齡期 延長(zhǎng)而穩(wěn)步發(fā)展,7d時(shí)達(dá)到峰值,14d后緩慢下降。由于能夠保持較為充分的 水分供應(yīng)(RH>90%),膨脹率的落差小于0.02%,半年后還微有回漲?;炷恋?限制膨脹率長(zhǎng)期保持較為合適的正值,使混凝土內(nèi)部能夠建立預(yù)壓應(yīng)力,膨脹 劑能夠正常充分地發(fā)揮作用,補(bǔ)償混凝土收縮。TMC養(yǎng)護(hù)中的混凝土由于受熱和膨脹劑水化的共同作用,在3d左右出現(xiàn)最大膨脹值,7d后結(jié)束TMC養(yǎng)護(hù),試件溫度降回室溫,混凝土膨 脹率有顯著的回落,其差值均大于0.04%。如此大的膨脹率落差對(duì)于初齡期、抗拉強(qiáng)度還不 高的混凝土是極其有害的。當(dāng)然在實(shí)際工程中,混凝土內(nèi)部溫度變化不可能如此劇烈,這種 極端的情況是不會(huì)發(fā)生的。我們關(guān)心的是在TMC養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,長(zhǎng)期常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土的變形率發(fā)展情況。
在水灰比為0.48的混凝土1、3、4組混凝土試件(圖2)中,經(jīng)過(guò)TMC養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)償收縮混凝土試件混凝土3的膨脹率7d時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未經(jīng)過(guò)TMC養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)償收縮混 凝土混凝土4。由粉末X射線衍射半定量分析和掃描電鏡微觀形貌觀察的結(jié)果可知,在水化初期生成的鈣礬石在TMC養(yǎng)護(hù)期間部分分解了。這導(dǎo)致了試件的早期膨 脹能損失,因此不能有效地補(bǔ)償混凝土的溫度收縮。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)半年后,試件逐漸重新開(kāi)始膨脹,粉末X射線衍射半定量分析結(jié)果則顯示硬化漿體內(nèi)鈣礬石的量也同步增加,即出現(xiàn)了延遲鈣礬石生成的現(xiàn)象。有意思的是普通混凝 土試件混凝土1經(jīng)過(guò)高溫后,其限制變形率的發(fā)展趨勢(shì)與混凝土3相近,也出現(xiàn)了后期膨脹值的增加。這類(lèi)似于高溫蒸養(yǎng)混凝土制品中發(fā)生的延遲鈣礬石生成現(xiàn)象。 到1年齡期時(shí),混凝土3和混凝土1都回漲了大約003%,這將在硬化混凝土中產(chǎn)生巨大的應(yīng)力,可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。
在水灰比為0.43的混凝土試件混凝土2、5、6(圖3)中,經(jīng)過(guò) TMC養(yǎng)護(hù)的補(bǔ) 償收縮混凝土試件混凝土5也發(fā)生了早期膨脹能的損失;而后期雖然有膨脹的趨勢(shì), 但膨脹率增長(zhǎng)不如混凝土3和混凝土1那樣明顯,回漲率小于0.02%。同樣,經(jīng)過(guò)高溫的 普通混凝土(混凝土2)也有后期膨脹的趨勢(shì)。這個(gè)差別可能是由于不同的水灰比導(dǎo)致的膠凝材料水化程度和硬化漿體密實(shí)程度的差異所造成的。后期在硬化混凝土 中有控制地產(chǎn)生微弱的膨脹,對(duì)于補(bǔ)償混凝土長(zhǎng)期干燥收縮是有益的。對(duì)此應(yīng) 該進(jìn)行深入的研究。
圖2還顯示了摻入粉煤灰或礦渣后的補(bǔ)償收縮混凝土試件(混凝土7和混凝土8)的限 制變形經(jīng)時(shí)變化曲線。摻入這兩種摻和料后,試件早期雖然也損失了膨脹能, 未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的補(bǔ)償溫度收縮的目的,但后期重新膨脹的趨勢(shì)明顯小于混凝土1 和混凝土3,從而抑制了由于初期養(yǎng)護(hù)期間高溫所導(dǎo)致的后期延遲膨脹。說(shuō)明摻加摻 和料在一定程度上可以抑制DEF的發(fā)生。
4 結(jié) 論
無(wú)論是否摻有UEA膨脹劑,混凝土中過(guò)高的水化溫升將使水化初期生成的 鈣礬石分解,存在延遲鈣礬石生成的可能性。延遲鈣礬石生成在水化初期表現(xiàn) 為補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹能損失,不能達(dá)到補(bǔ)償溫度收縮的目的;后期表現(xiàn)為 混凝土的延遲膨脹。這兩者都可能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害,必須對(duì)此給予必要 的關(guān)注。 降低水膠比,摻加粉煤灰和礦渣等礦物摻和料雖不能避免混凝土中早期膨 脹能的損失,但有利于抑制DEF引起的后期膨脹。
參考文獻(xiàn)
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