鋁酸鈣類混凝土膨脹劑的應用

    關鍵詞: 鋁酸鈣類膨脹劑;混凝土;抗裂防滲;應用

    普通混凝土的極限拉伸變形值僅為0. 01 %～0. 02 % ,而收縮值達0. 04 %～0. 06 % ,所以,普通混凝土的收縮開裂時有發(fā)生,導致滲漏、鋼筋銹蝕,以致影響結構的使用功能,也使混凝土的耐久性大大降低。為此,國內(nèi)外工程界對材料、設計和施工技術等方面進行了廣泛的研究。大量的試驗和應用實例表明,使混凝土在硬化過程中產(chǎn)生適度膨脹,是消除或減少混凝土干縮和冷縮裂縫的最有效的途徑。膨脹混凝土可由膨脹水泥、砂、石、水組成,也可由普通水泥、砂、石、水、膨脹劑組成。目前我國生產(chǎn)的膨脹劑種類較多,有鋁酸鈣類(AEA) 、硫鋁酸鈣類(U EA) 、氧化鈣類(CEA) 等。其中AEA 混凝土膨脹劑是由中國建材研究院研制開發(fā)的國家級新產(chǎn)品,其基本組成為鋁酸鈣熟料、明礬石、石膏等,膨脹源為鈣礬石。它在AEA 無縫設計施工技術、控制大體積混凝土滲裂、結構自防水技術中得到了廣泛的應用。本文著重介紹其性能及在工程中的應用。

    2. 1. 1 AEA 的化學組成(見表1)

 

    AEA 以水泥量的8 %～10 %摻入水泥中,加水攪拌,其主要化學反應是:首先,高鋁熟料中的CA 與石膏中CaSO4 及水泥水化生成的Ca (OH) 2 反應,生成鈣礬石和氫氧化鋁膠,其反應式為:

3CA + 3CaSO4 ·2H2O + 32H2O →C3A ·3CaSO4 ·32H2O + 2 (Al2O3 ·3H2O) ( 1)

 

    其次,明礬石與石膏、氫氧化鈣反應生成鈣礬石及氫氧化鉀,其反應式為:

K2SO4·Al2 (SO4) 3 ·4Al (OH) 2 + 13Ca (OH) 2 + 5CaSO4 + 78H2O →3C3A ·3CaSO4 ·32H2O + 2KOH (2)

 

    從表2 可以看出,AEA 混凝土膨脹劑各項性能指標均超出《混凝土膨脹劑》(J C 476 —92) 標準中的一級品技術要求。

 

    AEA 混凝土的主要原材料為天然硬石膏、天然明礬石和高鋁熟料,而高鋁熟料是用礬土、石灰石經(jīng)回轉窯高溫(1380 ℃) 煅燒而成。在生產(chǎn)過程中和各原材料計量均采用計

算機控制,產(chǎn)品質量經(jīng)過嚴格檢驗。

    我國目前應用比較普通的幾種膨脹劑中,AEA 的堿含量最低,為0. 3 %～0. 5 % ,不會發(fā)生堿—骨料反應。

    AEA 混凝土膨脹劑中熟料部分7 d 就可以反應完畢,且膨脹絕對值也較大,J C 476 —92 標準規(guī)定AEA 混凝土膨脹劑的法定摻量為10 % ,所以,這一性能特別適合施工氣溫高、混凝土強度發(fā)展快的場合,其干縮值較小,而且膨脹與強度同步發(fā)展。

    AEA 在水化生成鈣礬石的同時,還在各分子的縫隙間生成氫氧化鋁膠,能提高混凝土的密實性,同時對混凝土的后期強度有顯著的提高。

3 AEA 混凝土膨脹劑的主要用途

    設計規(guī)范規(guī)定,考慮混凝土收縮變形,每30～40 m 設一道后澆縫,后澆縫的設置不但施工麻煩,延長工期,而且留下滲水隱患。若采用AEA 補償收縮混凝土,以膨脹加強帶取代后澆縫,實現(xiàn)連續(xù)澆筑超長防水結構,可以消除以上問題。其補償收縮機理為:當混凝土澆筑厚度h 與基礎長寬尺寸L 之比不大于0. 2 (即h/ L ≤0. 2) 時,板在溫度收縮變形作用下,離開端部區(qū)域, 板的全截面受拉應力均勻。在地基約束下,將出現(xiàn)水平法向力σx ,從工程實踐可知,σx 是設計主要控制應力,是引起正常垂直裂縫的主要應力,其最大值σmax出現(xiàn)在板截面的中點x = 0 處。當σmax超過混凝土抗拉強度( R t) 時,板中部出現(xiàn)第1 條垂直裂縫,開裂后的每塊板的水平應力重新分布為σx’ ,若σx’ > R t ,又形成第2 條裂縫..。為防止這種有序裂縫的出現(xiàn),工程中常以設置后澆帶作為釋放收縮應力、控制裂縫的主要措施之一。從以下法向應力公式可

見: σmax = - E ·α·T (1 - ) ,β= (3)

式中: E —計算齡期混凝土的彈性模量值(MPa) ;

σx —混凝土線膨脹系數(shù);

L —結構物長度(m) ;

H —混凝土徐變松馳系數(shù);

b —地基約束系數(shù)(N/ mm3) ;

d —混凝土板厚(mm) ;

ch —雙曲余弦函數(shù)。

T = T 1 + T 2 + T 3 —總溫差( ℃) ;

其中: T 1 —季節(jié)溫差( ℃) ;

T 2 —混凝土干縮當量溫差( ℃) ;

T 3 —混凝土水化熱溫差( ℃) ;

    后澆帶只在較短間距L 范圍對削減收縮應力(σmax ) 起顯著作用,超過一定長度,即使設后澆帶也沒有意義。按理計算,削減σmax有效間距為30～60 m ,因此,膨脹加強帶間距應設在此范圍內(nèi)。

研究還表明,摻AEA 混凝土膨脹劑的混凝土在硬化過程中產(chǎn)生膨脹作用,在鋼筋和鄰位約束下,鋼筋受拉,而混凝土受壓,當鋼筋拉應力與混凝土壓應力平衡時,則有:

A c ·σc = A s ·Es ·εs

設:μ= A s/ A c

則σc =μ·Es ·εs (4)

式中:σc —混凝土預壓應力值(MPa) ;

A c —混凝土截面積(mm2) ;

A s —鋼筋截面積(mm2) ;

Es —鋼筋彈性模量(MPa) ;

εs —鋼筋的彈性應變量( %) 。

    由(4) 式可見,σc 與εs 成正比關系,而限制εs 隨AEA 摻量增加而增加,所以通過調整膨脹劑摻量,可使混凝土獲得不同的預壓應力。

根據(jù)σx 分布曲線,設想在σmax處給予較大的膨脹應力σc ,而在兩側給予較小的膨脹應力,以使結構的收縮應力得到大小適宜的補償,從而控制有序裂縫的出現(xiàn)。

    在高層建筑施工中,地下室底板越來越厚,混凝土強度等級和抗?jié)B標號越來越高,一般混凝土強度等級均在C35 以上,抗?jié)B標號為S8。其水泥用量一般在400～500 kg/ m3 ,混凝土的水化熱相當高,可使混凝土內(nèi)部最高溫度達60～80 ℃。而按照常規(guī),當混凝土內(nèi)外溫差超過25 ℃時,有可能導致大體積混凝土出現(xiàn)貫穿的溫差裂縫。

據(jù)計算公式:綜合溫差T = T 1 + T 2

式中: T 1 —混凝土水化熱最高溫度與環(huán)境平均氣溫之差,施

工規(guī)范要求: T 1 < 25 ℃;

T 2 —混凝土收縮當量溫差;

T2 =εy /α

式中:εy —混凝土收縮率值,對普通混凝土為(2～3) ×10 - 4 ;

α—混凝土的線膨脹系數(shù),取1 ×10 - 5。

    T 2 = 20～30 ℃時,混凝土早期(10～15 d) 的極限拉伸率一般只有εp = (1～2) ×10 - 4(考慮徐變) ,因而很容易出現(xiàn)裂縫。而摻AEA 混凝土膨脹劑的混凝土能產(chǎn)生膨脹效應,第14 d 的限制膨脹率εy’ = (2～4. 4) ×10 - 4 。它不但可補償混凝土的收縮,而且能降低混凝土的溫差。按公式T 2 =εy’ /α, 當摻AEA 混凝土膨脹劑的混凝土εy’ = 2 ×10 - 4時,則T 2 = 20 ℃;如果εy ’更大,則可補償溫度更高,這是很大的潛在溫差補償效應。對于溫差變成T = T 1 - T 2 ,使結構的溫度變形αT 小于混凝土的極限拉伸εP ,可防止大體積結構產(chǎn)生裂縫, 這就是補償收縮混凝土控制大體積混凝土結構裂縫的理論依據(jù)。因此,采用AEA 混凝土膨脹劑生產(chǎn)混凝土相當于放寬了溫差控制指標,可以省去在混凝土中埋設冷卻水管和冷卻骨料等傳統(tǒng)施工方法,節(jié)省了費用。

     在剛性防水屋面中,采用AEA 膨脹混凝土作剛性屋面比普通細石防水混凝土更好,其原因是提高了混凝土的抗裂性,以柔性分格縫緩解屋面的溫差裂縫。這種在預制板或保溫層上作50 mm 厚Φ4 mm @150 mm ×150 mm 雙向鋼筋補償收縮混凝土屋面,已在南方許多地區(qū)得到推廣應用,獲得良好效果。另外,從我們監(jiān)理的許多工程而言,采用現(xiàn)澆防水屋面,現(xiàn)澆層厚10～15 cm ,配以Φ8 mm @150 mm ×150 mm 雙向鋼筋,混凝土強度等級為C25～C30 ,為解決現(xiàn)澆混凝土的抗裂防水問題,在水泥中摻入10 %AEA 混凝土膨脹劑,拌制成補償收縮混凝土澆筑屋面,可以連續(xù)澆筑50 m 不留后澆縫。當屋面長度超過50 m 時,可用AEA 膨脹混凝土加強帶(2 m 寬) 取代后澆縫,連續(xù)澆筑100 m 屋面不留縫。為防止溫差變化,在加強帶之間和屋面周邊適當增加水平構造筋,澆筑完的屋面需加水養(yǎng)護,養(yǎng)護期不小于14 d ,隨后在屋面上架設通風隔熱層。在地下室混凝土施工中,采用AEA 膨脹混凝土作為補償混凝土,其拌合、澆搗和養(yǎng)護方法與普通混凝土差不多,一般可不用外貼防水層。對于特別重要建筑物,外側貼卷材防水層可起到雙保險作用。

用AEA 混凝土膨脹劑配制的補償收縮混凝土剛性防水屋面和地下室結構之所以得到廣泛應用,一方面由于其能有效地防止混凝土的開裂;另一方面,由于膨脹結晶具有填充阻塞毛細孔空隙,改善結構的作用,抗?jié)B能力大大提高,從而實現(xiàn)了混凝土結構自防水。

    某購物廣場,建筑面積2. 3 萬m2 ,地下一層,地面8 層, 框架結構。地下室為現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結構,長98. 60 m , 寬38. 20 m ,底板采用厚50 cm 和高120 cm 地梁筏板基礎(下翻式) ,底板埋深- 4. 95 m ,混凝土設計強度等級C35 ,抗?jié)B標號為S8 ,混凝土總量3900 m3。地下室底板東西設17 條軸,南北設8 條軸,原設計在東西(6) ～ (7) 軸和(11) ～ (12) 軸之間各設一條后澆帶,寬1 m ,底板和墻板外側均設計二布六膠作防水。經(jīng)我們會同業(yè)主、設計、施工單位多方面論證考察,一致同意取消二條后澆帶和全部外防水,采用AEA 膨脹混凝土作結構自防水,使結構承重與防水合二為一,具永久性的結構防水性能。AEA 膨脹混凝土的配合比(kg/ m3) 為:32. 5 級水泥∶砂∶碎石∶AEA = 437 ∶731 ∶1021 ∶50 , 水灰比= 0. 45。按照本設計方案,在設計和施工期間,安排專家進行現(xiàn)場技術交底。施工單位精心組織施工。地下工程完工后經(jīng)評估和鑒定,混凝土強度、抗?jié)B等級、混凝土限制膨脹率均能滿足設計和施工的要求。本工程通過使用AEA 膨脹混凝土不僅節(jié)約工程成本,而且對提高結構的整體性,簡化施工工序, 縮短工期,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

    某銀行綜合樓,總建筑面積為3. 2 萬m2 ,地下室一層, 地上28 層。地下室長56. 8 m ,底板厚2. 1 m ,箱形基礎,底板標高為- 5. 1 m ,設計采用AEA 無縫設計施工技術,根據(jù)大體積無縫施工的理論依據(jù),實行AEA 膨脹混凝土無縫設計和剛性結構防水措施。為了保險起見,底板分二次澆筑,不另外采取降溫措施,第一次澆筑1. 1 m ,第二次澆筑1. 0 m ,其材料要求和配合比如下:

(1) 材料

AEA 膨脹劑為一級品, 14 d 水中限制膨脹率為0. 0424 %;

水泥:42. 5R ;

砂子:模數(shù)3. 04 中粗砂, Ⅱ區(qū)級配,含泥量小于1 %;

碎石:20～40 mm ,壓碎指標14. 78 % ,含泥量0. 95 %。

(2) 試配和留樣結果

     試配:C35 ,S8 ,砂率34. 6 %。其配合比為(水泥+ AEA) ∶砂∶石∶水= 1 ∶1. 34 ∶2. 54 ∶0. 43 ,水泥用量413 kg/ m3 ,AEA 混凝土膨脹劑摻量為45. 5 kg/ m3 ,試配坍落度5 cm , R 7 = 35. 2 MPa , R 28 = 46. 7 MPa ,抗?jié)B標號大于S10。留樣結果:現(xiàn)場混凝土和易性好,坍落度3～5 cm ,符合施工要求。24 組試塊R 28min = 38. 9 MPa , R 28max = 46. 6 MPa , 抗?jié)B標號大于S10。

    由于施工中合理安排,嚴格按規(guī)范施工,各方面相互協(xié)調,使得AEA 膨脹混凝土在該地下室防水中取得良好抗裂抗?jié)B效果,減少了施工工序,節(jié)約工程費用。經(jīng)過3 個雨季使用后的考驗,完全達到設計要求,取得了良好的經(jīng)濟效益。

    某集資住宅樓,7 層磚混結構,共3 幢,總建筑面積1. 45 萬m2 ,屋頂面積2080 m2 ,每幢長56 m ,寬12 m。設計采用Φ4 mm @150 mm ×150 mm 雙向鋼筋,C25 內(nèi)加AEA 混凝土膨脹劑的細石混凝土剛性防水屋面。

    混凝土配合比為:32. 5 級普通水泥332 kg/ m3 ;中砂712 kg/ m3 ,含泥量不大于2 %;石子用5～15 mm 細石1133 kg/ m3 ,含泥量不大于1 %;AEA 摻量為34 kg/ m3 ;鋼筋為冷拔低碳鋼絲。分格縫設置在屋面板的支承端轉折處、防水層與突出屋面結構的交接處,分格縫間距為6 m ×6 m ,縫寬20～ 30 mm。經(jīng)2 個雨季的考驗,沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,受到了住戶的好評。

    (1) 編制施工組織設計,做好施工前的準備工作。

    (2) 要有專人負責按配合比配料,特別是AEA 混凝土膨脹劑的摻量要保證準確,其誤差不大于0. 5 % ,水灰比用坍落度控制,不能隨意增減。

    (3) 摻AEA 混凝土膨脹劑的混凝土攪拌時間較普通混凝土延長0. 5～1. 0 min ,總攪拌時間不小于3. 5 min 。

    (4) 對于結構斷面小,鋼筋較密的部位,要嚴格按分層澆筑、分層振搗的原則操作。對鋼筋密集或有預埋件等不易振搗密實處,可改用相同強度等級的細石混凝土澆筑,以保證質量。

    (5) 加強帶的施工:AEA 膨脹混凝土加強帶的寬度一般為2 m ,帶之間適當增加15 %～20 %的水平構造筋,帶的兩側分別架設密孔鐵絲網(wǎng),防止混凝土流入加強帶,施工時,先澆帶外微膨脹(摻8 %～10 %AEA 混凝土膨脹劑) 混凝土,澆到加強帶時,改為大膨脹混凝土(摻11 %～12%AEA 混凝土膨脹劑) ,加強帶處混凝土強度等級比加強帶兩側混凝土提高0. 5 MPa 。

    (6) 混凝土的振動必須密實,必須采用插入式振搗,振動點間距不大于500 mm ,做到不過振、漏振和欠振。

    (7) 養(yǎng)護:混凝土終凝后,須派專人灑水養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不少于14 d 。若在冬季澆筑混凝土或大體積混凝土,則需要進行保溫保濕養(yǎng)護。

    (8) 在大體積混凝土中應按要求布測溫孔,在澆筑后的1 個星期內(nèi)要按規(guī)定測內(nèi)外溫差。

    [ 1] 王鐵夢. 工程結構裂縫控制. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1997.

    [ 2] 建筑結構裂滲控制新技術. 北京:中國建材工業(yè)出版社,1998.

    [ 3] 劉長俊. 混凝土配合比設計計算手冊. 遼寧:遼寧科學技術出版社,1997.