混凝土外加劑在基礎(chǔ)大體積混凝土中的應(yīng)用

[關(guān)鍵詞] 　混凝土外加劑；基礎(chǔ)大體積混凝土；應(yīng)用；分析

1 　基礎(chǔ)大體積混凝土的概念

高層建筑的發(fā)展首先涉及的是基礎(chǔ)工程問(wèn)題，而基礎(chǔ)工程大多數(shù)屬于大體積混凝土工程，例如，高層建筑的箱形基礎(chǔ)、筏式基礎(chǔ)、樁基厚大的承臺(tái)等，都屬于體積較大的混凝土工程。這些大體積混凝土工程具有結(jié)構(gòu)厚，體形大、鋼筋密，混凝土數(shù)量多(有的混凝土量已超過(guò)10000m³)，施工條件復(fù)雜和施工技術(shù)要求高等特點(diǎn)，除了必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、整體性和耐久性要求外，還存在如何控制和防止溫度應(yīng)力，變形裂縫產(chǎn)生等問(wèn)題。

大體積混凝土基礎(chǔ)的特點(diǎn)是混凝土澆筑面和澆筑量大，當(dāng)混凝土澆筑完畢，由于水泥水化熱的影響，使混凝土內(nèi)部最高溫度3～5d達(dá)到峰值，此時(shí)若混凝土內(nèi)部最高溫度與外界氣溫之差超過(guò)25℃，在升溫階段和降溫階段，容易發(fā)生表面裂縫和收縮裂縫。

在升溫階段，由于混凝土內(nèi)部的溫度比較高，混凝土體積大，因此聚集在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部水化熱不易散發(fā)，使混凝土內(nèi)部溫度顯著升高，而混凝土表面則散熱較快，這樣形成較大的內(nèi)外溫差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果此時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生表面裂縫。在降溫階段，由于混凝土逐漸散熱，而產(chǎn)生收縮，此時(shí)的收縮受到基底或結(jié)構(gòu)本身的約束，會(huì)產(chǎn)生較大收縮應(yīng)力(拉應(yīng)力)，如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過(guò)此時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫。因此，大體積混凝土施工中就要采取一些技術(shù)措施，避免由于混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大(超過(guò)25℃)，所引起的表面裂縫和收縮裂縫的發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)表明混凝土內(nèi)部的最高溫度，大多發(fā)生在混凝土澆筑后的最初3～5d，此時(shí)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量都很低，對(duì)水化熱所引起的溫度應(yīng)力約束不大。如果采用低水化熱水泥，添加混凝土外加劑、摻入粉煤灰等方法，降低混凝土的水化熱及減少水泥用量，延緩水化熱出現(xiàn)峰值的時(shí)間和提高混凝土的早期強(qiáng)度可大大減少或避免這兩種裂縫的發(fā)生。

大體積混凝土降低混凝土內(nèi)部的最高溫度和減小其內(nèi)外溫差，除要編制可行的施工方案和周密的技術(shù)措施以外，還必須考慮外加劑在基礎(chǔ)大體積混凝土工程中的作用。

2 　基礎(chǔ)大體積混凝土中使用的外加劑

有關(guān)混凝土外加劑確切的定義，目前仍有些爭(zhēng)議。1987年我國(guó)制定和頒布了第一部混凝土外加劑的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中將混凝土外加劑定義為“混凝土外加劑是在拌制混凝土過(guò)程中加入，用以改善混凝土性能的物質(zhì)。摻量不大于水泥重量的5 %(特殊情況除外)。”因此，在混凝土中加入混凝土外加劑可改善混凝土性能，提高混凝土強(qiáng)度，減少水泥用量等。

基礎(chǔ)大體積混凝土外加劑一般多采用微膨脹劑和高效緩凝減水劑，武漢地區(qū)基礎(chǔ)大體積混凝土中常用外加劑有：MC25型高效緩凝減水劑、木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)減水劑、CAS微膨脹劑、UEA微膨脹劑等等。

a)MC25型高效緩凝減水劑是武建集團(tuán)一公司科研所研制，先后在武漢天河機(jī)場(chǎng)，五星城酒店、泰合廣場(chǎng)、東方商都等10多項(xiàng)大型工程中使用，均獲得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。MC25型高效緩凝減水劑主要特點(diǎn)如下：

1) 強(qiáng)度不變的情況下，可節(jié)約水泥12%～15%，混凝土造價(jià)降低(2～8元/m³；2) 水泥用量不變，減水率可達(dá)18%～20%，混凝土3d、7d強(qiáng)度提高50%～70%，28d強(qiáng)度提高20%～30%；3) 可配制C60～C80混凝土，混凝土可在3d內(nèi)達(dá)C45；4) 可配制抗?jié)B等級(jí)S30以上混凝土。；5) 強(qiáng)度不變，減少水泥用量12%，仍可配制坍落度20～22cm的流動(dòng)混凝土；6) 混凝土的初終凝時(shí)間延緩2～5h；7) 水泥水化熱峰值推遲3～8h，峰值下降，有效地克服了大體積混凝土由于溫度應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫等。

b) 木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)減水劑，木質(zhì)素磺酸鹽為陰離子型表面活性劑，基本結(jié)構(gòu)是苯基丙烷衍生物，由生產(chǎn)紙漿的廢液中提出各類(lèi)木質(zhì)衍生物，有木質(zhì)素磺酸鈣、鈉、鎂等，是研究成功最早、目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的減水劑。其摻量為水泥重量的0.2%～0.3%，以木鈣減水劑為例，具有如下特點(diǎn)：

1) 屬陰離子表面活性劑，在混凝土中對(duì)水泥顆料起擴(kuò)散作用，能使水泥充分水化；2) 改善混凝土的和易性，減水率為10%～15%，并可明顯提高混凝土流動(dòng)度；3) 提高混凝土的密實(shí)性，改善混凝土的抗?jié)B能力(由S6級(jí)提高到S12～S30級(jí))；4) 28d抗壓強(qiáng)度可提高10%～15%，在混凝土工作性和強(qiáng)度相近條件下，可節(jié)約水泥5%～10%；5) 當(dāng)水泥用量不變，強(qiáng)度相近條件下，塑性混凝土的坍落度可增加50mm～120mm。

c) CAS微膨脹劑，由一冶建科所研制，武漢一冶特種建筑材料廠(chǎng)生產(chǎn)的。其主要特點(diǎn)如下：

1) 改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使總孔隙率減少，毛細(xì)孔徑減少，從而提高了混凝土的抗?jié)B性；2) 改善了混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，膨脹能轉(zhuǎn)變?yōu)樽詰?yīng)力，使混凝土處于受壓狀態(tài)，從而提高了混凝土的抗裂性能；3) CAS取代一部分水泥，可提高混凝土的強(qiáng)度，在保持混凝土強(qiáng)度不變的情況下，節(jié)省水泥，從而大幅度降低混凝土的絕對(duì)升溫，減小了溫度裂紋的危害；4) CAS分快凝型和緩凝型兩種，適應(yīng)施工多變要求。緩凝型能降低水泥水化熱的峰值，并推遲峰值到來(lái)時(shí)間，符合大體積混凝土施工技術(shù)要求。外觀(guān)為深灰色粉狀固體。

d)UEA型混凝土膨脹劑，由中國(guó)建材研究院研制，多家生產(chǎn)。其主要特點(diǎn)如下： 1)UEA以10%～12%內(nèi)摻(取代水泥率)水泥中，可拌制成補(bǔ)償收縮混凝土，其限制膨脹率為0.02%～0.04%，在鋼筋和鄰值約束下，可在混凝土中建立0.2～0.7MP的預(yù)壓應(yīng)力，這一預(yù)壓應(yīng)力大致可抵消混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)不裂或控制在無(wú)害裂縫范圍內(nèi)；2) 摻UEA的強(qiáng)度，彈性模量和抗凍標(biāo)號(hào)與普通混凝土基本相同，但抗?jié)B標(biāo)號(hào)比普通混凝土提高1～2倍；3) 摻入UEA的水泥，可降低水泥水化熱。

e) FDN2440混凝土緩凝減水劑為華聯(lián)外加劑工業(yè)開(kāi)發(fā)公司湛江外加劑廠(chǎng)生產(chǎn)的一種新型混凝土外加劑。其主要特點(diǎn)如下：

1) FDN2440摻量范圍為0.2%～0.5%， 常用摻量為0.4%；2) 在同配合比、同坍落度條件下，F(xiàn)DN2440的減水率隨摻量的增加而增大。摻量為水泥用量的0.4%時(shí)，減水率可達(dá)14%左右；3) 常溫情況下，摻用FDN2440的混凝土，其初凝時(shí)間約比不摻的延長(zhǎng)0.5～2h，適于炎熱氣候下使用；4) 在同配合比、同坍落度條件下，摻加FDN2440，可使1d、3d混凝土強(qiáng)度均提高30%～50% ，28d混凝土強(qiáng)度能提高20%以上，在同強(qiáng)度條件下可節(jié)約水泥用量10%～15%；5) 延緩溫峰：摻用FDN2440，可使混凝土的內(nèi)部溫升有所降低而延緩溫峰的出現(xiàn)。大體積混凝土中摻用FDN2440，可降低溫凝土的溫度應(yīng)力，提高其抗裂性能。

3 　在基礎(chǔ)大體積混凝土中摻入外加劑的效果分析

一般在混凝土中加入外加劑后，可取得以下效果：

a) 延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間和降低水化熱。若混凝土中摻入緩凝減水劑后，混凝土的凝結(jié)時(shí)間可顯著延緩，使混凝土的初凝和終凝時(shí)間相應(yīng)延緩5～8h，其齡期1～3d的水化熱減少，熱峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲，放熱峰值的溫度降低，從而有效地控制了混凝土的內(nèi)外溫差，減少了混凝土開(kāi)裂的可能性。

b) 減少了水泥用量。在混凝土中摻入高效緩凝減水劑后，可降低混凝土單方水泥用量。由于水泥用量的減少，從而降低了由于水泥水化引起的大量水化熱，使混凝土內(nèi)部熱峰值降低，不僅減小了溫度應(yīng)力，而且減小了由于混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大引起混凝土開(kāi)裂的可能性。

c) 減少用水量。在混凝土中摻入高效減水劑后，可大大降低混凝土的水灰比，提高混凝土的坍落度和施工時(shí)的和易性。由于用水量的減少，減小了由于混凝土中水份的蒸發(fā)引起的混凝土干燥收縮開(kāi)裂的可能性，同時(shí)也增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性。

d) 限制混凝土的膨脹率。采用微膨脹劑可使混凝土體積在水化過(guò)程中產(chǎn)生適度膨脹，建立自應(yīng)力，以補(bǔ)償混凝土的收縮和冷縮，達(dá)到抗裂目的。如中國(guó)建材院經(jīng)過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為UEA的微膨脹作用主要發(fā)生在14d以前，用于補(bǔ)償混凝土的干縮，但在14d～90d仍有小量膨脹，用于補(bǔ)償?shù)幕炷晾淇s。UEA混凝土的膨脹性能見(jiàn)表1。

　  由于摻入UEA混凝土外加劑混凝土在養(yǎng)護(hù)期間可產(chǎn)生適度膨脹，在混凝土中建立預(yù)壓應(yīng)力，當(dāng)混凝土開(kāi)始收縮時(shí)，其預(yù)壓應(yīng)力足以抵抗收縮拉應(yīng)力的作用，從而防止了裂縫的出現(xiàn)。另一方面在混凝土中加入UEA混凝土外加劑后，還可降低水化熱，在一定程度上可補(bǔ)償混凝土的溫差收縮。一般大體積混凝土施工中均將UEA混凝土外加劑與高效緩凝減水劑復(fù)合使用，可收到較好的效果。

武漢某大廈基礎(chǔ)大體積混凝土施工中，為更好的檢驗(yàn)摻入不同的外加劑對(duì)混凝土性能的綜合影響，作了大量的試驗(yàn)，外加劑采用UEA微膨脹劑，JM2Ⅱ高效減水劑，TMS微膨脹劑，MC25高效減水劑和CAS微膨脹劑，得出的試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示：

     從表中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在混凝土中摻用復(fù)合外加劑后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和坍落度均比沒(méi)有摻入外加劑的基準(zhǔn)混凝土有顯著的提高，從表2 可以看出當(dāng)采用52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，在混凝土配合比相同的情況下，摻入不同的混凝土外加劑其混凝土的抗壓強(qiáng)度和坍落度均有較大增長(zhǎng)，特別是摻入UEA微膨脹劑和JM2Ⅱ高效減水劑后，其3d的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到38.9MPa，坍落度達(dá)到18.5cm，由此可見(jiàn)摻入復(fù)合混凝土外加劑后不僅可以提高混凝土的坍落度，減少水泥用量和用水量，而且可大大提高早期的混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

在從表3可以看出，當(dāng)采用62.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，不摻外加劑時(shí)，基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度3d、7d、28d分別為38.1MPa、42.8MPa、47.2MPa ，但摻入MC25高效減水劑后和UEA 微膨脹劑(或CAS微膨脹劑) 混凝土的抗壓強(qiáng)度和坍落度均有較大的提高。特別是摻入MC25( 1.5 %) 和CAS(16 %) ，混凝土的抗壓強(qiáng)度3d、7d、28d分別達(dá)到48.3MPa、57.8MPa、69.3MPa，其抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)較基準(zhǔn)混凝土和摻用其他品種外加劑的混凝土均要高，所以在混凝土中摻入這兩種外加劑效果明顯，可作為施工時(shí)配制混凝土的參考。

4 　基礎(chǔ)大體積混凝土應(yīng)用外加劑實(shí)例  

武漢市某工程結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框筒結(jié)構(gòu)，采用<1000反循環(huán)鉆孔灌注樁，箱形基礎(chǔ)，地上28層，地下一層，抗震設(shè)防烈度7 度，抗震等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)承臺(tái)板厚度分別為1m、2m、2.5m、3 m不等，其中中心筒承臺(tái)板(J23)澆筑混凝土面積484m³，一次澆筑混凝土最多為1320m³。

4.1 　混凝土配合比和外加劑使用情況

該工程地下室底板混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C40，采用華新52.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥、中砂(巴河產(chǎn))， M =2.7，5～40連續(xù)級(jí)配，外加劑采用UEA微膨脹劑和FDN/SP高效緩凝減水劑，混凝土坍落度控制在14～18cm，混凝土初凝時(shí)間不小于4h，采用商品混凝土施工，抗?jié)B等級(jí)S8，UEA微膨脹劑由河南駐馬店中原科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，高效減水劑由鐵道部大橋局谷橋集團(tuán)生產(chǎn)，其具體配合比情況見(jiàn)表4。

4.2 　保溫測(cè)溫情況

底板混凝土澆筑時(shí)按6～7月考慮，武漢平均氣溫為30℃，3m厚底板混凝土表面覆蓋物，經(jīng)計(jì)算需兩層麻袋，麻袋下覆蓋塑料薄膜一層，其計(jì)算厚度3.2cm。其計(jì)算數(shù)據(jù)如下：52.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，水化熱4.9kJ/kg；混凝土的澆筑溫度為24.06℃；外界平均溫度為30℃，混凝土3天的絕熱溫升為39.1℃，混凝土中心的最高溫度經(jīng)計(jì)算為63.2℃，混凝土的表面溫度為41.11℃。且在混凝土內(nèi)部埋設(shè)由<38mm鋼管，通入循環(huán)水，以降低混凝土表面和內(nèi)部溫度差。

地下室底板核心區(qū)部分共設(shè)測(cè)溫點(diǎn)7處，每處分別3個(gè)測(cè)溫孔，按上、中、下埋設(shè)，上為混凝土表面溫度，中為混凝土的溫度，下為距底板300mm處的溫度。在混凝土澆筑之前埋設(shè)由38鍍鋅鋼管，下端用4mm厚的鐵板封嚴(yán)，并與承臺(tái)鋼筋焊接固定，鍍鋅鋼管高出混凝土板面5cm，管口用木塞封閉，以防水進(jìn)入，測(cè)溫采用電子測(cè)溫儀，測(cè)溫儀必須伸入管底，混凝土澆筑24h后開(kāi)始測(cè)溫，第一天到第四天，每24h測(cè)溫一次，第五天到第8d每4h測(cè)一次。第八天向后根據(jù)具體情況確定不定時(shí)測(cè)溫。當(dāng)混凝土中心的溫度與混凝土表面溫度、混凝土表面溫度與大氣溫差超過(guò)25℃時(shí)，應(yīng)立即采取措施。表5是基礎(chǔ)上、中、下部逐漸升、降溫度變化表(取其平均值計(jì)算)。

　  從表5中可以看出，溫度變化總體情況較好，除第3天和第4天少數(shù)點(diǎn)溫差超過(guò)25℃時(shí)，其余均在25℃范圍之內(nèi)，經(jīng)過(guò)及時(shí)采取措施后，趨向正常。

5 　小結(jié)

在大體積混凝土施工中摻入混凝土外加劑，可大大改善混凝土工作性能，提高混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，減少收縮、徐變和提高混凝土抗?jié)B性，同時(shí)由于水泥用量的減少和混凝土微膨脹劑及高效緩凝減水劑的雙摻應(yīng)用，可推遲或延緩水泥水化熱的作用，增強(qiáng)混凝土的抗裂性能，防止大體積混凝土出現(xiàn)升溫階段的表面裂縫和降溫階段的收縮裂縫。