混凝土外加劑在基礎大體積混凝土中的應用

[關(guān)鍵詞] 　混凝土外加劑；基礎大體積混凝土；應用；分析

1 　基礎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工程問題，而基礎工程大多數(shù)屬于大體積混凝土工程，例如，高層建筑的箱形基礎、筏式基礎、樁基厚大的承臺等，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10000m³)，施工條件復雜和施工技術(shù)要求高等特點，除了必須滿足強度、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力，變形裂縫產(chǎn)生等問題。

大體積混凝土基礎的特點是混凝土澆筑面和澆筑量大，當混凝土澆筑完畢，由于水泥水化熱的影響，使混凝土內(nèi)部最高溫度3～5d達到峰值，此時若混凝土內(nèi)部最高溫度與外界氣溫之差超過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)生壓應力，表面產(chǎn)生拉應力，如果此時產(chǎn)生的拉應力大于混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土表面產(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，此時的收縮受到基底或結(jié)構(gòu)本身的約束，會產(chǎn)生較大收縮應力(拉應力)，如果產(chǎn)生的收縮應力超過此時的混凝土極限抗拉強度就會在混凝土中產(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)外溫差過大(超過25℃)，所引起的表面裂縫和收縮裂縫的發(fā)生。

實驗表明混凝土內(nèi)部的最高溫度，大多發(fā)生在混凝土澆筑后的最初3～5d，此時混凝土的極限抗拉強度和彈性模量都很低，對水化熱所引起的溫度應力約束不大。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)峰值的時間和提高混凝土的早期強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大體積混凝土工程中的作用。

2 　基礎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，目前仍有些爭議。1987年我國制定和頒布了第一部混凝土外加劑的國家標準，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)?！币虼?/SPAN>，在混凝土中加入混凝土外加劑可改善混凝土性能，提高混凝土強度，減少水泥用量等。

基礎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一公司科研所研制，先后在武漢天河機場，五星城酒店、泰合廣場、東方商都等10多項大型工程中使用，均獲得較好的經(jīng)濟技術(shù)效益。MC25型高效緩凝減水劑主要特點如下：

1) 強度不變的情況下，可節(jié)約水泥12%～15%，混凝土造價降低(2～8元/m³；2) 水泥用量不變，減水率可達18%～20%，混凝土3d、7d強度提高50%～70%，28d強度提高20%～30%；3) 可配制C60～C80混凝土，混凝土可在3d內(nèi)達C45；4) 可配制抗?jié)B等級S30以上混凝土。；5) 強度不變，減少水泥用量12%，仍可配制坍落度20～22cm的流動混凝土；6) 混凝土的初終凝時間延緩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力所產(chǎn)生的裂縫等。

b) 木質(zhì)素磺酸鹽類減水劑，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：

1) 屬陰離子表面活性劑，在混凝土中對水泥顆料起擴散作用，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度；3) 提高混凝土的密實性，改善混凝土的抗?jié)B能力(由S6級提高到S12～S30級)；4) 28d抗壓強度可提高10%～15%，在混凝土工作性和強度相近條件下，可節(jié)約水泥5%～10%；5) 當水泥用量不變，強度相近條件下，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生產(chǎn)的。其主要特點如下：

1) 改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使總孔隙率減少，毛細孔徑減少，從而提高了混凝土的抗?jié)B性；2) 改善了混凝土的應力狀態(tài)，膨脹能轉(zhuǎn)變?yōu)樽詰?/SPAN>，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，可提高混凝土的強度，在保持混凝土強度不變的情況下，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，并推遲峰值到來時間，符合大體積混凝土施工技術(shù)要求。外觀為深灰色粉狀固體。

d)UEA型混凝土膨脹劑，由中國建材研究院研制，多家生產(chǎn)。其主要特點如下： 1)UEA以10%～12%內(nèi)摻(取代水泥率)水泥中，可拌制成補償收縮混凝土，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的預壓應力，這一預壓應力大致可抵消混凝土硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應力，使結(jié)構(gòu)不裂或控制在無害裂縫范圍內(nèi)；2) 摻UEA的強度，彈性模量和抗凍標號與普通混凝土基本相同，但抗?jié)B標號比普通混凝土提高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)開發(fā)公司湛江外加劑廠生產(chǎn)的一種新型混凝土外加劑。其主要特點如下：

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，減水率可達14%左右；3) 常溫情況下，摻用FDN2440的混凝土，其初凝時間約比不摻的延長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混凝土強度均提高30%～50% ，28d混凝土強度能提高20%以上，在同強度條件下可節(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力，提高其抗裂性能。

3 　在基礎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)時間可顯著延緩，使混凝土的初凝和終凝時間相應延緩5～8h，其齡期1～3d的水化熱減少，熱峰值出現(xiàn)時間推遲，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，不僅減小了溫度應力，而且減小了由于混凝土內(nèi)外溫差過大引起混凝土開裂的可能性。

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裂的可能性，同時也增強了混凝土的密實性和抗?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程中產(chǎn)生適度膨脹，建立自應力，以補償混凝土的收縮和冷縮，達到抗裂目的。如中國建材院經(jīng)過試驗認為UEA的微膨脹作用主要發(fā)生在14d以前，用于補償混凝土的干縮，但在14d～90d仍有小量膨脹，用于補償?shù)幕炷晾淇s。UEA混凝土的膨脹性能見表1。

　  由于摻入UEA混凝土外加劑混凝土在養(yǎng)護期間可產(chǎn)生適度膨脹，在混凝土中建立預壓應力，當混凝土開始收縮時，其預壓應力足以抵抗收縮拉應力的作用，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合使用，可收到較好的效果。

武漢某大廈基礎大體積混凝土施工中，為更好的檢驗摻入不同的外加劑對混凝土性能的綜合影響，作了大量的試驗，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，得出的試驗結(jié)果如表2和表3所示：

     從表中試驗結(jié)果可以看出，在混凝土中摻用復合外加劑后，混凝土的抗壓強度和坍落度均比沒有摻入外加劑的基準混凝土有顯著的提高，從表2 可以看出當采用52.5級普通硅酸鹽水泥，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度和坍落度均有較大增長，特別是摻入UEA微膨脹劑和JM2Ⅱ高效減水劑后，其3d的混凝土抗壓強度達到38.9MPa，坍落度達到18.5cm，由此可見摻入復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度和抗拉強度。

在從表3可以看出，當采用62.5級普通硅酸鹽水泥，不摻外加劑時，基準混凝土的抗壓強度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 %) ，混凝土的抗壓強度3d、7d、28d分別達到48.3MPa、57.8MPa、69.3MPa，其抗壓強度的增長較基準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，可作為施工時配制混凝土的參考。

4 　基礎大體積混凝土應用外加劑實例  

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，地上28層，地下一層，抗震設防烈度7 度，抗震等級為二級，基礎承臺板厚度分別為1m、2m、2.5m、3 m不等，其中中心筒承臺板(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計標號C40，采用華新52.5級礦渣硅酸鹽水泥、中砂(巴河產(chǎn))， M =2.7，5～40連續(xù)級配，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，混凝土初凝時間不小于4h，采用商品混凝土施工，抗?jié)B等級S8，UEA微膨脹劑由河南駐馬店中原科技實業(yè)有限公司生產(chǎn)，高效減水劑由鐵道部大橋局谷橋集團生產(chǎn)，其具體配合比情況見表4。

4.2 　保溫測溫情況

底板混凝土澆筑時按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)計算需兩層麻袋，麻袋下覆蓋塑料薄膜一層，其計算厚度3.2cm。其計算數(shù)據(jù)如下：52.5級礦渣硅酸鹽水泥，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)部分共設測溫點7處，每處分別3個測溫孔，按上、中、下埋設，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由38鍍鋅鋼管，下端用4mm厚的鐵板封嚴，并與承臺鋼筋焊接固定，鍍鋅鋼管高出混凝土板面5cm，管口用木塞封閉，以防水進入，測溫采用電子測溫儀，測溫儀必須伸入管底，混凝土澆筑24h后開始測溫，第一天到第四天，每24h測溫一次，第五天到第8d每4h測一次。第八天向后根據(jù)具體情況確定不定時測溫。當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25℃時，應立即采取措施。表5是基礎上、中、下部逐漸升、降溫度變化表(取其平均值計算)。

　  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)點溫差超過25℃時，其余均在25℃范圍之內(nèi)，經(jīng)過及時采取措施后，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，提高混凝土強度，增強混凝土的密實性，減少收縮、徐變和提高混凝土抗?jié)B性，同時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用，可推遲或延緩水泥水化熱的作用，增強混凝土的抗裂性能，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。