大體積補償收縮混凝土與延遲鈣礬石生成

提　要：在大體積補償收縮混凝土內(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償收縮混凝土的膨脹能損失，不能達到補償溫度收縮的目的；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，隨著建筑物高度和體積的不斷增加，大體積混凝土的強度等級、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；佛山國際商業(yè)中心 的底板，強度等級C30，中心部位厚4m，邊緣厚3m，混凝土方量達8000m³；北京航華科貿(mào)中心寫字樓主樓基礎(chǔ)混凝土底板2.5～5.2m，一次澆筑量7800m³；北 京東方廣場的基礎(chǔ)底板為C35～C40R60的大體積補償收縮混凝土，局部厚達 5.1m。混凝土的強度等級提高，使其膠凝材料用量也必須增加，經(jīng)常達到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度混凝土，混 凝土內(nèi)部水泥水化放熱時間相對集中，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，在初期升溫階段約占總溫升的65～70％)。綜合大量的工程實測結(jié)果可知，當(dāng)?shù)装搴穸刃∮?m時，混凝土內(nèi)部溫度不會超過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小時達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82℃。福州臺灣大酒店厚 1.8m的基礎(chǔ)底板，澆注三天后實測的中心溫度達73.1℃；北京航華科貿(mào)中心寫字樓主樓基礎(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，實測內(nèi)部最高溫度達75℃；深圳僑光廣場 I區(qū)底板混凝土1.1萬m³，厚度為1．5m、2.0m、3.0m，內(nèi)部溫度最高分別達到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82.2℃；深圳媽灣電廠汽輪發(fā)電機 底板一次澆筑的混凝土最高溫度為78℃。可見，一次澆筑的大體積混凝土內(nèi)部 最高溫度大于70℃的工程實例相當(dāng)普遍。

 大體積鋼筋混凝土除了必須滿足強度、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裂的問題，工程上的措施之一是摻 加膨脹劑來補償收縮。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)下的混凝土密實性得以提高，其抗?jié)B性也得到顯著改善。80年代后期以來，膨脹劑在我國混凝土中的應(yīng)用與日俱增。目前膨脹劑的年產(chǎn)量已超過25萬噸，累計產(chǎn)量超過150萬噸。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、超長結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計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程中生成大量膨脹性的鈣礬石，對混凝土的收縮起到有效的補償。摻有膨脹劑的具有防滲抗裂功能的補償收縮混凝土在中國建筑工程中己得到非常廣泛的應(yīng)用。20年來，用膨脹劑配制的補償收縮混凝土用量估計達到3500萬立方米，數(shù)量之多為各國之冠。但是除大量成功的工程實例外，不成功的例子也隨之增加。例如使用膨脹劑對 工程防裂無效，甚至反而開裂更甚，導(dǎo)致后期強度倒縮等。如何正確使用膨脹劑，是當(dāng)前建筑施工企業(yè)急需解決的問題，近年來己受到一些學(xué)者的關(guān)注^[2,3]。

 延遲鈣礬石生成(Delayed Ettringite Formation，簡稱DEF)的研究最初始于80年代初期對高溫蒸養(yǎng)的預(yù)制混凝土制品(如鐵路軌枕等)的過早開裂破 壞現(xiàn)象的研究^[4]。研究結(jié)果證實，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}、SO₄^2-、 Ca²⁺、Al³⁺，被C-S-H凝膠吸附。在混凝土制品的使用過程中，這些離子或單硫鹽會重新生成鈣礬石。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。

　　在摻加膨脹劑的補償收縮混凝土中，硫含量可達5％以上，在水化過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。因此必須對大體積補償收縮混凝土內(nèi)部延遲鈣礬石生成的可能 性及其影響因素予以研究。

　　在我們對補償收縮砂漿所做的前期工作中已經(jīng)證實^[5]，在大體積補償收縮混凝土內(nèi)部溫度超過70℃后，有可能發(fā)生延遲鈣礬石生成。它對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，溫度收縮不能被補償，摻加膨脹劑的設(shè)計目的不能達到；在長齡期則表現(xiàn)為延遲膨脹，可能導(dǎo)致混凝土開裂。為了進一步證實在大體積補償收縮混凝土內(nèi)部延遲鈣礬石生成的可能性，進行了混凝土試驗。

　2　實　驗

　　 實驗所用膨脹劑為中國建筑材料科學(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)組成見表1。

表1　　UEA膨脹劑和硅酸鹽水泥的化學(xué)組成

　 　按照GBJ11988《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 率及干縮率的試驗方法”，分別在1、3、7、14、28、60、90d齡期測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的補償收縮混凝土試件限制膨脹率的 經(jīng)時變化的對比。常溫養(yǎng)護的補償收縮混凝土試件混凝土1和混凝土2的膨脹率隨齡期 延長而穩(wěn)步發(fā)展，7d時達到峰值，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，補償混凝土收縮。TMC養(yǎng)護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，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于初齡期、抗拉強度還不 高的混凝土是極其有害的。當(dāng)然在實際工程中，混凝土內(nèi)部溫度變化不可能如此劇烈，這種 極端的情況是不會發(fā)生的。我們關(guān)心的是在TMC養(yǎng)護結(jié)束后，長期常溫養(yǎng)護時混凝土的變形率發(fā)展情況。

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　　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TMC養(yǎng)護的補償收縮混凝土試件混凝土3的膨脹率7d時遠遠低于未經(jīng)過TMC養(yǎng)護的補償收縮混 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，因此不能有效地補償混凝土的溫度收縮。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護半年后，試件逐漸重新開始膨脹，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)過高溫后，其限制變形率的發(fā)展趨勢與混凝土3相近，也出現(xiàn)了后期膨脹值的增加。這類似于高溫蒸養(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，混凝土3和混凝土1都回漲了大約003％，這將在硬化混凝土中產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，可能對結(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 TMC養(yǎng)護的補 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， 但膨脹率增長不如混凝土3和混凝土1那樣明顯，回漲率小于0.02％。同樣，經(jīng)過高溫的 普通混凝土(混凝土2)也有后期膨脹的趨勢。這個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，對于補償混凝土長期干燥收縮是有益的。對此應(yīng) 該進行深入的研究。

 圖2還顯示了摻入粉煤灰或礦渣后的補償收縮混凝土試件(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， 未能達到設(shè)計要求的補償溫度收縮的目的，但后期重新膨脹的趨勢明顯小于混凝土1 和混凝土3，從而抑制了由于初期養(yǎng)護期間高溫所導(dǎo)致的后期延遲膨脹。說明摻加摻 和料在一定程度上可以抑制DEF的發(fā)生。

　4 　結(jié) 　論

 無論是否摻有UEA膨脹劑，混凝土中過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) 為補償收縮混凝土的膨脹能損失，不能達到補償溫度收縮的目的；后期表現(xiàn)為 混凝土的延遲膨脹。這兩者都可能對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，必須對此給予必要 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

 1游寶坤主編.建筑結(jié)構(gòu)裂滲控制新技術(shù).北京：中國建材工業(yè)出版社，1998.

 2黃煜鑌 錢覺時.關(guān)于硫鋁酸鈣類膨脹劑的幾個問題.建筑技術(shù)，31(1)：35～36(2000).

 3廉慧珍 閻培渝.對膨脹劑在使用中出現(xiàn)問題的討論.施工技術(shù)，28(11)：49～51(1999).

 4Diamond， S. Delayed ettringite formationprocess and problems. C ement and Concrete Composites， 18：205～215(1996).

　 5.覃肖 閻培渝.補償收縮混凝土中延遲鈣礬石生成對其性能的影響.閻培渝 姚燕主編： 水泥基復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)，59～63.中國建材工業(yè)出版社，1999.