對(duì)混凝土膨脹劑應(yīng)用中幾個(gè)問題的探討
摘 要:混凝土膨脹劑作為主導(dǎo)外加劑品種之一,應(yīng)用日趨廣泛,但問題也越來越多。本文對(duì)此進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞:混凝土;膨脹劑;應(yīng)用;問題;探討
1 二次鈣礬石生成
二次鈣礬石形成(Secondanz Substguent EttringiteFormation,SEF)指的是后期在砂漿和f昆凝土孔、裂縫、界面中鈣礬石的析出(圖1~圖3)。
二次鈣礬石的形成主要有三個(gè)條件必須滿足,缺一不可:
?。?)漿體或混凝土含有一定量的硫和鋁,它們可來自水泥熟料、混合材、外加劑和集料。水泥熟料中的硫以硫酸鉀(鈉)、KC2S3、CaSO4的形式存在,少量以包裹體或固流體形式存在于硅酸鹽相中,熟料中的硫?qū)ε蛎洓]有顯著影響。對(duì)于發(fā)生二次鈣礬石形成的水泥,SO4含量系數(shù)超過3.6%?;旌喜牡膿饺虢档土怂嗟腃aO濃度,能減少二次鈣礬石形成而造成的膨脹。
(2)漿體或混凝土中存在鈣礬石析出的空間。漿體一集料界面,由堿一集料反應(yīng)、凍融(凍一鹽溶)循環(huán)、干濕循環(huán)以及超常外荷載產(chǎn)生的裂縫為鈣礬石的形成提供了場(chǎng)所。尤其是堿與活性集料間產(chǎn)生的反應(yīng)必然引發(fā)二次鈣礬石的形成。如用石灰石代替硅質(zhì)集料,SEF產(chǎn)生的膨脹會(huì)減少,凈漿中因沒有集料和薄弱環(huán)節(jié)一界面,很少發(fā)生二次鈣礬石膨脹,游離氧化鎂的存在將促進(jìn)鈣礬石的形成和膨脹。
?。?)漿體或混凝土能得到充足的水供應(yīng),水一方面運(yùn)送參加反應(yīng)的離子和離子團(tuán),另一方面構(gòu)成鈣礬石晶體。長(zhǎng)期處在于空氣中的混凝土是不可能有二次鈣礬石形成的。
2 干縮與冷縮的聯(lián)合補(bǔ)償模式
鈣礬石形成過程中的CaSO4由石膏提供,ca(OH)2主要由水泥中C3S和C2S水化產(chǎn)生的ca(OH)2提供,而A12O3則由鋁質(zhì)膨脹組份(如高鋁熟料、地開石、偏高齡土、明礬石)提供。正常情況下,水泥中含有5% 一l1%C3A,但在混凝土塑性階段這種C3A很快水化形成鈣礬石,幾乎對(duì)混凝土膨脹與補(bǔ)償收縮不起作用。所以,必須提供額外的含鋁組份,由這些額外的含鋁組份生成的鈣礬石具有補(bǔ)償收縮功能。
一般水泥中含有4%~6%二水石膏作緩凝組分,相應(yīng)帶入約2%~3%的SO3,故膨脹劑組分應(yīng)補(bǔ)充2.5% ~3.5%SO3,才能使水泥石產(chǎn)生補(bǔ)償收縮所需要的的膨脹值(按脹縮臨界值的SO3為4.78%計(jì)算)。
由水泥水化理論可知,石膏的溶解速度越快,鈣礬石形成的速度也趲陜,有效膨脹效能降低?;谏鲜鲇^點(diǎn),我國(guó)膨脹劑生產(chǎn)時(shí)多以含雜質(zhì)較少,溶解速度較慢的硬石膏(硬石膏中SO 3>48%)作為膨脹劑含硫組分。
普通水泥混凝土的干縮率約為4×10-4,當(dāng)其干縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),便導(dǎo)致混凝土構(gòu)件開裂;另一方面,混凝土的極限延伸率為4×l0-4,當(dāng)干縮率超過極限延伸率時(shí),混凝土構(gòu)件亦會(huì)開裂。在混凝土中摻用適量膨脹劑,可補(bǔ)償混凝土收縮,防止開裂。
吳中偉在他的《膨脹混凝土》專著中,針對(duì)大體積混凝土提出冷縮與干縮的聯(lián)合補(bǔ)償模式。由此可知,當(dāng)降溫在早期產(chǎn)生時(shí),濕養(yǎng)下的補(bǔ)償收縮混凝土正在進(jìn)行膨脹,直到ε2—(S2+Se)—ST=0或不超過極限拉伸SK時(shí),應(yīng)達(dá)到補(bǔ)償收縮的目的。他指出,由于現(xiàn)行的大體積混凝土的溫度控制代價(jià)十分高昂,故采用補(bǔ)償收縮混凝土是控制大體積結(jié)構(gòu)工程裂縫的有效方法。近十多年的工程實(shí)踐證明,該理論是正確的。
但必須指出,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入使用狀態(tài)后,仍受到環(huán)境溫度和濕度變化的作用,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力仍可能出現(xiàn)微裂,因此,地下室及時(shí)回填土和地上結(jié)構(gòu)要盡早封閉圍墻是防止后期裂縫出現(xiàn)的重要措施。如果不及時(shí)維護(hù),在氣溫驟然下降時(shí),往往出現(xiàn)溫差裂縫。對(duì)此,補(bǔ)償收縮混凝土是無能為力的。
3 限制膨脹率的確定
限制膨脹率εp是膨脹混凝土設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù),也是建筑結(jié)構(gòu)抗?jié)B防裂設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。工程設(shè)計(jì)人員和材料工程師都十分關(guān)注εpoεp數(shù)值大,表示膨脹值高,其補(bǔ)償收縮、抗?jié)B防裂的能力就強(qiáng);反之,εp數(shù)值小,抗?jié)B其防裂的能力就弱。目前,在設(shè)計(jì)地下室、地下鐵道、無縫路面時(shí),ε2已被作為一項(xiàng)重要指標(biāo)提出。
前面已經(jīng)介紹,混凝土干縮約為0.04%,混凝土極限延伸率為0.02%,若同時(shí)考慮自收縮和冷縮,則限制膨脹率至少應(yīng)介于0.02%和0.04%之間,而其最大值應(yīng)不超過0.1%。
吳中偉在《膨脹混凝土》一書中提出,實(shí)踐證明經(jīng)過14d潮濕養(yǎng)護(hù)的限制膨脹率εp=0.03%~0.05%的補(bǔ)償收縮混凝土是可行的。美國(guó)規(guī)范則規(guī)定補(bǔ)償收縮混凝土經(jīng)7d潮濕養(yǎng)護(hù)達(dá)到的限制膨脹率為0.03%~ 0.1%。
上述限制膨脹率指標(biāo)對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土建筑物的防裂具有極其重要的作用,因?yàn)檠a(bǔ)償收縮混凝土經(jīng)7~14d的潮濕養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)的限制膨脹率后,就進(jìn)入了使用狀態(tài),依靠達(dá)到的限制膨脹率和自應(yīng)力值,來補(bǔ)償此后的各種收縮,使結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力得到大小適宜的補(bǔ)償,從而控制裂縫的出現(xiàn),達(dá)到防止開裂,提高抗?jié)B能力的目的。
補(bǔ)償收縮的通式為 εp一ΣS m=D
式中ΣSm 是各種收縮之和,D為補(bǔ)償收縮的最終變形,即剩余變形。在補(bǔ)償干縮時(shí)ΣSm只限于干縮率Sdo在同時(shí)要補(bǔ)償干縮Sd和冷縮Si時(shí)。
ΣSm =Sd+Sio
在不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件中D≥0,在不允許出現(xiàn)開裂的構(gòu)件中D≤ ︱Sk︱;Sk 為混凝土的極限延伸值,即混凝土構(gòu)件出現(xiàn)可見裂縫時(shí)的最大應(yīng)變(其值為負(fù)),可取值為0.02%(負(fù)值)。如某具有抗?jié)B防裂要求的混凝土工程,采用低水膠比混凝土,根ΣSm 為0.05%,Sk 等于0.02(負(fù)值), 因?yàn)椋?/DIV>
εp一ΣSm =Sk
則εp一0.05%=0.02%因此εp =0.03%。
4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膨脹加強(qiáng)帶的構(gòu)造原則
1992年,中國(guó)建材院最先提出了UEA補(bǔ)償收縮混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)和施工新方法?;炷两Y(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)、施工是以摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土為結(jié)構(gòu)材料,以加強(qiáng)帶取代后澆帶,連續(xù)澆筑超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。該技術(shù)所采用的加強(qiáng)帶寬2rn,帶兩側(cè)架設(shè)密孔鋼絲網(wǎng),并用鋼筋加固,防止混凝土流入加強(qiáng)帶內(nèi)。適當(dāng)增加帶內(nèi)溫度鋼筋。施工時(shí)先澆帶外混凝土,澆到加強(qiáng)帶時(shí)改用大摻量膨脹劑的混凝土。由于膨脹作用會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低,因而帶內(nèi)混凝土等級(jí)要比兩側(cè)提高5MPa。加強(qiáng)帶混凝土澆筑后要特別注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。如此循環(huán)施工可連續(xù)澆筑100~150m的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。膨脹加強(qiáng)帶的設(shè)計(jì)一般根據(jù)外約束情況的強(qiáng)弱而確定。一般每隔20m~40m左右設(shè)置一條,寬度2000mm~3000mm,設(shè)置在溫度收縮應(yīng)力較大的部位,如變截面、鋼筋變化等部位。在加強(qiáng)帶的兩側(cè)設(shè)置一層孔徑Ф5mrn鋼絲網(wǎng),并200mm~300mrn設(shè)一根豎向Ф16rnrn的鋼筋予以加固,其上下均應(yīng)留有保護(hù)層,鋼絲與鋼絲網(wǎng)、上下水平鋼筋及豎向加固筋必須綁扎牢固,不得松動(dòng),以免澆筑混凝土?xí)r被沖開,造成兩種混凝土混合,影響加強(qiáng)帶的效果。
5 關(guān)于膨脹劑含堿量
將混凝土含堿量3kg/m3 作為安全界限已被許多國(guó)家采用。在外加劑品種中,摻量最大的是混凝土膨脹劑(一般與減水類外加劑復(fù)合摻用),可達(dá)到膠凝材料用量的10% ~15% (通常為8% ~10%)。由此,作者認(rèn)為,外加劑引入混凝土中的堿應(yīng)不大于10% ~15% ×3kg/m3 即0.30—0.45kg/m3。這一計(jì)算結(jié)果的下限值與日本規(guī)范相同。
6 結(jié)束語
本文是作者的經(jīng)驗(yàn)之談,可能存在一定的片面性,希望能夠起拋磚引玉的作用,更希望和同行進(jìn)行交流,以提升我國(guó)混凝土膨脹劑的應(yīng)用水平。 |
原作者: 王新平 |
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