混凝土膨脹劑應(yīng)用

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混凝土膨脹劑的使用

1引言

1.1大體積溫度裂縫控制是比較繁雜的施工技術(shù)，迄今，對于大體積混凝土的溫度場變化和溫度裂縫產(chǎn)生的規(guī)律性，還缺乏系統(tǒng)的研究，對于混凝土的溫度及溫度應(yīng)力還不能確切計(jì)算，為此，吳中偉教授提出的采用補(bǔ)償收縮混凝土，同時(shí)輔以適應(yīng)的溫度控制，既經(jīng)濟(jì)合理，又能有效地解決混凝土的干縮和冷縮干裂問題思想，在電廠水塔環(huán)基、煤倉底板、汽機(jī)基座底板等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，可以取得良好的效果。下面以內(nèi)蒙托克托電廠1#塔環(huán)基為例敘之：

1.2XX內(nèi)蒙托克托電廠1#冷卻塔環(huán)基厚度2.0m，寬度5.0m總長318m，為超長環(huán)板型大體積混凝土?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度C25F200W6?？刂屏芽p是環(huán)基混凝土施工的關(guān)鍵。為控制溫度和干縮裂縫，在混凝土施工過程中采取分段跳倉、使用低水化熱水泥、摻混凝土膨脹劑、降低入模溫度、覆蓋保溫等措施。

2環(huán)基裂縫問題的分析

2.1裂縫的成因

混凝土硬化后及使用過程中，受外界因素的影響而產(chǎn)生的變形主要有：溫度變形、濕脹干縮變形和荷載作用下的變形等。

2.1.1溫度變形

混凝土的溫度變形由兩部分組成：①在混凝土硬化過程中，由于水泥的水化熱產(chǎn)生大量熱量，大體積混凝土內(nèi)部因散熱慢而使其溫度升高，產(chǎn)生內(nèi)外溫差，內(nèi)部混凝土膨脹，而外部混凝土經(jīng)散熱，溫度降低而收縮，形成表面裂縫。②由于環(huán)境溫度的變化，根據(jù)混凝土熱脹冷縮的性質(zhì)，在溫度下降后混凝土必將產(chǎn)生收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生裂縫。

2.1.2干縮變形

混凝土的干縮變形是由于混凝土中水分蒸發(fā)而引起的。當(dāng)混凝土在空氣中硬化時(shí)，其中的水分會(huì)逐漸蒸發(fā)，使水泥石中的膠凝體逐漸枯燥而產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生干縮變形。在混凝土受到某種約束的狀況下，干縮變形會(huì)使混凝土出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，特別是在初凝階段，由于混凝土抗拉強(qiáng)度十分低，簡單引起混凝土開裂。

2.1.3荷載作用下變形

在荷載作用下，當(dāng)構(gòu)件截面產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起拉伸變形；當(dāng)構(gòu)件截面產(chǎn)生壓應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起壓縮變形。當(dāng)截面上的拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2.2影響溫度和干縮變形的主要因素

溫度變形與混凝土的澆筑溫度、水泥結(jié)硬過程中產(chǎn)生的水化熱引起的溫升、施工季節(jié)以及環(huán)境溫度的變化有關(guān)。

混凝土溫度變形和干縮變形主要與以下幾方面的因素有關(guān)：

混凝土膨脹劑的使用

2.2.1混凝土中水泥用量的大小，是決定溫度和干縮變形大小的最主要因素。在水灰比一致的條件，水泥用量越多，混凝土干縮率就越大。水泥用量越多，水化熱越大，混凝土內(nèi)部溫度越高，溫度變形越大。

2.2.2混凝土的水灰比較大，干縮率越大。由于水灰比越大，水泥漿越稀，干縮變形越大。

2.2.3入模溫度越高，混凝土內(nèi)部溫度就越高，溫度變形越大。

2.2.4混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)是控制溫度和干縮變形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。保溫養(yǎng)護(hù)的目的主要是降低大體積混凝土的內(nèi)外溫差值以降低混凝土的自約束應(yīng)力，其次是降低大體積混凝土的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強(qiáng)度，以提高混凝土的抗裂能力，以達(dá)到防止或控制溫度裂縫的目的。同時(shí)，在養(yǎng)護(hù)過程中保持良好溫度和防風(fēng)條件，防止混凝土的干縮變形。

2.2.5環(huán)境溫度變化是影響溫度變形的又一主要原因。在冬季來臨前，對環(huán)基進(jìn)行保溫保護(hù)，減小環(huán)境溫差對環(huán)基溫度變形產(chǎn)生的不利影響。

3膨脹劑在環(huán)基混凝土中的應(yīng)用

3.1微膨脹劑在混凝土中的作用機(jī)理

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫原因很繁雜，就材料而言，混凝土干縮和溫差收縮是主要原因。為此，行之有效的措施是摻配以補(bǔ)償收縮為主要功能的混凝土微膨脹劑來控制混凝土裂縫。微膨脹劑參與到普通水泥混凝土中，拌水后生成大量膨脹性結(jié)晶水化物-水化硫鋁酸鈣(C3A.3CaSO4.32H20,既鈣礬石),使混凝土產(chǎn)生適度膨脹,在鋼筋和鄰位的約束下,在結(jié)構(gòu)中建立0.2-0.7MPa預(yù)壓應(yīng)力，這一壓應(yīng)力可大致抵消混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力，從而防止或減少混凝土收縮開裂，并使混凝土致密化，提高了結(jié)構(gòu)的防滲能力，達(dá)到結(jié)構(gòu)自防水能力，同時(shí)控制了混凝土的微裂縫。

在環(huán)基混凝土施工中，控制混凝土中心溫度與表面溫度之差是十分重要的。采用普通混凝土，溫差控制在25℃之內(nèi)，否則往往因溫差應(yīng)力而產(chǎn)生開裂（冷縮裂縫）。而采用膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土，這個(gè)溫差可放寬至30－35℃。其原理如下：

設(shè)：大體積混凝土中心溫度為T1，表面溫度為T2，大氣溫度為T3，膨脹劑混凝土的限制膨脹率為ε2，混凝土的線膨脹系數(shù)為a，產(chǎn)生的膨脹當(dāng)量溫度T4＝ε2/a，一般：ε2＝2～310-4，a＝1.010-5℃，則T4＝20～30℃。

若采用普通混凝土，須ΔT1＝T1－T2≤25℃和ΔT2＝T2－T3≤25℃，否則混凝土?xí)_裂。

而采用膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土后：ΔT1＝T1－T2≤25＋T4（℃），T2＝T2－T3≤25＋T4（℃）。

這意味著在環(huán)基混凝土施工時(shí)采用膨脹劑，放寬了溫控指標(biāo)，這樣可大大儉約昂貴的控溫費(fèi)用。

3.2混凝土微膨脹劑的選擇

環(huán)基協(xié)同比設(shè)計(jì)要求為：水泥用量不大于300kg/m3，水灰比不大于0.5?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為：C25F200

混凝土膨脹劑的使用

W6。據(jù)此要求，我們首先根據(jù)JGJ/T55-96標(biāo)準(zhǔn)中第2、3、4、章節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足第6章節(jié)中6.1抗?jié)B混凝土和6.2抗凍混凝土之規(guī)定。在選取材料方面,我們選取了425#礦渣硅酸鹽水泥,因其水化熱低,適合于大體積混凝土施工；砂、石我們都選用了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的材料；外加劑的選擇特別重要，經(jīng)過反復(fù)篩選，我們選擇了三種進(jìn)行最終試驗(yàn),這三種膨脹劑分別是：UEA、FS-H、FN-MⅡ。其中FN-MⅡ?yàn)楦咝У臏p水劑，經(jīng)國家建材測試中心檢測證明，它除了具有明顯的防裂抗?jié)B功能外，還具有緩凝、降低水化熱峰值的效果。對混凝土的收縮有顯著的補(bǔ)償作用，其膨脹率為410-4。由于FN-MⅡ凝結(jié)時(shí)間的可調(diào)性，可以防止混凝土初凝冷縫的事故。它可以解除大體積混凝土連續(xù)施工，因凝結(jié)時(shí)間所造成的障礙，給緊張的工程施工留下一定的寬容度。同時(shí)它還可以替代一部分水泥，減少水泥用量。UEA和FS-H是一種膨脹劑，膨脹率為4.810-4，它的減水效果較FN-MⅡ要差些，而環(huán)基施工時(shí)間正值炎熱夏季，對混凝土的緩凝要求顯得尤為重要。通過三種外加劑的試配，比較效果，加FN-MⅡ的各項(xiàng)性能要優(yōu)于其它兩種。見表1：

品種

膨脹劑摻量(%)

凝結(jié)時(shí)間

限制膨脹率(%)

抗壓(MPa)

抗折(MPa)

初凝

終凝

水中7d

空氣28d

7d

28d

7d

28d

FN－MⅡ

8-12

2:05

3:04

0.033

0.021

39.7

58.4

5.6

8.0

UEA

8-12

1:27

2:10

0.020

0.019

混凝土膨脹劑的使用

34.7

52.4

5.4

7.8

FS－H

8-10

1:25

2:08

0.031

0.011

41.5

59.7

6.5

8.2

JC476―1998建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

＞45分

＜10小時(shí)

＞0.025

＜0.02

41.5

59.7

6.5

8.2

三種膨脹劑的試驗(yàn)結(jié)果見附件：

(1)FS-H檢測報(bào)告(編號202330112)。

(2)UEA檢測報(bào)告(編號202330114)。

(3)FN-MⅡ檢測報(bào)告(編號202330113)。

3.3膨脹劑的試驗(yàn)研究

3.3.1膨脹劑的性能

(1)工作性良好：緩凝減水、保水保塑性好，易于滾動(dòng)、坍落度損失較小，適用于現(xiàn)場泵送混凝土。

(2)抗裂防滲性能好：膨脹效能較高，抗?jié)B標(biāo)號大于W8，補(bǔ)償收縮的抗裂防滲性能優(yōu)于市售防水劑。

(3)降低水化熱、推遲水化熱高峰和收縮起始時(shí)間，從而，減弱混凝土溫差收縮，抑制混凝土結(jié)構(gòu)開

混凝土膨脹劑的使用

裂。

(4)采用多功能膨脹劑，不需要外加任何外加劑，操作工序少，減少過錯(cuò)，摻量好把握，與水泥相容性好，利于混凝土攪拌站和現(xiàn)場使用。

3.3.2膨脹劑的作用

(1)內(nèi)摻適量膨脹劑的混凝土和未摻的普通混凝土相比,凝固前的流變性質(zhì)相近,摻膨脹劑的混凝土坍落度損失較小,凝結(jié)時(shí)間稍短,但不影響施工。

(2)隨膨脹劑摻量增多，混凝土的膨脹率增加，強(qiáng)度有所降低，配制補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，內(nèi)摻量一般為8-10%，當(dāng)配筋率為0.2-1.0%時(shí)，限制膨脹劑率為2-410-4，在混凝土中建立0.2-0.7MPa自應(yīng)力值，對強(qiáng)度影響不大。

(3)在規(guī)定摻量下，混凝土28天抗壓強(qiáng)度與不摻膨脹劑的空白混凝土強(qiáng)度大致一致，后期強(qiáng)度持續(xù)增長，摻膨脹劑混凝土的限制強(qiáng)度比自由強(qiáng)度高出10-15%。

3.4混凝土補(bǔ)償收縮的計(jì)算

根據(jù)吳中偉教授的研究成果,為了簡化計(jì)算，我們將彈性變形Se略而不計(jì)，將補(bǔ)償收縮通式偏安全地簡化成：

ε2m-（S2+ST）=D≤│SK│式中ε2m-補(bǔ)償收縮混凝土14d限制膨脹值；

S2-混凝土的干縮值；

ST-混凝土的冷縮值；

D-剩余變形，D＞0時(shí)，混凝土內(nèi)不出現(xiàn)拉應(yīng)力，D＜│SK│時(shí)，混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫；

│SK│-混凝土的極限拉伸值。

式中各值的計(jì)算方法：

(1)S2，即混凝土的收縮變形εy(t)，任意時(shí)間收縮計(jì)算公式按如下指數(shù)函數(shù)表達(dá)式求得：

S2=εy(t)=ε0yM1M2……Mn(1-e-0.01t)ε0y為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最終收縮值，取3.2410-4,M1，M2……Mn為各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，可從有關(guān)專著或手冊中查到。

(2)ST，為混凝土最大冷縮值，即混凝土中平均最高溫度與環(huán)境溫度的差值，乘以混凝土的膨脹系數(shù)a(110-5℃)。

(3)SK，為混凝土的極限拉伸值，合理配筋可提高混凝土的抗裂性，可采用有關(guān)專著經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

混凝土膨脹劑的使用

式中εp-配筋后的混凝土極限拉伸；

Rf-混凝土抗裂設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；

p-配筋率μ100；

d-鋼筋直徑，cm。

補(bǔ)償收縮混凝土ε2m設(shè)計(jì)值的確定

即計(jì)算膨脹混凝土14d濕養(yǎng)件下的限制膨脹率設(shè)計(jì)值ε2m?；炷猎O(shè)計(jì)等級C25，采用場425#礦渣硅酸鹽水泥，水化熱Q=335kJ/kg，水泥用量W=300kg/m3，水灰比=0.50，Rf=1.7510-4MPa,容重τ=2400kg/m3。

配筋率μ=0.88%,鋼筋直徑d=28mm,e=2.718,m=0.384,1m厚混凝土3d降溫系數(shù)ξ=0.57,非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)系數(shù)M2=1.13,M4=1.21,其余均為1,混凝土線膨脹系數(shù)a=110-5/℃。

(1)求S2（干縮值）

S2=εy(t)3.2410-4(1-e-MT)M1M2……Mn=1.1510-4

(2)求ST（冷縮值）

ST=(T1-T2)a=2.4410-4

式中T1-混凝土最高平均溫度；

T2-環(huán)境溫度；

a-混凝土溫度膨脹系數(shù)

T2=15℃(取水塔坑內(nèi)平均溫度)

(3)求Sk(極限拉伸值)

考慮徐變影響,偏安全地增加50%:

混凝土膨脹劑的使用

SK=1.51.1810-4=1.7710-4

由于ε2m-(S2+ST)=SK

即ε2m-(1.15+2.44)10-4=1.7710-4

所以ε2m=[(1.15+2.44-1.77)]10-4=1.8210-4

取1.5倍安全系數(shù)

ε2m=1.51.8210-4=2.810-4

D=2.8-(1.15+2.44)10-4=-0.7910-4＜|SK|(1.7710-4)

因此，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

4混凝土的施工方法

4.1施工縫模板采用鋼板網(wǎng)，鋼板網(wǎng)支撐采用φ16鋼筋骨架。

4.2混凝土配制

4.2.1水泥：采用低水化熱的內(nèi)蒙古西卓資山礦渣425#水泥，在保證混凝土抗凍、抗?jié)B的要求下，減小水泥用量，其用量為300kg/m3，以防止產(chǎn)生過大的干縮和溫度應(yīng)力。

4.2.2骨料:采用細(xì)度模數(shù)大于2.5的中砂，含泥量應(yīng)控制在3%以內(nèi)；碎石采用5-31.5mm人工級配碎石，含泥量應(yīng)控制在2%以內(nèi)，骨料的表面清白，并無有機(jī)雜質(zhì)。

4.2.3水：為降低混凝土的入模溫度，使用深井水?dāng)嚢杌炷?。?shí)測入模溫度在13-16℃之間。

4.2.4外加劑：混凝土采用內(nèi)摻法第一次澆筑摻入水泥用量10%（經(jīng)試配確定）、其次次澆筑摻入12%的混凝土微膨脹劑FN-MⅡ和水泥用量1%的高效減水劑RJ-3復(fù)合型的雙摻技術(shù)，以補(bǔ)償混凝土的收縮，減小混凝土的收縮應(yīng)力。

4.2.5協(xié)同比：根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度及坍落度的要求，經(jīng)試配確定混凝土協(xié)同比，坍落度50-70mm，水灰為0.49。攪拌站測定砂、石的含水率，確定施工協(xié)同比?；炷寥肽Ｇ埃瑢?shí)測混凝土的坍落度，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通知攪拌站重新拌制，確保協(xié)同比要求的坍落度。

4.3混凝土澆筑

采取分段跳倉法施工,第1、3、5、倉混凝土的澆筑時(shí)間為2023年5月17日至18日，第2、4、倉混凝土的澆筑時(shí)間為2023年5月26日，其余各倉在6月份完成,相鄰段的施工間隔時(shí)間為8天?；炷劣杉袛嚢枵緮囍疲?輛混凝土罐車運(yùn)輸，溜槽入模。每段均由一端開始，分層澆筑斜面推進(jìn)的方法，每層混凝土厚度為400mm，每段內(nèi)不留施工縫。振搗采用φ50mm插入式振搗器，振點(diǎn)間距為400mm。

混凝土膨脹劑的使用

4.4混凝土表面處理與養(yǎng)護(hù)測溫

4.4.1每段環(huán)基混凝土澆筑完畢后,應(yīng)及時(shí)排除表面浮漿.混凝土終凝前進(jìn)行二次抹壓,消除由于失水而產(chǎn)生的表面干縮裂縫。

4.4.2混凝土采用覆蓋一層塑料薄膜和一層巖棉被進(jìn)行混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)?；炷两K凝后及時(shí)覆蓋一層塑料薄膜；根據(jù)測溫結(jié)果，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過15℃時(shí)覆蓋一層巖棉被進(jìn)行保溫,將混凝土內(nèi)外溫差控制在20℃以內(nèi)。

4.4.3混凝土澆筑完畢5日內(nèi)，每隔2小時(shí)測溫一次，5日后，每4小時(shí)