温度场与膨胀历程双重调控抑制混凝土开裂技术.pdf

新 癯 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 温度场与膨胀历程双重调控 抑制混凝土开裂技术 徐文， 王育江， 姚婷， 田倩 ， 郭苏 ( 高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏省建筑科学研究院有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 ) 摘要： 侧墙混凝土结构快速温降过程中很大的温度收缩是导致其易于开裂的关键原因。为抑制这一风险， 从温度场与膨胀历 程双重调控角度出发 ， 一 方面通 过新型水化热调控材料削弱侧墙混凝 土温 峰， 控制温降速率 ， 抑制温度收缩 ； 另一方面掺 入 C a O类 高效膨胀剂， 产生显著有效膨胀， 补偿侧墙混凝土结构温度收缩和自收缩。二者复合使用， 是提升侧墙混凝土抗裂性行之有效的方 法 。这一技术在 重庆天和 国际商业 中心侧墙大体积混凝土结构中得到成功应用 ， 混凝土 1 4 d水养 限制膨胀率达 O 0 2 8 ， 并降低 了 结构中心部位最 高温升约 6 - 2， 降温幅度近 1 0 。 关键 词： 开裂； 温度场； 膨胀历程； 双重调控； 大体积混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 0 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 0 l 一 0 0 3 9 0 3 Du a l r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y o f t e mp e r a t u r e fi e l d a n d e x p a n s i o n h i s t o r y o n c o n c r e t e c r a c k i n g r e s t r a i n t We n ， W AN G y i a n g ， ， 0 ， ， Z Q 吼 ， G U O S u ( S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h Pe r f o r ma n c e C i v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ， J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t i s t h e k e y r e a s o n f o r s i d e w a l l c o n c r e t e c r a c k i n g t h a t h i g h t e mp e r a t u r e s h ri n k a g e o c c u r r e d i n r a p i d t e mp e r a t u r e d e c l i n e p r o c e s s o f t h e s t r u c t u r e I n t hi s p a p e r ， t h e d ual r e g ul a t i o n t e c h n o l o g y o f t e mp e r a t u r e fi e l d a n d e x p a ns i o n h i s t o r y wa s u s e d t o r e s t r a i n t h e c r a c k i n g ris kOn o n e s i d e ， a n e w t y p e o f c h e mi c al a d mi x t u r e wa s d e v e l o p e d t o we a k e n t h e t e mp e r a t u r e p e a k o f s i d e wall c o n c r e t e ， c o n t rol i t s t e mp e r a t u r e d r o p r a t e a n d r e d u c e t h e t e mp e r a t u r e s h rin k a g e ： o n t h e o t h e r s i d e ， C a O e x p a n s i o n a g e n t wa s e mp l o y e d t o p r o d u c e r e ma r k a b l e a n d e f f e c t i v e e x p an s i o n t o c o mp e n s a t e t h e t e mp e r a t u r e s h rin k a g e a n d a u t o g e n o u s s h rin k a g e T h e c o mp o u n d u s e o f t h e a b o v e t wo ma t e ri a l s i s a p rov e n me t h o d t o i mp r o v e c r a c k r e s i s t a n c e o f s i d e wa l l c o n c r e t e Th i s d u al r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y o f t e mp e r a t ur e fi e l d an d e x p a n s i o n hi s t o ry h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n t h e s i d e wall s t r u c t u r e o f Ch o n g q i n g T i a n h e I n t e rna t i o n a l B u s i n e s s C e n t e r p r o j e c t n l e 1 4 d c o n c r e t e l i mi t e d e x p ans i o n r a t e r e a c h e d 0 0 2 8 ， me a n w h i l e t h e ma x i mu m t e mp e r a t u r e ris e i n t h e c e n t r a l s i t e o f t h e s t ruc t ur e wa s d e c r e a s e d b y a b o u t 6 2 a n d t h e d e c r e ase e x t e n t wa s c l o s e t o 1 0 Ke y wo r d s ： c r a c k i n g ； t e m p e r a t u r e fi l e d ： e x p a n s i o n h i s t o ry； d u a l - r e gul a t i o n ； ma s s c o n c r e t e 1 工程背景 重庆市天和国际商业中心项目 位于重庆市观音桥商业圈 内， 工程设计标高超 3 0 0 i n ， 总体采用框架式剪力墙一 钢管核 心筒结构， 其中剪力墙厚度 1 2 in ， 最大一次性浇筑长度 1 5 in ， 钢管核心简直径0 5 in 。 依据G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 (大体积混凝土 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 5 - 0 9 ： 修 订 日期 ： 2 0 1 3 0 7 0 3 作者简 介： 徐文 ， 男 ， 1 9 8 5年 生， 江苏淮 安人 ， 工程师 ， 主要从事水 泥 基材料早期开裂研究。 地址： 江苏省南京市万安西路 5 9 号 苏博特研 发 中心 ， E - ma i I ： x u w e n c n j s j k c n 。 施工规范 ， 该工程的剪力墙为大体积混凝土结构， 受大截面、 大体量、 结构形式及施工工艺的影响， 容易在施工阶段就出现 因温度、 收缩以及约束等原因而产生的危害性裂缝。 尤其是该 工程混凝土强度等级达到C 6 0 ， 胶凝材料用量较高， 由此引起 的混凝土温度收缩和自 收缩问 题更应予以重视。 根据江苏省建筑科学研究院有限公司对多项实体结构底 板、 侧墙及顶板的 跟踪与 监测分析结果， 实际工程中侧墙结构 拆模前裂缝产生的 关键原因 在于快速的 温升温降。 如图 1 所示的厚度为0 4 5 in的某地下室侧墙混凝土温 度监控结果表明， 由于侧墙模板的作用， 混凝土早期水化产生 的水化热不能及时散出， 进而导致混凝土出现较高的温升( 1 NE W BUI L Dl NG MAT E RI AL S 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐文， 等： 温度场与膨胀历程双重调控抑制混凝土开裂技术 d 左右出现温峰) 。 在接下来的降温阶段， 降温幅度达到了3 0 ， 降温速率为6 - 3 d ， 远远超过混凝土结构的温降速率控 制要求， 导致侧墙结构由于受到底板约束而开裂。因此， 侧墙 混凝土的早期开裂主要由 温度收缩引起。 对本工程而言， 侧墙 厚度超过1 m， 更显著提高了混凝土水化温升， 增加了温度开 裂风险。 翼 ： 4 o 2 5 图 1 厚度为 0 4 5 m的某地下室侧墙混凝土温度监控结果 此外，普通工业及民用建筑中，一般混凝土强度等级较 低、 水胶比较高且掺加大量矿物掺合料， 早期白收缩作用可以 忽略I 1 】。 但对于本工程而言， 混凝土强度等级达到C 6 0 ， 水胶比 低且水泥用量较高， 早期自 收缩作用则不可忽视， 这进一步增 大了侧墙结构的开裂风险。 2 温度场与膨胀历程双重调控抗裂技术方案 实践证明， 掺加有效的混凝土膨胀剂配制补偿收缩混凝 土是抑制大面积、 大体积和超长混凝土结构开裂行之有效的 途径， 有众多成功案例2 - 3 。 C a O类高效膨胀剂是近年来研究热 点， 相比于传统的U E A钙矾石类膨胀剂， 对外界环境湿度要 求低， 水化需水量小， 有效膨胀量大， 更适用于以用水量低、 结 构致密为显著特点的高性能混凝土的要求 。但是， 此类膨 胀剂可以补偿混凝土温度变形， 却不能调控温度变形， 且由于 自身具有很强的温度敏感性，在大体积混凝土结构中往往存 在膨胀过快的问题， 要想达到满意的效果， 需要加大掺量， 又 会给结构的长期稳定性带来隐患，尚不能完全解决高性能混 凝土的早期裂缝问题。 基于此， 本文在大量试验基础上研发了一种调节水泥水化 进程的 材料， 该材料为一种淡黄 色无臭多 糖类物质， 相对分子 质量一般为5 0 0 3 0 0 0 。采用天然淀粉为原料， 经过预处理_ + 溶解一生物酶水解一热处理一冷却结晶一成品这一系列过 程， 可以得到满足要求的水泥水化热调控材料。 从水化进程干预的角度，该材料一方面调控水泥水化放 热速率， 延长水化放热过程， 充分利用结构的散热条件， 削弱 温峰和温降过程， 降低温度开裂风险： 另一方面进一步调控膨 胀剂膨胀 速率， 为建立 有效 膨胀和预压应力的 存储赢得时问， 4 0 新型建筑材料 2 0 1 4 1 使得膨胀剂的补偿收缩能力在高性能混凝土结构中得以真正 发挥。 用T A M A i r 微量热仪测试这种水化热调控材料的水化 放热曲线， 结果见图2 ， 水化热调控材料不同掺量对水泥膨胀 率的影响见图3 。 O 4 O 3 专 z 趋 O - 1 O 1 2 3 时间 d 图 2 水泥的水化放热曲线 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 时间 m i n 图 3 水化热调控材料不同掺量对水泥膨胀 率的影响 图2 表明，这种水化热调控材料与传统缓凝剂相比有显 著不同。 缓凝剂只是延长了水泥水化诱导期， 推迟了放热峰的 出现， 而对削弱放热速率和温度峰值并无明显作用； 水化热调 控材料则大幅度地缓解了水泥水化集中放热程度， 削弱了温峰 和温降过程， 从而显著降低混凝土结构的温度开裂风险J6 。 图3 表明，这种水化热调控材料不仅可以通过影响加速 期的水泥水化来削减结构温升， 提升C a O类膨胀剂的膨胀效 果， 而且还可以通过直接影响C a O膨胀剂自身的水化历程来 获取更多的有效膨胀。试验结果表明， 当膨胀剂掺量相同时， 以水泥浆体终凝为测试零点，随着水化热调控材料掺量的增 加， 浆体的膨胀率显著增大。 基于这一温度场和膨胀历程双重调控技术，在对实体结 构混凝土特点和现场施工状况分析研究的前提下，重庆天和 国际工程决定使用聚羧酸高效减水剂配制C 6 0 高强混凝土， 并在此基础上掺加复合了C a O膨胀剂和水化热调控材料的 H M E V混凝土( 温控、 防渗) 高效抗裂剂来抑制和补偿侧墙 大体积混凝土结构的温度收缩和自 收缩， 降低结构开裂风险。 与此同时， 在混凝土中掺入约 2 0 的粉煤灰， 进一步降 低水泥水化进程中加速期的水化放热速率；取消了混凝土中 4 3 2 l O 一 8 邑 槲 壤挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐文 ， 等： 温度场与膨胀历程双重调控抑制混凝土开裂技术 矿粉的使用，因为矿粉对于降低水泥水化加速期的放热速率 没有明显作用， 且大多数研究表明， 矿粉的存在会增加混凝土 的自收缩， 降低膨胀剂的膨胀效能。 3 抗裂技术方案实施效果 3 1 高效膨胀剂的补偿收缩效果 基于温度场和膨胀历程双重调控技术，进行了关于补偿 收缩混凝土体积变形的试验研究。 试验所用原料： 水泥， 拉法基P 0 4 2 5 R水泥； 砂， 细度模 数0 9的枝江砂， 细度模数3 _ 3的卵石机砂， 二者以3 ： 7 的质 量比复合使用，调整后细度模数为2 6 ；石子， 5 2 5 m m连续 级配山碎石；粉煤灰，宜宾珞电I 级灰；外加剂，江苏博特 P C A I 聚羧酸高效减水剂； 抗裂剂， 江苏博特 H M E V混凝土 ( 温控、 防渗) 高效抗裂剂； 饮用水。 工程实际使用时的配合比见表 1 ， 同时依据J G J r r 1 7 8 2 0 0 9 补偿收缩混凝土应用技术规程 中的相关规定， 进行了 混凝土限制膨胀率的实验室测试，对比研究了掺加H M E V 混凝土( 温控、 防渗) 高效抗裂剂对混凝土变形的影响， 试验结 果如图4 所示。 为进一步表征H M E V混凝土( 温控、 防渗) 高 效抗裂剂的应用效果，同时研究了混凝土的早龄期自收缩发 展情况， 试验结果如图5 所示。 表 1 天河国际 C 6 0高性能混凝土配合 比 k g m。 4 0 0 3 00 0 2 0 0 l O O O 一 1 0 O 一 ： 。 1 0 、 4 n f 。 - -z 一 图 4 C 6 0混凝土的限制膨胀率 图5 C 6 O混凝土的早龄期自收缩 由图4 可知， 掺加了H M E V的C 6 0 混凝土饱水养护 l 4 d 限制膨胀率达到0 0 2 8 ，远远超过基准混凝土的0 0 l l ， 干燥养护 2 8 d的限制膨胀率为一 0 0 1 6 ， 高于基准混凝土的 一 0 0 3 1 。 由图5 可知， 掺加了H M E V的C 6 0 混凝土白 养护7 2 h 体 积变形为0 0 2 5 ， 表现为膨胀， 远高于基准混凝土的体积变 形( - 0 0 0 4 5 ) 。试验结果表明， H M E V混凝土( 温控、 防渗) 高效抗裂剂的掺加使得C 6 0 高强混凝土产生了足够的膨胀， 可以有效补偿其温度收缩、 自 收缩等体积变形， 减少实体结构 开裂现象的发生。 3 2 水化热调控材料对实体混凝土结构温度场 干预效果 为检验H M E V混凝土( 温控、 防渗) 高效抗裂剂在该工 程中的应用效果，在工程实体混凝土结构中预埋入温度传感 器， 以混凝土入模时间为测试0 点， 进行了温度历程的持续监 测， 结果如图6 所示。 7 O 6 O 5 O 4 0 篝 3 0 2 0 1 0 0 0 5 1 O l 5 2 0 时间 d 图 6 实体侧墙 结构温度发展历程 由图6 可见， 白 混凝土浇筑完成经过约2 d时间后， 侧墙 温度达到峰值， 其中中部( 距侧模板约 6 0 c m处) 为6 3 1 5 ， 表层( 距侧模板约5 c m处) 为4 7 8 1 ， 温升分别为5 3 8 9 和3 6 3 3 ， 中部与表层最大温差为 l 5 3 4 q C 。 此后， 温度持续 下降， 中部和表层降温速率分别为4 1 6 d 和 3 5 0 d 。使 用现场原材料和配合比测试水化热，以此作为模拟计算的依 据， 计算结果表明： 在该工程侧墙大体积混凝土结构中， 使用 H M E V混凝土( 温控、 防渗) 高效抗裂剂降低了结构中心部 位最高温升约6 2 ， 降温幅度近 1 0 。 4 结语 针对重庆天和国际C 6 0 大体积混凝土侧墙的结构特点 和施工要求， 工程采用了H M E V混凝土( 温控、 防渗) 高效抗 裂剂配制补偿收缩混凝土进行一次性浇筑。从实验室试验和 现场实体结构监测结果来看，该功能型外加剂的掺加显著降 低了结构中心部位最高温升约6 _ 2 ， 降温幅度近 l 0 ； 产生 ( 下转 第 4 5页) N E W BUl L DI NG MAT E RI AI 5 41 湖 0 啪 伽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱耀丽， 等： 低能耗石 膏复合胶凝材料的制备及性能研究 膏为主， 含少量未水化的无水石膏以及少量的钙矾石等。 2 5 与脱硫建筑石膏性能 比较 脱硫建筑石膏是烟气脱硫石膏经脱水处理制得的， 以 半 水硫酸钙 一 C a S O 1 2 H 0 ) 为主要成分， 不预加任何外加剂 或添加物的粉状胶凝材料。水化过程是通过半水石膏与水化 合重新转变为二水石膏， 并发生凝聚、 结晶而获得力学强度同 。 按优化配比制备的石膏复合胶凝材料在标养条件下与脱硫建 筑石膏力学性能的比较见表9 。 表9 石膏复合胶凝材料与脱硫建筑石膏力学性能的比较 由表9 可见， 石膏复合胶凝材料凝结时间较长， 2 h时基 本无强度， 因此不适用于生产石膏板等模具快速周转制品； 而 7 d 抗压强度达到2 7 1 M P a ，超过同龄期脱硫建筑石膏抗压 强度的2 倍， 但是抗折强度提高不明显。 3 结论 ( 1 ) 通过正交试验及配比优化试验， 确定低能耗石膏复合 胶凝材料体系优化配比为： 脱硫石膏4 0 、 氟石膏4 0 、 矿渣 粉2 0 、 生石灰2 ( 外掺) 。 ( 2 ) 正交试验中， 矿渣粉掺量对石膏复合胶凝材料抗折强 度的影响最大， 矿渣粉比例大于3 0 时， 材料抗折强度下降 明显， 材料脆性增强， 易发生断裂； 经过配比 优化试验， 矿渣粉 比例为2 0 时， 材料的2 8 d 抗折和抗压强度均达到最大。 ( 3 ) 试件在恒温恒湿养护条件下的抗折、 抗压强度一般高 于标养条件下，但是考虑到恒养条件下试件强度的倒缩现象 及产品性能的不稳定， 本研究认为选择标养方式更合适。 标养 条件下， 石膏复合胶凝材料的7 d 抗压强度可达2 7 1 M P a ， 超 过同龄期脱硫建筑石膏抗压强度的2 倍，但是抗折强度提高 不明显。 ( 4 ) X R D分析证明，标养条件下该石膏复合胶凝材料水 化产物以二水石膏为主， 含少量未水化的无水石膏以及少量 的钙矾石等。 参考文献 ： 1 苏素芹 工 业副产石膏 的开发和利用f J 1 山东建材 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 4 3 4 5 【 2 刘 红岩 ， 旌 惠生 脱硫石膏的应用技术研究现状和 典型工艺 J J 矿 冶 ， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 4 ) ： 5 6 6 0 3 朱李珠 ， 朱桂华 ， 张启军 电厂脱硫石 膏在建材中 的综合利 用【 J 1 大众用 电， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 8 ) ： 1 9 2 0 4 应俊 ， 石宗 利， 高章韵 新 型石膏基 复合胶凝材 料的性 能和结构 【 J 】 新 型建筑材料 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 7 - 1 0 5 陈燕 ， 岳文 海， 董若兰 石 膏建筑材料 M 北京 ： 中 国建材 工业 出 版社 ， 2 0 0 3 ： 8 1 A ( 上接第 4 1页) 了有效的体积膨胀， 补偿收缩混凝土饱水养护 1 4 d限制膨胀 率为0 0 2 8 ， 转空气养护2 8 d 限制膨胀率为一 0 0 1 6 ， 同时， 自养护7 2 h 其膨胀变形达2 5 0 x 1 0 ， 均远高于基准混凝土的 同类测值。 这些结果表明， 温度场与膨胀历程双重调控技术一 定程度上降低及补偿了侧墙大体积混凝土结构由温度收缩、 自 收缩等带来的体 积变形。 从工程现场实施效果 来看， H M E v混凝土( 温控、 防渗) 高效抗裂剂显著减少了侧墙结构裂缝 出现的几率， 显示出良好的工程应用效果， 有力保障了_ 程质 量， 得到了业主和施工方的认可。 参考文献： 【 1 】 李悦 ， 谈慕华 ， 张雄 ， 等 混凝土的 白收缩及其研究进展 J J 建筑材 料学报 ， 2 0 0 0 ， 3 ( 3 ) ： 2 5 2 2 5 7 2 】 赵顺增， 游宝坤， 刘立 混凝土膨胀剂行业的现状和发展方向【 J J _ 混凝土与水泥制品， 2 0 0 9( 3 ) ： 1 - 3 【 3 】 游宝坤 ， 赵 顺增， 李应权 我国刚性防水技术 的发展 J 】 膨胀剂与 膨胀混凝土， 2 0 0 9( 3 ) ： 1 - 4 【 4 】 林 宗 良， 郭飞， 张守治 ， 等 新型膨胀剂在水泥 基体中的稳定性研 究【 J 江苏建筑 ， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 6 1 6 3 【 5 】 郭飞， 刘加平， 田倩， 等 基于温度应力试验机的补偿收缩混凝土 开裂敏感性研究【 J 膨胀剂与膨胀混凝土， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 2 3 2 7 6 蔡希高 缓凝 外加 剂缓凝作用 的化学本质I J 1 化学 建材 ， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 2 )： 4 1 4 4 A N E W B UI L D I NG MA T E R I A L S 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m