大體積補(bǔ)償收縮混凝土與延遲鈣礬石生成

提　要：在大體積補(bǔ)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(bǔ)償收縮混凝土的膨脹能損失，不能達(dá)到補(bǔ)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(bǔ)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(qiáng)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(qiáng)度等級C30，中心部位厚4m，邊緣厚3m，混凝土方量達(dá)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(bǔ)償收縮混凝土，局部厚達(dá) 5.1m?；炷恋膹?qiáng)度等級提高，使其膠凝材料用量也必須增加，經(jīng)常達(dá)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(dá)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(dá)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(dá)82℃。福州臺灣大酒店厚 1.8m的基礎(chǔ)底板，澆注三天后實(shí)測的中心溫度達(dá)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(shí)測內(nèi)部最高溫度達(dá)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(dá)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(dá)82.2℃；深圳媽灣電廠汽輪發(fā)電機(jī) 底板一次澆筑的混凝土最高溫度為78℃?？梢?，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(shí)例相當(dāng)普遍。

 大體積鋼筋混凝土除了必須滿足強(qiáng)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(bǔ)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(shí)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(jì)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(jì)施工以及高性能混凝土等^〔1〕。
　　　　　　　　　　　　　　　　 _
　　 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(bǔ)償。摻有膨脹劑的具有防滲抗裂功能的補(bǔ)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(bǔ)償收縮混凝土用量估計(jì)達(dá)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(shí)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(qiáng)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(shí)，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(bǔ)償收縮混凝土中，硫含量可達(dá)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(bǔ)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(bǔ)償收縮砂漿所做的前期工作中已經(jīng)證實(shí)^[5]，在大體積補(bǔ)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(bǔ)償，摻加膨脹劑的設(shè)計(jì)目的不能達(dá)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(jìn)一步證實(shí)在大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部延遲鈣礬石生成的可能性，進(jìn)行了混凝土試驗(yàn)。

　2　實(shí)　驗(yàn)

　　 實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(bǔ)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(hù)的補(bǔ)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(dá)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(bǔ)償混凝土收縮。TMC養(yǎng)護(hù)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(hù)，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(qiáng)度還不 高的混凝土是極其有害的。當(dāng)然在實(shí)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(hù)結(jié)束后，長期常溫養(yǎng)護(hù)時混凝土的變形率發(fā)展情況。

 

　　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(hù)的補(bǔ)償收縮混凝土試件混凝土3的膨脹率7d時遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未經(jīng)過TMC養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)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(hù)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(bǔ)償混凝土的溫度收縮。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)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(hù)的補(bǔ) 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(shí)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(bǔ)償混凝土長期干燥收縮是有益的。對此應(yīng) 該進(jìn)行深入的研究。

 圖2還顯示了摻入粉煤灰或礦渣后的補(bǔ)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(dá)到設(shè)計(jì)要求的補(bǔ)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(hù)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(bǔ)償收縮混凝土的膨脹能損失，不能達(dá)到補(bǔ)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(xiàn)

 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(bǔ)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.