外加剂的选用对基础大体积混凝土裂缝的影响与控制.pdf

2 0 1 3年 第 2期 (总 第 2 8 0期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHN0L0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 0 4 1 外加剂的选用对基础大体积混凝土裂缝的影响与控制 宋 良瑞 ( 四川建筑职业技术学院，四川 德阳 6 1 8 0 0 0 ) 摘要 ： 从混凝土外加剂的起源及发展人手 ， 介绍了基础大体积混凝土使用的两种典型外加剂 ， 减水剂和混凝土膨胀剂 。 结合 这两种外加剂， 分析了基础大体积混凝土外加剂 的选用问题 ， 通过试验的方法 ， 研究 了外加剂的选用对基础大体积混凝土裂缝的 影响。 最后 ， 分析了掺加外加剂对基础大体积混凝土的控制产生的效果。 关键词： 混凝土；外加剂 ；裂缝 ；影响 ；控制 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 1 4 3 0 4 E ffe c t s a n d c o n t r o I o f a d mi x t u r e s s e l e cti on o n ma s s c o n c r e t e f ou n d a t i on c r a c k s SONGLi a n g- r u i ( S i c h u a n C o l l e g e o f A r c h i t e c tu r a l T e c h n o l o g y ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： T h i s s t u d y s t a r t s e d wi t h the c o n c r e t e a d mi x t u r e o r i g i n a n d d e v e l o p me n t ， the n i n t r o d u c e d t wo t y p i c a l a dm i x t u r e s u s e d i n t h e f o u n d a t i o n ma s s c o n c r e t e ， wa t e r r e d u c in g a g e n t a n d c o n c r e t e e x p a n s i o n a g e n t Co mb i n e d wi t h the tw o k i n d s o f a dm i x t u r e s ， thi s p a p e r an a - l y z e s the s e l e c t i o n p r o b l e m o ff o un d a t i o n ma s s c o n c r e t e a dm i x t u r e， t h r o u g h t h e e x pe r i me n t a l me t h o d。 a na l y z e d ho w t h e s e l e c t i o n o f t h e a d mi x t u r e i n fl u e n t s the b a s i c l a r g e v o l u me c o n c r e t e F i n a l l y ， t h e e f f e c t o f the ma s s c o n c r e t e o f f o u n d a t i o n c o n t r o l p r o d u c e d a dm i x t u r e s Wa S an a l y z e d Ke y w o r d s ： c o n c r e t e ； a d mi x t u r e ； c r a c k； i mp a c t ； c o n t r o l 0 引言 经过 2 0 年来 的发展 ， 基础大体积 已经有 了非常广泛 的 应用， 很多建筑物都采用大型箱型及筏基基础等等。 与此同 时 ， 裂缝 问题在基础大体积混凝土的施工过程中也频繁 出 现 ， 已经收到相关专家和研究者 的高度重 视【 ” 。 对 于基础大 体积混凝土在施工的时候出现的裂缝 ， 能采取什么样的有 效措施来控制其开裂 ， 是需要进行更深层次的研究的， 更需 要在实际工程中不断地总结经验。 在现代的混凝土施工过 程中， 外加剂已经成为一种必需的材料 ， 其对混凝土多种 性能 的改善具有很好的作用 。 本研究从外加剂这个角度出 发 ， 着 手研 究裂缝 的控制措施 ， 并结合试验 与实 际的工 程 经验 ， 希望 能够有效控制基础大体积混凝 土在施工过程 中 产生的各种裂缝。 1 混凝土外加剂起 源及种类 1 1 混凝土外加剂的起源与发展 混凝土外加剂的主要功能是改变混凝土的各种性 能 ， 外加剂的掺人能够有效改善混凝土的泵送性能， 并且 降低水泥水化热， 控制混凝土的各种裂缝。 混凝土外加剂 的起 源几 乎与波特兰水泥 的出现是 同步的。 到 了 2 0 世 纪 6 0 年代 ， 外加剂的发展实现了质的飞跃， E l 本与德国都研 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 8 1 7 制 了高效减水剂 ， 其减水率超过 了 2 0 。 国外很早 就开始 研究混凝土外加剂， 其研究历史已经超过一百多年。 为了 能够改善混凝土 的和易性 ， 美 国于 3 0年代初期就充分利 用 了亚硫 酸盐纸 浆废液 的特 性 ， 并取 得 了很好 的效果 。 “ 普浊里” 减水剂在 1 9 3 5 年也被成 功研制 出来 。 羟基酸盐 类减水剂在 4 0 年代中期被成功研制出来 ， 聚合物材料在 6 0年代的初期被成功研制出来。 引气剂是 3 O 年代末美国 首度应用的， 最终经过发展成为应用非常广泛的一种外 加剂 。 我国最早使用的引气剂是以松香为原料的， 最早是在 建国初期就应用了， 同时还研制了早强剂和塑化剂， 但是 外加剂 的发展速度非常慢 。 经过近几年的发展 ， 我国在研发 外加剂方面 已经取 得了不少 的进步 ， 越来越多的企业开始 生产外加剂。 就目前来说， 我国生产的外加剂种类齐全， 产 量也相当可观。 但是与发达国家相比， 我国还存在着一定的 差距 ， 因此我国还需要通过不懈的努力 ， 加快混凝土外加 剂的研制及其在混凝土中的应用。 1 2 基础大体积混凝土使用的外加剂种类 1 2 1 普通减水剂及高效减水剂 为了能够尽可能减少拌和水用量 ， 并进一步改善混凝 土的和易性 ， 就研制出了普通减水剂。 大多数普通减水剂都 1 4 3 是一种能够溶于水 的有机 物质 。 普通减水剂不仅能够在很 大程度上提高混凝 土的耐久性和强度 ， 还能有效改善混凝 土的性能。 高效减水剂的性能比普通减水剂更具优越性 ， 除了具有普通减水剂的功能， 其还能够有效分散水泥和混 凝土回 。 在现代 的泵送混凝土 、 大体积混凝 土以及轻质高强 混凝土 的应用 中， 高效减水剂发挥 了非常重要的作用。 ( 1 ) 普通减水剂 。 基础大体积混凝土采用 了很 多种 常 功能。 木质素磺酸钙溶于水会呈现出弱酸性， 是一种黄褐色 粉末， 木质素磺酸钙的含量占到了总量的6 0 、 水不溶物 只有不到 2 5 、 还 原糖 的含量也 不到 l 2 3 】 。 将木钙加入 到基础大体积混凝土后 ， 主要作用有 ： 有效降低水泥水化热 。 只需将 0 2 0 3 左右的木 钙减水剂掺入到混凝土中， 大概能节约 1 0 左右的水泥， 同 时能够节 约 0 2 0 3 万元左右 的工程投资 。 木钙还能在一 用的普通减水剂， 本试验主要介绍木质素磺酸钙的性质和 定程度上减少水泥的水化热， 他们之间的影响作用见表1 。 表 1 木钙掺量与水泥水化热的关系 表 1 的数据显示出， 水泥的水化热受木钙减水剂掺加的 直接影响 。 随着掺量的增加 ， 在 3 d 之内每掺加 0 2 0 3 ， 就能不断减少水泥水化热 。 而 3 d 过后 ， 水泥水化热就没有 了明显的变化 。 因此木钙减水剂在 0 2 0 3 左右 的掺入 量时 ， 对大体积混凝土裂缝控制有着重要 的影响。 而在0 5 左右的掺量时， 最能够降低水泥的水化热问 。 延长混凝土的初凝时间。 掺入木钙能够有效缓凝水 泥的初凝以及终凝时间 ， 在一定 范围内 ， 增加木钙还 能延 长凝结时间 ， 见表 2 。 表 2 木钙对水泥凝结时间的影响 木钙掺量 标准稠度用水量 初凝时间 mi n终凝时间 m i n 木钙价格非常低廉， 不仅能够起到减水的作用， 还能 起到一定程度的缓凝作用， 对基础大体积混凝土的裂缝控 制有着非常重要 的作用 ， 是一种非常理想的外加剂。 减少水泥用量并且提高混凝 土强度 。 木钙的掺入能 够有效分散水泥的水化 ， 只需使用少量 的水泥就能实现 同 等的混凝土的和易性不变， 同时使得混凝土的抗压强度有所 提高 。 有数据显示 ， 其他条件不变加入木钙能节约 5 1 0 左右 的水泥 ， 也能提高 1 O 1 5 左右 的 2 8 d 抗压强度 ， 其 关系如表 3 所示 。 表 3 木钙混凝土的水泥用量及抗压强度 注： 为 2 d的抗压强度。 ( 2 ) 高效减水剂。 基础大体积混凝土不仅仅是使用了 1 4 4 价格低廉的普通减水剂， 还使用了多种高效减水剂， 包括 有 U N F 、 A F 、 F ND 、 MC 一 5 以及 MF 型高效减水剂 。 下面主要 介绍应用最广泛的 F N D以及 MC 5 这两种高效减水剂【 句 。 F D N 4 4 0 混凝 土缓凝减 水剂属于新型 的混凝 土外 加剂。 其有 以下 主要特点 ： a F D N 4 4 0 的常用掺量是 0 4 ， 范围大概在 0 2 0 5 之间。 b 对于同样的坍落度与配合 比， 随着 F D N 4 4 0 掺量的 增加， 其减水率会有所增大。 当采用 0 4 的掺量时， 一般 能达到 1 4 左右 的减水率。 c 与不掺外加剂的混凝土相 比， 掺用 F D N 4 4 0的混凝 土在常温时 ， 能延长 0 5 2 h的初凝时间 ， 也就是说有利 于 炎热气候条件施工。 d 对于同样的坍落度与配合比， F D N 4 4 0的掺加能有效 提高 1 、 3 d 混凝土强度， 提高幅度大概在 3 0 5 0 之间， 2 8 d 强度提高 幅度也超 过了 2 0 ，还能节约 1 0 1 5 左 右的水泥用量。 e F D N 。 4 4 0 的掺用还能延缓温峰 ， 这是因为它能够降低 混凝土的内部温升。 将 F D N 4 4 0掺入到基础大体积混凝 土中， 使得混凝土的温度应力大大降低 ， 进而使得其抗裂 性能大大提高。 ( 2 ) MC 5 型高效缓凝减水剂也是一种应用相当广泛的 新型混凝土外加剂 ， 其应用证 明其能取得很好的经济技术 效益问 。 其有以下主要特点 ： 在保证 强度 的同时 能够节 约 1 2 1 5 左 右 的水 泥 ， 降低 2 - 8 元 m 左右的混凝土造价。 在使用同等的水泥用量时可达到 1 8 2 0 左右的 减水率， 还能提高 5 0 7 0 左右的混凝土 3 、 7 d 强度， 2 8 d 强度的提高幅度在 2 0 3 0 之间。 能用于 C 6 0 C 8 0 混凝土的配制， 在 3 d内混凝土的 强度能达到 C 4 5 。 在保证强度 的同时能减少 1 2 左右 的水泥用量 ， 还 能用于坍落度在 2 0 2 2 c m之间的混凝土的配制。 能有效延缓混凝土的初终凝时间， 幅度大概在 2 5 h 之间。 能有效 推迟和 降低水泥 水化热 峰值 ， 大概 能推迟 3 8 h 之间， 对于基础大体积混凝土的温度应力控制有利， 进而减少其导致 的混凝土裂缝。 1 2 2 混凝土膨胀剂 膨 胀剂 主要 在 混凝 土施 工 时的凝 结 硬化 过程 中使 用 ， 由于其能发生化学作用而使得混凝土发生膨胀 。 一般 的混凝土会 由于水分蒸发而发生收缩 ， 而且能达No 0 4 0 0 6 的收缩率 ， 但是 已经超过 了 0 0 1 0 0 2 的混凝土 极 限延 伸率 ， 也 因此 而导致混凝 土收缩开 裂 。 因此 ， 加入 膨胀剂能使得混凝土有 0 2 0 7 MP a 左右的预压应力， 其 基本能 与混凝 土温度降低及 干缩 而产 生 的拉应 力抗衡 ， 以补偿收缩。 基础大体积混凝土主要使用的膨胀剂大约有四种， 包 括铝酸钙膨胀剂( A E A) 、 明矾石膨胀剂 ( E A L ) 、 复合膨胀 剂 ( C E A) 以及 u型膨胀剂等等。 明矾石膨胀剂 目前使用最少 ， 其主要原理是其主要成 分硫酸铝钾 ， 能够在碱和硫酸盐的环境 中生成钙矾石 ， 起到 高铝水泥熟料以及石膏等， 通过磨细而形成的， 其内部各 材料间发生化学反应而产生钙矾石 ， 起到膨胀的作用 ， 其 一 般是 1 0 1 2 左右的掺量 ， 0 4 0 8 左右 的碱含量 。 就 目前来说 ， u型膨胀剂这种膨胀剂应用得最为广泛 ， 其 主 要成分是适量的明矾石与石膏， 以及硫铝酸钙水泥熟料等。 U E A I 型 、 U E A I I 型以及 U E A I I I 型是 目前最常使用的品 种。 复合膨胀剂( C E A) 的主要成分是明矾石和石膏， 以及 3 0 4 0 含量的高钙膨胀熟料 ， 其膨胀源是 C a ( O H) ： 以及 钙矾石。 复合膨剂是 1 0 左右的标准掺量， 0 4 0 7 之间 的碱含量 。 2 基础 大体积 混凝 土外加 剂的选用 2 1 高效泵送剂与混凝土膨胀剂复合应用 为了提高混凝土的抗渗性能及其可泵性 ， 有效控制基 础大体积混凝土的收缩裂缝， 有关学者和专家研究了高效 泵送剂 ( N F C) 与混凝 土膨胀 剂( U E A) 掺加 在一起 的复合 应用效果用 。 ( 1 ) 试验 的原材料 。 水 泥采用 P I I 4 2 5 级水泥 。 表 4 、 5 膨胀 的作用 。 铝酸钙膨胀剂 ( A E A) 的主要 成分是 明矾石 、 是它们 的化学分析和物理力学性能。 表 4 水泥化学分析 通过试验证明， 复合外加剂的掺用使得混凝土具有一 定 的优 良特性 ， 包括 ： 混凝土强度的有效提高。 复合外加剂的掺用 ， 不仅能 能混凝土具一定 的膨胀及硫化性能以外 ， 还具备一定 的增 强功能。 同等条件下 ， 复合外加剂的掺加 ， 能提高 1 1 左右 的 7 d强度 ， 提 高 1 8 以上的 2 8 d强度 ， 还能持续增长其 后期强度 。 混凝土性 能的改善 。 外加剂的复合应用对 于混凝土 性能的综合改善很有利， 能有效提高混凝土抗折强度与抗 压强度、 弹性模量与劈裂强度以及钢筋与混凝土之间的黏 结力 。 混凝 土和易性的提高。 外加剂 的复合应用使得混凝 土的和易性大大提高了， 其坍落度从 8 0 c m增加至 2 1 0 c m， 不仅如此 ， 其还使得混凝土的泌水率大大降低 。 在 8 c m 的 基准混凝土坍落度时， 其是 3 1 左右的泌水率 ， 应用复合 外加剂之后， 尽管增到了2 1 0 c m的坍落度 ， 但其泌水率却 只有不到 1 2 。 混凝土凝结时间的推迟， 同时还放慢了水泥水化热 释放的速度。 试验结果显示， 在同等的用水量时， 坍落度从 8 c m增加至 2 1 c m， 能延长到 8 h的初凝时间， 延长到 9 5 h 的终凝时间， 对浇筑大体积泵送混凝土有帮助。 混凝土的抗渗性以及抗冻性的提高。 N F C和 U E A 复合剂的掺入 ， 会有很多水化产物钙矾石生成 ， 因此使得 混凝土的孔隙结构发生改变， 进而提高混凝土的密实性， 以 及提高混凝土的抗冻性能 。 2 2 高效缓凝减水剂与混凝土膨胀剂的复合应用 很 多专家 和学者 还对 高效缓凝减水剂 与混凝 土膨胀 剂的复合应用进行 了试验 ， 主要是想研究 出各种不 同的复 合应用方法对混凝 土性能的影 响程度嗍 。 水 泥 主要 采用 P 0 5 2 5级 或者 是 P O 4 2 5 级的水 泥， 并且要具备符合国家标准的质量； 砂最主要是 I I 区中砂， 也要满足一定的质量要求 ； 石子主要是粒径 5 - 2 0 1 T l l n的碎 石或者是卵石 ， 要满足 J G J 5 3 9 2 普通混凝土用卵石或 碎石质量标准及检验方法 中规定的质量要求 ； 要选择清 洁的饮用水 。 掺复合剂混凝 土的物理力 学性能 。 表 6 、 7列出了掺加 复合剂后 的混凝土的物理力学性能。 表 6的数据显示， 将复合外加剂掺加到混凝土中， 能 显著提高混凝土的坍落度及其抗压强度。 表 6 试验结果表 明， 对于相同的混凝土配合比， 选用 P O 5 2 5 级水泥， 符合 外加剂的掺用能大大提高其坍落度和抗压强度， 效果最明 显的是高效减水剂与 U E A微膨胀剂的复合掺加 ， 其提高 到了 1 8 5 m m的坍落度， 并 3 d 达到了3 8 9 MP a 的混凝土抗 压强度 。 表 7 的数据显示， 基准混凝土在不掺加任何外加剂的时 候， 其坍落度是 5 m r n ， 并且在 3 0 m i n 后就降至 0了， 根本 】 45 表 6 C 5 0 大体积混凝土( 泵送 ) 掺不同外加剂的强度对 比 无法用 于泵送 。 而使用 I MC 5以及 1 3 C A S膨胀剂 以 后 ， 其坍落度从 5 5 mm增加至 2 0 5 m m， 并且在 3 0 m i n以 后 还有 1 7 5 mm， 1 h过后还有 1 4 5 m m， 符合 J G J T l o _ _ 9 5 混凝土泵送施工技术规程 中的相关规定。 试验结果表明， 将 C A S + MC 5 复合外加剂加人到基础大体积泵送混凝土 中， 能满足其施工的相关泵送要求。 3 掺入外加剂对基础大体积混凝土裂缝的控 制效果分析 3 1 延缓混凝土的凝结时 间和降低 水化 热 很多工程实践表 明， 将缓凝减水剂加入到混凝土中之 后 ， 能有效延缓混凝土的凝结时间， 其延缓时间多 的能达到 5 8 h 左右 ， 还能有效减少其龄期 1 - 3 d 的水化热 ， 推迟 出现 热峰值的时间， 降低放热峰时的温度， 对混凝土的内外温差 的有效控制有利， 能有效控制基础大体积混凝土的裂缝。 3 2 减 少水泥用量 高效缓凝减水剂将掺入到混凝土中之后 ， 混凝土单位 立方米水泥用量有了明显的降低。 例如要配制抗渗等级为 P 8 、 1 8 0 2 0 0 m m之间的坍落度以及 C 3 5 的设计强度等级 、 0 4 7的水灰比的泵送混凝土， 没有使用减水剂的情况下， 要 使用 4 8 k g m3 左右 的水泥用量 ， 但是若使用了高效缓凝 减 水剂 ， 就只需 要 4 1 5 I t m 的水泥用量 ， 也就是说 ， 每立 方 米能减少 7 4 k l m 左右的水泥用量。 同时 ， 每当减少 1 0 的 水泥用量， 就能有 l 的温度升降， 计算出来就是能降低 7 4 摄氏度的水泥水化热导致的温升【 l l】 。 减少水泥用量， 使 得水泥水化产生的绝大部分水化热大大降低， 还在一定程 度上降低了混凝土的内部热峰值， 使得温度应力大大降低 ， 还避免了混凝土内外出现过大温差， 进而有效控制基础大 体积混凝土的开裂 。 3 3 减 少用水量 将高效减水剂等外加剂掺入到混凝土后 ， 使得混凝土 的水灰比大大降低了， 而其可泵性和坍落度提高了。 比如要配 1 46 制抗渗等级为 P 8 、 C 3 5 的设计强度等级 ， 以及 1 8 0 2 0 0 n l l n 坍落度的泵送混凝土。 如果水泥品种是 P O 5 2 5级水泥， 若配合比设计中不适用任何高效减水剂： 则需要 2 3 I g m ， 的 用水量， 如果使用一定量的高效减水剂， 则只需要 1 9 5 I t m 。 的用水量 ， 每立方米减少了 3 5 左右 的用水量 。 减少用水 量 ， 就降低了混凝土中 由于水分的蒸发而导致混凝土干燥 的可能性， 进而减少了收缩开裂的发生 ， 还使得混凝土的 抗渗性和密实性大大提高。 3 4 提高混凝土的密实性和抗渗性 复合使用微膨胀剂以及高效缓凝减水剂 ， 会使得混 凝土 的抗 裂性和可泵 性有较 大的提高【 。 高 效缓凝减 水 剂的采用， 不仅能使单位立方米用水量和水泥用量减少， 还使得水 泥水化热大大 降低 ， 改善 了混凝 土 的抗渗 性及 其密实性。 在水泥的水化过程中， 混凝土体积必须要有一 定 的 自应力 ， 要产生适度膨胀 ， 因此需要掺入一定 的微膨 胀剂， 在一定程度上补偿混凝土的冷缩和收缩， 控制混凝 土的开裂。 3 5 改善混凝土性能， 推迟延缓水泥水化热作用 将混凝 土外加 剂应用 于基础大体积混凝土 的施工过 程中， 对混凝土的工作性能的改善有非常重要的作用 ， 其不 仅能提高混凝土 的强度 和密实性 ， 还能有效减少徐变和收 缩， 进而使得混凝土抗渗性有所提高 。 与此同时， 复合应 用高效缓凝减水剂与混凝土膨胀剂 ， 能够延缓水泥水化热 或者是推迟水泥水化热，使得混凝土的抗裂性能大大增 强 ， 控制升温阶段时大体积混凝土容易产生的表面裂缝 ， 以及降温阶段其产生的收缩裂缝， 改善混凝土陛能。 参考文献 ： 【 1 】孙黎明 大体积混凝土的裂缝原因分析 J 中国新技术新产品， 2 O L O ( 3 ) 【 2 】 李萍萍， 王红华 外加剂在提高混凝土强度上的合理使用f J 1 中 国新技术新产品 ， 2 0 1 0 ( 1 4 ) 下转第 1 5 1页