超厚底板低水化热泵送混凝土研究.pdf

2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 O1 1 ( To t a l No 2 5 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 0 1 超厚底板低水化热泵送混凝土研究 唐明 。蒋宏伟 。 ( 1 沈阳建筑大学 材料科学 与工程学院 ，辽宁 沈 阳 1 1 0 1 6 8 ；2 宋 东升 沈 阳泰丰特种混凝 土有 限公司 ，辽宁 沈 阳 l 1 0 0 1 5 ) 摘要： 为解决超厚底板混凝土的温度裂缝问题， 在综合防裂措施中采用低水化热的混凝土是非常有效的， 结合沈阳地区2 个厚度超过 8 m的超厚底板混凝土的工程实际 ， 探索了掺人 大量 降低水化热 的复合掺合料 ( 最高达到 5 8 ) 和控制水 化热技术 ， 缓凝 、 泵送 、 防水一体 化的技术。 研究发现， 过多粉煤灰掺量早期强度低 ， 过多矿渣粉易开裂， 较好的配合比关系是粉煤灰： 矿渣粉为 1 5 ： 1 ， 实测表明， 浇筑后超厚 混凝土底板 内部最高温度为 6 7。 关键词 ： 泵送混凝土 ；超厚底板 ；收缩开裂 ；低水化热 中图分类号 ： T U5 2 8 5 3 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 Re se a r c h on pum pe d c on c r e t e abo ut low h e at of h ydr at i on T ANG M i n g ， J I ANG Ho n g- we i ， S ONG Do n g - s h e n g ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a 2 S h e n y a n g T a i n g S p e c i a l Co n c r e t eC o mp a n y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 1 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： To a v o i d t h e r ma l c r a c k o f s u p e r t h i c k s o l e pl a t e c o n c r e t e， u s i n g c o n c r e t e o f l o w h e a t d e v e l o p m e n t i s e ff e c t i v e b a s e d o n p r o j e c t s o f S h e n y a n g， t h e s e t e c h n o l o g y wh i c h c o n s i s t o f c o n c r e t e mi x e d wi t h c o mp o u nd mi n e r a l a d m ix t ur e， c o n t r o l l i n g h e a t d e v e l o p me n t h e a t a n d r e t a r d a t i o n s e t t i n g， pu mpi n g， wa t e r p r o o fin g a r c a r g u e d i n t h e p a pe r T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r e n g t h o fc o n c r e t e m ixe d wi t h a l a r g e a m o u n t o f fl y a s h i s l o we r ， a n d t h e c o n c r e t e i s a p t t o c r a c k i n g， p r o p e r r e l a t i o ns b e t we e n fl y a s h a n d s l a g p o wd e r i s 1 5 t o 1 ， t e s t i n g s h o ws t h a t the h i e s t t e mp e r a tur e o f t h e c o n c r e t e i n i t s i n t e r i o r i S 6 7 Ke ywor ds ： p u mp e d c o n c r e t e； s u p e r t hi c k s o l e pl a t e； s h r i n ka g e c r a c k； l o w h yd r a t i o n 0 引言 混凝土材料是当今世界用途最广 、 用量最大 的材料之一 。 随 着 2 1 世纪混凝土工程 的大型化 、 巨型化 、 工程环境 的超复杂化 以及应用领域的不断扩大， 人们对混凝土材料提出了更高的要 求。 随着中国经济的不断增长和城市建设的不断发展， 我国建筑 设计水平不断提高， 城市高层、 超高层建筑 日益增多， 相应的大 体积底板混凝土应用也越来越普遍。作为大体积混凝土工程， 我 国水工混凝 土应用 比较好 ， 如三峡工程 、 葛洲坝工程 等。 而在 建筑工程 中， 常常 由于 以下几种原因 ， 存在较多的问题 。 即 ： ( 1 ) 底板 ( 承台 ) 混凝土超厚 ， 要一次性浇筑 ， 混凝土 内部温 度不易散发 。 ( 2 ) 混凝土强度等级高， 一般采用硅酸盐水泥或普通硅酸 盐水 泥， 水化热高 。 ( 3 ) 不同季节施工， 即夏季内部温度过高， 水化热过于集 中， 极易 开裂 ， 早春 与深秋 ， 虽 然环境温度低 ， 但混凝 土内表温 差大 。 在这些因素综合作用下， 混凝土内部与外部必然形成的较 高温差， 存在着产生裂缝的危险。 为防止混凝土产生裂缝( 如表面 裂缝和贯穿裂缝) ， 就必须从降低混凝土温度应力和采取控温、 降温技术措施综合考虑。 传统的厚底板混凝土施工， 常常采用冷水降温等措施， 成本 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 1 9 高， 施工工序复杂， 虽然对于一般厚度的底板有效， 但对于超厚 底板却力不从心 ， 常常由于局部温差大引起开裂。 为解决厚底板 混凝土开裂问题， 采用低水化热混凝土是最为有效的技术路线。 本文重点研究了复合掺合料的不同比例对水化热的影响。 1 工程 概 况 沈阳某地下防水泵送混凝土工程为地下三层 ， 基础筏板平 均厚度为 4 m， 最厚处达 到 8 2 m， 长宽尺寸为 6 8 mx 6 8 r n ， 混凝 土等级为C 3 0 P 1 0和 C 4 0 P 1 0 。 一次浇筑 1 2 0 0 0 m3 混凝土。 另一 工程筏板基础混凝土量为 4 7 3 3 8 m3 , 设计强度等级为C 4 0 ， 抗渗 要求为 P 8 ， 2 0 0 8年浇筑。 其主体筏板具有很大的难度 ， 混凝土底 板平均厚度达 8 8 m， 混凝土一次浇筑量达到 2 5 0 0 0 m 。 2 材料 与试验方 法 2 1 原材料 ( 1 ) 水泥。 根据沈阳地区十余个同类工程混凝土生产经验， 采用恒威 3 2 5 级矿渣硅酸盐水泥， 该水泥水化热较低 ， 能有效 的 降低混凝土水化热， 减小混凝土内外温差引起的温度应力， 防止 混凝土出现温度裂缝。 ( 2 ) 砂子。 选用浑河河砂， 碱活性低， 无碱集料反应危害， 可 用于配制高强度等级的混凝土， 且有利于泵送。 其各项性能指标 如表 2所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 响则十分明显。 掺用 3 0 的粉煤灰可比不掺粉煤灰的温升降低 7。 这是由于粉煤灰的水化或化学反应速率迟于普通硅酸盐 水泥， 产生水化热更慢， 这就意味着掺加粉煤灰后混凝土早期 温升小 ， 温峰也有所 降低 。因此在可能的情况下 ， 尽量增大粉煤 灰掺量 ， 减少水泥用量 。 3 3 复合外加剂对温升的影响 复合的减水、 防水 、 泵送外加剂对早期水泥水化有两种作 用 ： 一是延缓早期水化硬化速度 ； 二是加速后期的水化硬化 。复 合外加剂虽然不影响混凝土中水泥的总水化热， 但可明显改变 早期放热速度 ， 尤其和粉煤灰共同作用 ， 能够抑制混凝土总水 化热增加过大。 复合外加剂添加量以混凝土用水量决定。 3 4 胶凝材料三元混料对温升的影响 在 固定水胶 比( 0 4 1 ) 、 固定外加剂及掺量( 1 6 ) 的基础上 ， 对水 泥( C ) 、 粉煤灰 ( F ) 、 矿渣粉 ( Js ) 三元混料进行优化设计 。三 元三 阶单纯型重心设计单位回归模型如下 ： 3 b ix i+ 6 撕+ 6 秘 x j x k ( 1 ) i =I i i j k 以4 d温升为考核指标， 三元混料的设计谱点及模型图见 图4 。 该模型为受下界约束的混料模型( 水泥用量5 0 ) ， 试验 方案及结果见表 6 。 C ( 1 ，0，O ) ( 0 5 ，0 ， 0 5 ) 图 4胶凝材料 三元混料模型 表 6 试验方案及结果 建立的 回归方程如下 ： = 4 5 x l + 3 4 x 2 + 3 8 x 3 + ： l x 2 + 6 x l 3 4 x 2x 3 3 9 x l 2 3 ( 2 ) 由回归方程经 E x c e l 计算得出混料模型的等高线图如图 5 所示 。 由图 5可知 ， 为降低胶凝材料的水化热， 水泥用量在 5 0 左右时， 矿渣掺量应小于粉煤灰的掺量。 从成本分析， 适当增大 粉煤灰的掺量也是有利的。 经强度和早期平板开裂试验等综合 评价， 粉煤灰为矿渣粉的 1 5 倍效果最佳。 4 部分耐久性的测试 结果 4 1 粉煤灰掺量对碳化的影响 大体积混凝土工程需要大掺合料的混凝土配合比， 但由于 ( 1 ，0，0 ) ( u5 ， 0 ， 0 5 ) 图 5 胶凝材料三元混料模型等温线圈 高掺量粉煤灰降低混凝土碱度， 其耐久性指标之一抗碳化性能 可能会降低。 混凝土强度等级为 C 4 0 ， 在保证强度及流动度前提 下， 为验证混凝 土配合 比的安全性 ， 特进行如下试验。 根据不 同 水胶比及不同粉煤灰掺量成型 1 5 0 n ll n立方体试件， 在自然条件 下养护， 不同龄期测其碳化深度。 图 6 - 8为粉煤灰掺量分别为 3 4 、 2 8 、 2 0 时不同水胶比试件的碳化深度对比曲线。 3 0 6 0 9 0 l 2 0 1 5 0 1 8 0 龄期 d 图 6 粉煤灰掺量为 3 4 时不同水胶 比试件的碳化深度 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 龄期 ， d 图 7粉煤灰掺量为 2 8 时不 同水胶比试件的碳化深度 龄 期 d 图 8 粉煤灰掺量为 2 O 时不同水胶 比试件的碳化深度 试验结果表明， 混凝土的碳化深度随水胶 比的增大而增大， 当水胶 比较小时， 混凝土碳化深度随龄期增长变化缓慢， 保证 较小水胶比是改善混凝土耐久性指标的关键。 4 2 复合掺合料对氯离子扩散 系数的影响 根据沈阳某工程 C 4 0 P 8等级混凝土的具体需要， 其粉煤灰 用量 1 7 9 k g ， 占胶凝材料总量的3 5 ， 矿渣粉掺量2 3 ， 矿物掺 合料占胶凝材料总量 5 8 ， 充分利用硅质掺合料的低热特陛。高 性能混凝土专用防水剂掺量为 2 0 。 水灰比0 3 6 ， 砂率 4 2 。 氯离子扩散系数测试结果见表 7 。 5 4 3 2 1 O u v 隧 落 5 4 3 2 1 O Eu v 聪 餐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 氯离子扩散系数试验结果 编号 氯离子扩散系数 ( m2 s ) 28 d 5 6 d 由表 7 可知， 根据中国土木工程学会 C C E S 0 1 ： 2 0 0 4 ( 混凝 土结构耐久性设计与施工指南 ， 该混凝土渗透性等级很低， 具 有很好 的耐久性。 5 超厚底板泵送混凝土的质量管理 5 1 大体 积混凝 土温度 测试 与控 制 大体积混凝土施工的整个阶段必须不断测量混凝土各个 部位内外温度， 以便准确了解混凝土内部温度情况， 以决定混 凝土构件外部养护条件。 混凝土测温点布置在底板四角、 周围及 中间等部位， 每个测温标杆设 3个测温点 ， 底板混凝土上表面 以下 0 1 m， 其温度值作为混凝土的表面温度； 底板混凝土表面 以下 4 0 m， 其值作为混凝土的内部温度； 一个插人混凝土表面 下 8 0 m， 作为混凝土底部 温度 。 混凝土浇筑完毕一周 内， 每 2 h 测量 1 次， 从第一周至第二周， 每 4 h 测量 1 次。 以后2 0 d每 8 h 测量 1 次 ， 即热 电偶 的测温读数要持续 至少 3 0 d ， 图为现 场测 试温度的具体数据。控制标准根据“ 块体基础大体积混凝土施 工技术规程 ” 及 “ 钢筋混凝 土工程施工与验收规范 ” ， 底板 混凝 土块体内部至表面、 表面至大气温差控制在 2 5之内。 1 2 筋用于 固 定 测温导线 测温 导线接头， 浇筑 时需保 护以免弄 坏 一 2 0 0 ) 6 l h 2 l 1 O 0mm I 图 9 某工程超厚底板分层测温布点 图 5 2 质量管理措施 与普通混凝土相比， 高品质混凝土的生产和施工并不需要 特殊的工艺 ， 但是在T艺 的各环节 中普通混凝土不敏感 的因素 ， 高品质的混凝土却会很敏感， 因而需要更严格地控制和管理。另 外， 大体积混凝土是一项建筑工程重要的结构部位。 由于其施工 水平要求较高， 又是评价工程质量的重要内容。 因此， 要控制好 大批量预拌混凝土的生产过程， 就要对原材料管理、 配合比设 计 、 混凝土搅拌、 运输、 泵送 、 振捣成型、 养护全过程进行控制。 根据 日本鸿池株式会社的高强混凝土质量管理的经验。 沈阳泰 丰特种 混凝土有限公司通过有效 的质量管理流程对 预拌 混凝 土的制造、 卸荷、 浇筑等_T程全部过程实施高质量管理。 尤其是 在预拌混凝土搅拌站， 每一次搅拌下料时都自动测试砂子的表面 含水率后最终确定混凝土的单位用水量， 根据日本春原匡利的研 究， 砂子表面含水率每变化 l ， 混凝土坍落度将变化 2 0 - - 4 0 1T U n ， 抗压强度将变化 1 0 2 0 MP a 。 根据泰丰公司的实际情况和我国 C E CS 2 0 7 -2 0 0 6 ( 高性 能混凝土应用技术规程 、 C E C S 2 0 3 - - 2 0 0 6 ( 0 01 j 磐0 一 0 01 0 O2 0 O 3 一O 04 0 03 0 O2 O 01 j 磐0 一 O 01 0 O 2 一 O 03 4结 论 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 时 间 ， s ( a ) 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 时间 ， s ( b ) 图 7 孔径对信 号传播的影响 利用有限元软件建立混凝土结构损伤识别模型， 并对基于波 传播法的混凝土结构损失识别进行了数值模拟， 得到以下结论： ( 1 ) 激励电压的幅值只影响波的传播幅值 ， 成正比关系， 对 波的传播 时间无影响 ， 即以后试验或者检测应用中在条件允许 上接第 4页 ( 6 ) 两个超过 8 m厚 的超厚底板混凝 土典 型工程 的测温 表 明， 最高温度仅在 6 7。 防裂效果非常显著。 参考文献 ： 1王沧州， 杨佳， 陈淑民- E 京南站超厚底板大体积混凝土施工技术【 J J 建筑技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 6 ) ： 4 9 5 4 9 7 【 2 朱1 白 芳大体积混凝土温度应力与温度控制【 M _ E 京： 水利电力出版 社。 1 9 9 9 【 3 冷发光， 田冠飞 混凝土抗氯离子渗透性试验方法 J 1 东南大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( s u p I I ) ： 3 2 3 8 的情况下应采用高幅值的激励电压， 以提高结果精度。 ( 2 ) 浅裂缝( 孔洞) 对波的传播影响不大， 深裂缝( 孔洞 ) 可 以降低波的幅值， 即可以根据接收波形的振幅和形状来判断结 构损伤的深度 ； 同时损伤深度可以影响波传播的时间， 不过这 种影 响比较微小。 ( 3 ) 一般情况下， 孔径尺寸不影响波的传播 ， 在高压激励作 用下， 结构损伤对波传播能量的阻碍与孑 L 径尺寸成反比， 即如 果损伤形式确定为孔时， 可以在高压激励作用下初步判断损伤 孔径的尺寸。 ( 4 ) 利用大型有限元分析软件对基于 P Z T的波传播法进行 混凝土结构损伤识别的数值模拟是可行的。 参考文献： 1 李宏男， 赵晓燕压电智能传感结构在土木工程中的研究和应用【 J j _ 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 4， 1 2 ( 2 4 ) ： 1 6 5 1 7 2 2 R O H Y S， C HA N G F K B u i l t i n d i a g n o s t i c s f o r i d e n t i n g a n a n o ma l y i n P 1 a t e s u s i n g w a v e s c a t t e r i n g D C a l i f o r n i a ： S t a n f o r d U n i v e r s i t y ， 1 9 9 9 3 WA N G C S ， C H A NG F KB u i l t i n d i a g n o s t i c s for i mp a c t d a m a g e i d e n t i fi c a t i o n o f c o m p o s i t e s t r u c t u r e s C P r o e 3 r d I n c Wo r k s h o p o n S t r u e t u r a l He a l t h Mo n i t o rin g S t a n f o r d， US A， 1 9 9 9： 61 2 6 21 4 WA N G C S S t r u c t u r a l h e a l t h mo n i t o r i n g fr o m fi b e r - r e i n f o r c e d c o mp o s i t e s t o s t e e l - r e i n f o r c e d c o n c r e t e J S m a r t Ma t e r i a l s a n d S t ruc t u r e s ， 2 0 0 1 ， 1 0 ( 3 ) ： 5 4 8 5 5 2 5 S O N Gg G， G U H， MO Y L ， e t a 1 C o n c r e t e s t ruc t u r a l h e a l t h mo n i t o ri n g u s i n g e m b e d d e d p i e z o c e r a m i c t r a n s d u c e r s 册S ma rt Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7， 1 6 ( 4 ) ： 9 5 9 9 6 8 6 周宏， 阎石 ， 孙威 利用压电智能骨料对混凝土结构损伤的识别研 究 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 2 0 2 3 7 WA N G L ， Y U AN F G A c t i v e d a m a g e l o c a l i z a t i o n t e c h n i q u e b a s e d o n e n e r g y p r o p a g a t i o n o f L a mb w a v e s J S m a rt S t ruc t u r e s a n d S y s t e ms ， 2 0 0 7 ， 3 ( 2 ) ： 2 0 1 2 1 7 8 孙明清， S T A S Z E WS K I W J ， S WA M Y R N 混凝土中的L a m b 波传播叨 武汉理工大学学报， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 1 ) ： 3 1 - 3 4 9 孙明清 ， S T A S Z E WS K I W J ， S WA MY R N， e t a 1 压 电陶瓷片混凝土复 合机敏结构 中的表面波法f J 1 _建筑材料学报 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 4 5 1 4 9 1 0 余海湖， 赵愚 ， 姜德生 智能材料与结构的研究及应用 J J 武汉理工大 学学报， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 1 1 ) ： 3 7 4 1 1 1 赵晓燕基 于压电陶瓷的结构 健康监 测与损伤诊断 大连 ： 大连理 工大学 ， 2 0 0 8 1 2 王礼立 应力波基础 M】 北京 ： 国防工业 出版社 ， 1 9 8 3 1 3 罗松南， 程红梅 波在局部损伤混凝土介质中的传播 J J 湖南大学学 报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 2 ， 2 9 ( 2 ) ： 2 0 2 3 ， 5 7 作者简介： 朱劲松( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 副教授， 主要从事结构损伤识别与健 康监测方面的研究。 联系地址 ： 天津市南开区卫津路 9 2 号 天津大学建筑工程学院土木 系( 3 0 0 0 7 2 ) 联 系电话 ： 1 3 9 2 0 1 6 5 3 4 6 4 】 孙吉会， 牟洪， 刘俊梅 凯悦国际大厦工程超厚底板施工技术【 J 】 _青岛 理 工大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 6 ) ： 7 6 7 9 【 5 】A S T M C 1 2 0 2 - 0 5 ， S t a n d a r d t e s t m e t h o d f o r e l e c t ri c a l i n d i c a t i o n o f c o n c r e t e s a b i l i t y t o r e s i s i t c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n S We s t C o n s h o h o c k e n， 2 0 0 5 作者简介： 唐明( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授， 博士。 联系地址： 沈阳币浑南新区浑南东路 9 号( 1 1 0 1 6 8 ) 联 系电话 ： 0 2 4 2 4 6 9 0 3 0 9 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m