恒负温自密实混凝土的研究与应用.pdf

2 0 1 4年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 6 J u n e 恒负温 自密实混凝土的研究与应用 徐亚玲 ， 覃 爽 ( 上海城建物资有限公司 ， 2 0 0 0 6 3 ) 摘要： 随着混凝 土技 术的发展 ， 负温混凝土的应 用越 来越 多。针 对恒 负温施工的特殊工 况， 结合混凝 土新 成 熟度 理论 分析 采用 自身防冻和辅助防冻相结合、 新型添加剂等多种技 术 ， 设 计恒 负温 自密 实混凝 土配合 比 ， 并对 其 工作性能进行 了研 究。 从混凝土设计、 生产和施工等环节提 出了一 系列方法措施 。 关键词 ： 混凝 土； 恒 负温 ； 自密实； 防冻 Ab s t r a c t ： As t h e d e v e l o p me n t o f c o n c r e t e t e c h n o l o g y ， s u b z e r o c o n c r e t e a r e wi d e l y u s e d T o s a t i s f y t h e e n g i n e e rin g r e qu i r eme n t s a t s u bz e r o t e mp e r a t u r e ，s o me t e c hn o l o g i c me a s u r e s a r e a do p t e d o n s e l f -c o mpa c t i ng c o n c r e t e d e s i g n u nd e r c o n s t a n t s u b z e r o t e mp e r a t u r e ，s u c h a s a n a l y z i n g b y n e w ma t u rit y t h e o r y ，s e l f a n t i f r e e z i n g c o mb i n e d a d d i t i o n a l me a s u r e s a n d n e w a d mi x t u r e a d o p t i n g Me a n w h i l e ， t h e w o r k a b i l i t y o f c o n c r e t e i s r e s e a r c h e d ，a n d s o me me a s u r e s o n d e s i g n ，p r o d u c t i o n a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e a r e p r o p o s e d i n t h i s p a p e r Ke y wo r d s ：C o n c r e t e ； C o n s t a n t s u b z e r o t e mp e r a t u r e ； S e l f - c o mp a c t i n g ； An t i f r e e z i n g 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 6 - 0 1 - 0 4 0前 言 负温混凝土是混凝土科学的一个重要分支。从 温度对混凝土性能影响的角度看 ， 可 以把混凝土分 为正 温与 负温混凝 土 。通常使 用 的混凝 土 均为正 温 混凝土 其只可 以在正温条件下凝结 、 硬化并且强 度持续发展。当放置于负温条件下时， 正温混凝土 会 遭 受 冻 害 ， 强 度 增 长 缓 慢甚 至停 止增 长 恢 复 正 温条件养护后其强度损失在 5 0 以上 ， 并且其它物 理 力学 性能 丧失 殆尽 。负温混 凝 土可在 两种 温度 条 件下均进行水化 并且在负温条件下表现出特殊的 凝结硬化特性 该混凝土在负温条件下强度持续增 长 ， 通 常负 温条 件 下养 护 2 8 d强 度增 长 率 达 到标 准 养 护 条件下 强度 的 4 0 5 0 并且 转入 正温 条件 养 护 后不 改变 物理 力学性 能 固有 的本构关 系 【l I 。 负温混凝土可分为 自然变负温混凝土和恒负 温混凝土。自然变负温混凝土是指在冬期 自然气候 条 件 下经历 自然 变负 温 的混凝 土 。由于 自然 变 负温 环境的温度是在一定范 围内有所波动 的， 混凝土的 水 化 反应 相 对容 易 进行 。 强 度 增长 也 能 相应 得 以维 持 ， 文献报道也表明高低波动的温度环境 比恒定负 温对混凝土强度发展更为有利 ， 因此 自然变负温混 凝土的强度保证率较容易得 以满足。关于 自然变负 温混凝 土 ， 国内外已做 了不少研究 。 研究 内容主要 集 中在 冻融 循环 对混凝 土 性能 的影 响方 面 。如 日本 成立了 自然环境下混凝土性能研究委员会 ， 其主要 研究 内容包括 ： 冷天 、 热天混凝 土及其 强度发展规 律、 冻融破坏、 海洋环境对混凝土的影响等 。 恒负温混凝土是指在实验室里或某种特定情 况下人为地使混凝土处于某一恒定的负温度。由于 温度 始 终处 于 一个 较 稳定 的负 温状 态 ， 这对 混凝 土 的水化极为不利。在这种恶劣的环境下 ， 混凝土的 强度发展规律与 自然变负温混凝 土又不 同， 其强度 增长更 为缓慢 与艰难 ， 强度更低 。 通 过普通的混凝 土技术难以达到工程需求 。目前 国内外对于恒负温 混凝土的研究相当少 ，大多只是实验室模拟试验 未见 工程 应用【 。 随着地下施工技术和混凝土技术 的发展 ， 负温 混凝 土 的应 用 越来 越 多 。近 年来 ， 地下 施 工 的深度 和复杂性不 断增加 ， 为确保施工的安全性 ， 人工冻 结法作为先进 的土体加固法得 以广泛应用 ；此外 ， 冬季低温甚至零下负温施工 的情况也 已不是少数 。 混 凝 土 的 强 度 发 展 和 质 量好 坏直 接 关 系着 整个 工 程的质量安全及进度 。恒负温混凝土不仅需要低温 下能硬化 、 强度保持一定 的增长 ， 根据工况不同还 需具备防水 、 高流动和 自密实等性能。因此 ， 针对现 阶段存在的工程需求 ， 研究开发恒负温 自密实混凝 土 ， 为其应用提供配套解决方案具有现实意义。 1 混 凝土成 熟 度理论 混凝土成熟度概念的提 出，至今 已有 6 0余年 历史 。早在 1 9 5 1年英国学者绍耳 ( A S a u 1 ) 就提出 一1一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 8期 混凝土强度是 以水 的冰点起算的温度与时间 的乘 积 的单叶 函数 ，他把温度和时间的积称为成熟度 ( 度时积 ) ， 即认为同一种配合 比的混凝土 ， 只要达 到相 同的成 熟度 ( M) ， 就 会 有大致 相 同 的强 度 8 - 9 1 。 为 了拓 宽公 式 的适 用 范 围 ，我 国学 者 方 光 秀 等 l l O J 于 2 0 0 2年 提 出了新 混凝 土 成熟 度 ， 见公 式 ( 1 ) ； 及混 凝 土早期 强度 的预测 公 式 ， 见 式 ( 2 ) ： M = k ( + 1 0 ) f 式 中 ， 一新 混 凝 土成熟 度 ， d ； 一 在 t 时间 内混 凝 土 养护 的平 均温 度 ( o C) ， 适 用 于一 1 O o C 1 0 5 ； 一 温 度影 响 系 数 ； 其 含 义 是 以 2 0 c c 为基 准 的不 同 温度 的影响效应 ( 倍数 ) 。 =1 0 7 6 x Mo ( 2 ) 式中， 预测混凝土早期相对强度值( 相对于标准 条件下养护 2 8 d的混凝土强度， 以百分点计 ) 。 从式 ( 1 ) 和式( 2 ) 可以看出 ： 养护温度与时间是 影响混凝土强度最重要的两个参数 。当某一混凝土 的组成成份 已知时 其强度增长 由养护温度和时间 决定 。温度与养护龄期乘积的积分 和越大 ， 混凝土 的成 熟 度越 大 ， 则 混凝 土强 度越 高 。 由于负 温 混 凝 土所处的养护环境是零下负温 ， 强度增长尤其是早 期强度增长尤为困难 。从成熟度公式上看 ， 随着养 护龄期 的增加 ， 成熟 度会 不 断增长 。同时 ， 随着 龄 期 增加 ， 水泥水化放热使得温度上升 ， 也会促进混凝 土的成熟度增长 。因此 ， 对于恒负温混凝土的配制 而言， 早期强度的增长 、 早期的防冻性是关键。 2恒 负温 混凝 土 的防 冻技术 2 1 自身防冻和辅助防冻相结合的设计思路 水 的冰点是零度 ，负温下 由于缺乏液态水 ， 混 凝土的水化反应非常困难 。尤其在恒负温的恶劣环 境下 ， 仅仅依靠混凝土胶凝材料的 自身防冻体 系是 远远不够 的。要想提高恒负温混凝土 的早期 防冻 性 一方面要尽可能增加混凝土 自身体系的水化放 热 ： 另 一 方 面 也 是 尤 为 重 要 的方 面 ， 要 降低 混 凝 土 体系的冰点 。防冻剂等添加材料可以通过降低水的 冰点等方式 ，为恒负温混凝土提供早期强度增长 ， 并促进混凝土强度 的持续增长 ， 对提高混凝土的抗 冻性有重要 的辅助作用 。此外 ， 混凝土 自身越密实 ， 防冻 性 能越 好 ， 而 混凝 土 的胶凝 材 料 体 系及 各 成 分 的组成决定 了其密实度 。因此 ， 在恒负温混凝土设 计 时 ， 采 取 混 凝 土材 料体 系 自身 防冻 和 添 加剂 辅 助 防 冻相 结合 的设 计思 路 ， 双 重抗 冻 技 术 以保 护 混 凝 土在负温下内部结构不冻伤 。 实现混凝土强度 的持 续增 长 。 一 2 2 2优化 的配 比组成 水 胶 比越 低 ， 混 凝 土 水 化 越 剧 烈 、 强度 增 长 越 快 、 密 实度 和 强 度越 高 ； 掺 合料 的适量 掺 入 ， 取 代 部 分 水 泥并 以细颗 粒填 充 空 隙 ，使 孔 隙率 显 著 降低 ， 密 实 度 增 加 ， 可 提 高混 凝 土 的抗 冻 性 ； 高 效 减 水 剂 可大大降低用水量从而提高强度和抗冻性 ； 高效复 合防冻剂有利于降低混凝土抗冻临界温度 。此外 ， 胶凝材料组成 、 砂浆体积与混凝土外加剂用量是影 响混凝 土工 作性 的重要 参数 。因此 ， 在 配 比设 计 时 ， 采用低水胶 比、 适宜复合矿物掺合料组成与高效减 水 剂及 添 加 剂 的优 化配 比组成 ， 以增 强 混凝 土 的 防 冻 效果 。 2 3 优质 夕 加 齐 4 为控 制 负温 混凝 土 水 的含 量 及 形态 ， 促进 混凝 土 内部尽 快 密 实 以形成 抗 冻结 构 ， 通 过 试 验 在 聚羧 酸减 水剂 、 脂 肪 族 减水 剂 、 萘 系减 水 剂 、 早 强 剂 等外 加 剂 中寻 找优质 外加 剂及 其最 佳组 合 。根 据试 验 结 果 ， 确定 采用 聚羧 酸减 水 剂 与早 强 剂 复配 的优 质外 加 剂 。 2 4 新 型添加 剂 杨 英 姿 等 人 的研 究 结 果 表 明 ： 粉 煤 灰 、 硅 灰 的 二次水化反应能显著改善 界面过渡区这一薄 弱环 节_ 1 1 】 。自行 配制 的新 型添加 剂 由消石 灰 、 膨润 土和 硅 灰组 成 三者 的质量百 分 比为 5 ： 8 ： 2 。消石灰 的主 要 成分为 C a ( O H ) ， 其引入增加了体系 中的 O H一 含量 ， 激发胶凝体系尤其是粉煤灰和矿渣粉 的活性 ， 从而 加速辅助性胶凝材料 的水化 ， 进而提高混凝土 的强 度 ：膨润土具有高遇水膨胀性以及 良好的低透水 性 ， 能使混凝土的抗渗性能大大提高 ； 硅灰 的超 细 颗 粒 效应 能有 效 增 强混 凝 土 的密 实 度 ， 且 硅灰 具 有 一 定 胶凝 材 料作 用 ， 能 提 高混 凝 土 的强 度 。三者 的 有 机 组合 ， 有 利 于 混凝 土 强度 、 密 实 度 、 抗 渗 性 能 的 提升 能大大提高混凝土的抗冻性能。 3恒 负温混 凝 土的 自密 实工作 性研 究 混凝 土 要 达到 自密实 的工作 性 ， 则需 同时 具 有 高流 动性 和粘 聚性 ( 高抗 离析 性 ) 。而这 两者之 间 是 一 对 相 互平 衡 与制 约 的矛 盾 ， 其 关 系 可 以用 图 1表 示 。 由图 1 可见 ， 随着高效减水剂用量和浆体体积 的增加 ， 混凝土流动度不断增大 ， 粘聚性不断降低 ， 自密实性先升后降。新拌混凝土具有 良好 自密实性 ( 填 充 性 )的 区间是 在 高流 动 性 与粘 聚 性 平 衡点 的 附 近 。 在这 良好 自密 实 区间 内尚可 分两 个 区域 ， A 区 域为流动性略大于粘 聚性区域 ： B区域为粘聚性略 高于流动性区域 。由于混凝土泵送施工需要承受一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐亚玲， 覃爽 恒负温 自密实混凝土的研究与应用 大 小 痴 区 小 高效减水剂用量 大 大 小 图 1 流 动性 与粘 聚性 的关 系 定的压力 在配制宜采用粘聚性略大于流动性 B区 域的混凝土 。 此时用 U形仪测得的U( U型仪高度 差指标 ) 较小 。在低水胶 比混凝土配方设计中， 胶凝 材料组成 、 砂浆体积与混凝土外加剂用量是影响新 拌混凝土 自密实性的重要参数。为寻找新拌混凝土 的塑性粘度与抗剪屈服值的最佳平衡点 ， 配制较合 理 的 配方 ， 采用 正交 表 I _ 9 ( 3 ) 设计 试验 ， 试 验 因素水 平 见 表 1 ， 试验 结果 见表 2 。 表 1 试验 因素水平表 注 ： 一净 浆体 积 ， 单位 L ； F s B I 一 复合矿物掺合料 总量 占胶凝 材料 总量 的比例 ； F L E 一 2 一外加剂掺量 ， 按 胶凝材料 B I 掺量计 。 由正交试 验 结果 可 知 ， 在 所选 择 的设计 参 数 范 围内 ， 由 U形仪测得的U值除 6 #和 2 #外 ， 其余 测定值均小于 2 mm说明均有 良好的 自密实性 ； 从 U的极差 R分析 中发现 A、 B与 C三因素未有显 著差异。但从扩展度 测定结果 中分析 ， 发现各因 素对 扩展 度 的影 响效果 排 列为 ： A B C， A 因素 ( ) 即净浆体积是影响扩展度的首要参数。为使新拌混 凝土的丁作性接近符合图 1中的 B区域 ， 即采用粘 聚性略大于流动性的混凝土，综合分析AU与扩展 度 测定 结果 ，最佳配方 为 7 #A 3 B 1 C 3组( 即 3 6 0 L ， F S B I = 0 2 2 ， 外加剂掺量= 1 6 5 ) ， U型仪高差 U为 0 ram， 扩展度 为 5 8 5 m m， 达到 自密实混凝 土的工作性能要求。 4原 材料 和配 合 比 4 1 原材 料 原材料包括 水 、 水 泥 、 矿渣 粉 、 粉煤 灰 、 砂 、 石 表 2 混凝 土 U形仪高度差( u) 与扩展度 ( ) 试验结果 子 、 外 加 剂 、 防冻 剂 、 添 加 剂 。 其 中水 泥 为 P 0 4 2 5 级普通硅酸盐水泥 ； 粉煤灰为 F I 粉煤灰 ； 矿渣粉为 $ 9 5矿渣粉 ； 砂为细度模数为 2 5 2 7的中砂 ， ； 石子 为 5 1 0 ram连 续级 配 的圆形特 制石 子 ，外加 剂为 聚 羧酸高效减水剂 ； 防冻剂为 N F 5防冻剂。 4 2 配合 比 试验配合 比见表 3 。 表 3 试验配合 比 5生产 与施 工 对于处于恒负温条件下的混凝土 养护起到至 关重要的作用。养护措施越完善 ， 保温效果越高 ， 混 凝土的强度增长越能得到保障。因此 ， 在地下工程 施 工 配套 恒 负温 混 凝 土 的应 用设 计 时 引 入 了 主动 式 防冻和被动式 防冻相结合的施工理念 ， 即除混凝 土材料本身防冻外 再辅 以施工时相应的措施如 ： 大功率太 阳灯和 电热毯加热 、 保 温隔热层 、 关 闭冷 冻机等措施 ， 以促进混凝土在恒负温恶劣条件下的 强度增长 ， 从而确保结构施 工质量 。结合预拌商 品 混凝 土生产 与施工 的特点 提 出如下一些注意事 项 ： ( 1 )由于加入了防冻剂 、 复合掺合料等成分 ， 生 产时搅拌时间需延长。 ( 2 ) 在浇注前 ， 应做好浇注部位的保温工作 ， 加 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 8期 设大功率太阳灯或电热毯来提高局部环境的温度。 ( 3 )在运输过程中 ， 混凝土搅拌 车需不 间断地 进行搅拌 ， 倒料前快转 l mi n ， 以保证混凝土 的和易 性 ， 同时促进混凝土的水化进行。 ( 4 )在浇 注后 ， 需严 格做 好养护工作 ， 用电热 毯 、 太 阳灯对结构局部进行加热 ， 随着混凝土强度 的增长 。 可逐渐减少太 阳灯数量直至撤销 。 ( 5 )混 凝 土在 浇 注 后 ， 除正 常 留置 混凝 土试 块 外 ， 增 设 同条 件 养 护 试 块 ， 以 了解 混 凝 土强 度 增 长 情况 ， 以此确定冷冻机 的关闭时间 ， 确保工程进度 与安 全 。 6工程 应用 案例 “ 万里长江第一隧” 上海长江隧道 ， 建成时 规 模 世 界 最 大 、 盾 构 一 次 性 推 进距 离 最 长 、 盾 构 直 径最大 、 隧道埋设最深 。该 隧道联络通道采用人工 冻结 法 施 工 由于 联 络 通 道 结 构 的 特 殊 性 ， 不 能采 取 人 工振 捣 的方 式 要 求 混凝 土 具 备 自密实 效 果 。 由于整个 隧道尺寸 的超长 、 超大和位置超深 。 冰冻 法施工 中冷冻机的温度特别低 ， 冻土温度 即混凝土 的环境温度恒定在一 5 以下。由于混凝土与冰冻土 体之间有一层木砖保护层 因此与土体 的实际温度 有一定差别 。据测 。 木砖 内冻土帷幕的平均温度为一 1 3 。 冷 冻机 在达 到结 构强 度后 方 可关 闭 ， 由于工期 要求 最短要求 6 0 d内混凝土在负温状况下强度达 到 C 4 0的要求。针对工程实际要求 ， 采用了上述防 冻技 术 理念 配 制 的恒 负 温 自密 实混 凝 土 ， 其 性 能 如 图 2所示 1 2 0 0 l 0 o 0 g 8 0 0 趟 6 0 0 4 O O 2 0 0 O 7 d 一1 9 0 MPa 2 6 0 mm 2 6 0 ram 4 5 4 0 3 5 3 O芝 2 5 想 趟 2 0 堰 1 5 1 0 0 初 始 坍 落厦1 h坍 落 度初 始 扩展 度1 h扩 展 度 图 2 恒负温 自密实混凝土 的性能 从 图 2的数据看 ， 恒负温 自密实混凝土具有优 异的工作性 ， 达到了 自密实的效果 ： 初始坍落度达 2 6 0 mm且 1 h没有损失 ， 初始扩展度达 7 5 0 m m且 1 h 损失只有 3 0 ra m。 从抗压强度数据看 ， 该混凝土在恒 负温条件下不受冻害 、 稳步增 长 ， 以 6 0 d为验收龄 一 一 期 ， 达到了 C 4 0的要求。在实际工程应用中， 结合合 理的施工措施 ， 最终使联络通道混凝土达到设计要 求 ， 工程质量和进度均得到了保证。 7结 语 恒负温 自密实混凝土采用 了优化的胶凝体系 、 新型添加剂的引入 、 自身防冻与辅助 防冻相结合等 先进的综合防冻技术 ，其在一 5 以下恒负温条件下 强度可达 C 4 0 ， 且高流动 自密实混凝土便于施工 、 减 少 了人 工 和设 备 能 耗 。该 混 凝 土 的 成 功 研 发 与 应 用 ， 填补 了国内外人工恒负温高性能混凝土领域的 空白 ， 其适用于人工冻结法 、 冬季低 温等恶劣条件 的施工 ， 尤其是封闭结构 、 异型结构等振捣 困难结 构的低温施工。目前已广泛应用于地下工程的冻结 法 施 工 工 程 ， 如 大 型 隧 道 的联 络 通 道 工 程 、 地 铁 抢 修工程 ， 工程应用效果 良好。随着地下施工 的深度 和复杂性的不断增加 ， 其应用会越来越广。 参 考 文 献 ： 【 1 】 朱卫 中 负温混凝 土科 学技术研究 再反思 f J I 低 温建筑 技术 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 - 4 【 2 】 王迎 飞， 马保 国 负温 混凝土 冻害 及防冻 模型 的探讨 【 J I 水运 工程 2 o o 4 ) ： 2 - 6 【 3 马保 国， 王 迎飞 冬期施 工 中负温混 凝 土耐久性 设计 f J 低温建筑技术 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 3 1 5 4 张巨松 负温混凝土 临界 强度 对应结构 的探讨【 J J 低温建 筑技 术， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 6 9 5 杨英 姿， 高小建， 邓宏 卫， 等自然变 负温养 护和恒 负温 养护对混凝 土强度 的影 响 J 低温建筑技术， 2 0 0 9 ) ： 1 - 4 6 】 徐海 涛 隧道 冻结法 施工专用 混凝土 的研究l J J 隧道建 设 2 0 1 0 s 1 ( 3 o ) ： 1 2 9 1 3 2 7 】 覃爽 负温混凝 土的性能研究 J 混凝土技 术， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 2 7 -30 【 8 】 黄玉华， 刘松 混凝 土成熟度 的原理与应用 f J 1 国外建 材 科技 2 0 0 4 ) ： 1 4 1 6 【 9 T R N a i k 冬季条件下养护混凝 土的成熟度研究 J 低 温 建筑技术， 1 9 9 5( 1 ) ： 4 6 4 7 1 0 】 方光秀， 李发干 混凝土成熟度 新论及 新成熟 度准则应 用 J 低温建筑技术， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 - 4 【 1 1 】 杨英姿 负温 防冻 剂混 凝土界面显微结构 与性 能 【 J 1 硅 酸盐学报。 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 1 2 5 1 1 3 0 收稿 日期 ： 2 01 4 0 4 2 8 作者简介 ： 徐亚玲 ( 1 9 6 8 一 ) ， 女 ， 总工。 通讯地址 ： 上海市曹杨路 1 0 4 0号 中友 大厦 1 6楼 联系电话 ： 1 3 8 1 6 0 5 5 4 2 2 E ma i l ： s i s s i 9 0 4 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m