鋁酸鈣類混凝土膨脹劑的應(yīng)用

　　摘要: 介紹了鋁酸鈣類(aea) 混凝土膨脹劑的組成及性能。aea 堿含量低,膨脹能量大、摻量小、干縮小, 混凝土后期強度高,是一種高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能的混凝土膨脹劑,具有很好的收縮補償作用和長期穩(wěn)定性。從理論和實踐兩方面闡述了aea 無縫設(shè)計施工技術(shù)、控制大體積混凝土裂縫、結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)的應(yīng)用原理和工程實例。

　　關(guān)鍵詞: 鋁酸鈣類膨脹劑混凝土抗裂防滲應(yīng)用

　　1 前言

　　普通混凝土的極限拉伸變形值僅為0. 01 %～0. 02 % ,而收縮值達0. 04 %～0. 06 % ,所以,普通混凝土的收縮開裂時有發(fā)生,導致滲漏、鋼筋銹蝕,以致影響結(jié)構(gòu)的使用功能,也使混凝土的耐久性大大降低。為此,國內(nèi)外工程界對材料、設(shè)計和施工技術(shù)等方面進行了廣泛的研究。大量的試驗和應(yīng)用實例表明,使混凝土在硬化過程中產(chǎn)生適度膨脹,是消除或減少混凝土干縮和冷縮裂縫的最有效的途徑。膨脹混凝土可由膨脹水泥、砂、石、水組成,也可由普通水泥、砂、石、水、膨脹劑組成。目前我國生產(chǎn)的膨脹劑種類較多,有鋁酸鈣類(aea) 、硫鋁酸鈣類(u ea) 、氧化鈣類(cea) 等。其中aea 混凝土膨脹劑是由中國建材研究院研制開發(fā)的國家級新產(chǎn)品,其基本組成為鋁酸鈣熟料、明礬石、石膏等,膨脹源為鈣礬石。它在aea 無縫設(shè)計施工技術(shù)、控制大體積混凝土滲裂、結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文著重介紹其性能及在工程中的應(yīng)用。

　　2 aea 混凝土膨脹劑組成及性能

　　2. 1 aea 混凝土膨脹劑化學成分及主要化學反應(yīng)

　　2. 1. 1 aea 的化學組成(見表1)

　　表1  aea的主要化學組成                               ％

　　loss sio2 al2o3 fe2o3 cao mgo so3 na2o + 0. 658k2o ∑

　　3. 02 19. 82 16. 62 2. 66 28. 6 1. 58 26. 86 0. 51 99. 68

　　2. 1. 2 主要化學反應(yīng)

　　aea 以水泥量的8 %～10 %摻入水泥中,加水攪拌,其主要化學反應(yīng)是:首先,高鋁熟料中的ca 與石膏中caso4 及水泥水化生成的ca (oh) 2 反應(yīng),生成鈣礬石和氫氧化鋁膠,其反應(yīng)式為:

　　3ca + 3caso4 ·2h2o + 32h2o →c3a ·3caso4 ·32h2o + 2 (al2o3 ·3h2o) ( 1)

　　其次,明礬石與石膏、氫氧化鈣反應(yīng)生成鈣礬石及氫氧化鉀,其反應(yīng)式為:

　　k2so4·al2 (so4) 3 ·4al (oh) 2 + 13ca (oh) 2 + 5caso4 + 78h2o →3c3a ·3caso4 ·32h2o + 2koh (2)

　　2. 2 aea 混凝土膨脹劑的物理性能指標(見表2)

　　從表2 可以看出,aea 混凝土膨脹劑各項性能指標均超出《混凝土膨脹劑》(j c 476 —92) 標準中的一級品技術(shù)要求。

　　表2 　aea 混凝土膨脹劑的物理性能指標

　　項　　目 jc 476 —92 aea 摻量10 %

　　凝結(jié)時間/ min 初凝 45 175

　　終凝 600 300

　　限制膨脹率/ %

　　水中14 d  ≥0. 04  0. 044

　　空氣中28 d  ≥- 0. 02  - 0. 006

　　抗壓強度/ mpa 標養(yǎng)7 d 30. 0  46. 0

　　標養(yǎng)28 d 47. 0  57. 1

　　抗折強度/ mpa

　　標養(yǎng)7 d 5. 0  6. 6

　　標養(yǎng)28 d 6. 8  8. 0[Page]

　　2. 3 aea 混凝土膨脹劑的特性

　　2. 3. 1 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定

　　aea 混凝土的主要原材料為天然硬石膏、天然明礬石和高鋁熟料,而高鋁熟料是用礬土、石灰石經(jīng)回轉(zhuǎn)窯高溫(1380 ℃) 煅燒而成。在生產(chǎn)過程中和各原材料計量均采用計

　　算機控制,產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)過嚴格檢驗。

　　2. 3. 2 堿含量低

　　我國目前應(yīng)用比較普通的幾種膨脹劑中,aea 的堿含量最低,為0. 3 %～0. 5 % ,不會發(fā)生堿—骨料反應(yīng)。

　　2. 3. 3 膨脹能量大、摻量小、干縮小

　　aea 混凝土膨脹劑中熟料部分7 d 就可以反應(yīng)完畢,且膨脹絕對值也較大,j c 476 —92 標準規(guī)定aea 混凝土膨脹劑的法定摻量為10 % ,所以,這一性能特別適合施工氣溫高、混凝土強度發(fā)展快的場合,其干縮值較小,而且膨脹與強度同步發(fā)展。

　　2. 3. 4 后期強度高

　　aea 在水化生成鈣礬石的同時,還在各分子的縫隙間生成氫氧化鋁膠,能提高混凝土的密實性,同時對混凝土的后期強度有顯著的提高。

　　3 aea 混凝土膨脹劑的主要用途

　　3. 1 aea 混凝土膨脹劑無縫設(shè)計施工技術(shù)

　　設(shè)計規(guī)范規(guī)定,考慮混凝土收縮變形,每30～40 m 設(shè)一道后澆縫,后澆縫的設(shè)置不但施工麻煩,延長工期,而且留下滲水隱患。若采用aea 補償收縮混凝土,以膨脹加強帶取代后澆縫,實現(xiàn)連續(xù)澆筑超長防水結(jié)構(gòu),可以消除以上問題。其補償收縮機理為:當混凝土澆筑厚度h 與基礎(chǔ)長寬尺寸l 之比不大于0. 2 (即h/ l ≤0. 2) 時,板在溫度收縮變形作用下,離開端部區(qū)域, 板的全截面受拉應(yīng)力均勻。在地基約束下,將出現(xiàn)水平法向力σx ,從工程實踐可知,σx 是設(shè)計主要控制應(yīng)力,是引起正常垂直裂縫的主要應(yīng)力,其最大值σmax出現(xiàn)在板截面的中點x = 0 處。當σmax超過混凝土抗拉強度( r t) 時,板中部出現(xiàn)第1 條垂直裂縫,開裂后的每塊板的水平應(yīng)力重新分布為σx’ ,若σx’ > r t ,又形成第2 條裂縫..。為防止這種有序裂縫的出現(xiàn),工程中常以設(shè)置后澆帶作為釋放收縮應(yīng)力、控制裂縫的主要措施之一。從以下法向應(yīng)力公式可見: σmax = - e ·α·t (1 - ) ,β= (3)

　　式中: e —計算齡期混凝土的彈性模量值(mpa)

　　σx —混凝土線膨脹系數(shù)

　　l —結(jié)構(gòu)物長度(m)

　　h —混凝土徐變松馳系數(shù)

　　b —地基約束系數(shù)(n/ mm3)

　　d —混凝土板厚(mm)

　　ch —雙曲余弦函數(shù)。

　　t = t 1 + t 2 + t 3 —總溫差( ℃)

　　其中: t 1 —季節(jié)溫差( ℃)

　　t 2 —混凝土干縮當量溫差( ℃)

　　t 3 —混凝土水化熱溫差( ℃)

　　后澆帶只在較短間距l(xiāng) 范圍對削減收縮應(yīng)力(σmax ) 起顯著作用,超過一定長度,即使設(shè)后澆帶也沒有意義。按理計算,削減σmax有效間距為30～60 m ,因此,膨脹加強帶間距應(yīng)設(shè)在此范圍內(nèi)。

　　研究還表明,摻aea 混凝土膨脹劑的混凝土在硬化過程中產(chǎn)生膨脹作用,在鋼筋和鄰位約束下,鋼筋受拉,而混凝土受壓,當鋼筋拉應(yīng)力與混凝土壓應(yīng)力平衡時,則有:

　　a c ·σc = a s ·es ·εs

　　設(shè):μ= a s/ a c

　　則σc =μ·es ·εs (4)

　　式中:σc —混凝土預(yù)壓應(yīng)力值(mpa)

　　a c —混凝土截面積(mm2)

　　a s —鋼筋截面積(mm2)

　　es —鋼筋彈性模量(mpa)

　　εs —鋼筋的彈性應(yīng)變量( %) 。

　　由(4) 式可見,σc 與εs 成正比關(guān)系,而限制εs 隨aea 摻量增加而增加,所以通過調(diào)整膨脹劑摻量,可使混凝土獲得不同的預(yù)壓應(yīng)力。

　　根據(jù)σx 分布曲線,設(shè)想在σmax處給予較大的膨脹應(yīng)力σc ,而在兩側(cè)給予較小的膨脹應(yīng)力,以使結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力得到大小適宜的補償,從而控制有序裂縫的出現(xiàn)。

　　3. 2 控制大體積混凝土裂滲

　　在高層建筑施工中,地下室底板越來越厚,混凝土強度等級和抗?jié)B標號越來越高,一般混凝土強度等級均在c35 以上,抗?jié)B標號為s8。其水泥用量一般在400～500 kg/ m3 ,混凝土的水化熱相當高,可使混凝土內(nèi)部最高溫度達60～80 ℃。而按照常規(guī),當混凝土內(nèi)外溫差超過25 ℃時,有可能導致大體積混凝土出現(xiàn)貫穿的溫差裂縫。

　　據(jù)計算公式:綜合溫差t = t 1 + t 2

　　式中: t 1 —混凝土水化熱最高溫度與環(huán)境平均氣溫之差,施工規(guī)范要求: t 1 < 25 ℃

　　t 2 —混凝土收縮當量溫差

　　t2 =εy /α

　　式中:εy —混凝土收縮率值,對普通混凝土為(2～3) ×10 - 4

　　α—混凝土的線膨脹系數(shù),取1 ×10 - 5

　　t 2 = 20～30 ℃時,混凝土早期(10～15 d) 的極限拉伸率一般只有εp = (1～2) ×10 - 4(考慮徐變) ,因而很容易出現(xiàn)裂縫。而摻aea 混凝土膨脹劑的混凝土能產(chǎn)生膨脹效應(yīng),第14 d 的限制膨脹率εy’ = (2～4. 4) ×10 - 4 。它不但可補償混凝土的收縮,而且能降低混凝土的溫差。按公式t 2 =εy’ /α, 當摻aea 混凝土膨脹劑的混凝土εy’ = 2 ×10 - 4時,則t 2 = 20 ℃如果εy ’更大,則可補償溫度更高,這是很大的潛在溫差補償效應(yīng)。對于溫差變成t = t 1 - t 2 ,使結(jié)構(gòu)的溫度變形αt 小于混凝土的極限拉伸εp ,可防止大體積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫, 這就是補償收縮混凝土控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的理論依據(jù)。因此,采用aea 混凝土膨脹劑生產(chǎn)混凝土相當于放寬了溫差控制指標,可以省去在混凝土中埋設(shè)冷卻水管和冷卻骨料等傳統(tǒng)施工方法,節(jié)省了費用。[Page]

　　3. 3 結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)

　　在剛性防水屋面中,采用aea 膨脹混凝土作剛性屋面比普通細石防水混凝土更好,其原因是提高了混凝土的抗裂性,以柔性分格縫緩解屋面的溫差裂縫。這種在預(yù)制板或保溫層上作50 mm 厚φ4 mm @150 mm ×150 mm 雙向鋼筋補償收縮混凝土屋面,已在南方許多地區(qū)得到推廣應(yīng)用,獲得良好效果。另外,從我們監(jiān)理的許多工程而言,采用現(xiàn)澆防水屋面,現(xiàn)澆層厚10～15 cm ,配以φ8 mm @150 mm ×150 mm 雙向鋼筋,混凝土強度等級為c25～c30 ,為解決現(xiàn)澆混凝土的抗裂防水問題,在水泥中摻入10 %aea 混凝土膨脹劑,拌制成補償收縮混凝土澆筑屋面,可以連續(xù)澆筑50 m 不留后澆縫。當屋面長度超過50 m 時,可用aea 膨脹混凝土加強帶(2 m 寬) 取代后澆縫,連續(xù)澆筑100 m 屋面不留縫。為防止溫差變化,在加強帶之間和屋面周邊適當增加水平構(gòu)造筋,澆筑完的屋面需加水養(yǎng)護,養(yǎng)護期不小于14 d ,隨后在屋面上架設(shè)通風隔熱層。在地下室混凝土施工中,采用aea 膨脹混凝土作為補償混凝土,其拌合、澆搗和養(yǎng)護方法與普通混凝土差不多,一般可不用外貼防水層。對于特別重要建筑物,外側(cè)貼卷材防水層可起到雙保險作用。

　　用aea 混凝土膨脹劑配制的補償收縮混凝土剛性防水屋面和地下室結(jié)構(gòu)之所以得到廣泛應(yīng)用,一方面由于其能有效地防止混凝土的開裂另一方面,由于膨脹結(jié)晶具有填充阻塞毛細孔空隙,改善結(jié)構(gòu)的作用,抗?jié)B能力大大提高,從而實現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)自防水。

　　4 aea 混凝土膨脹劑的應(yīng)用實例

　　4. 1 實例一

　　某購物廣場,建筑面積2. 3 萬m2 ,地下一層,地面8 層, 框架結(jié)構(gòu)。地下室為現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),長98. 60 m , 寬38. 20 m ,底板采用厚50 cm 和高120 cm 地梁筏板基礎(chǔ)(下翻式) ,底板埋深- 4. 95 m ,混凝土設(shè)計強度等級c35 ,抗?jié)B標號為s8 ,混凝土總量3900 m3。地下室底板東西設(shè)17 條軸,南北設(shè)8 條軸,原設(shè)計在東西(6) ～ (7) 軸和(11) ～ (12) 軸之間各設(shè)一條后澆帶,寬1 m ,底板和墻板外側(cè)均設(shè)計二布六膠作防水。經(jīng)我們會同業(yè)主、設(shè)計、施工單位多方面論證考察,一致同意取消二條后澆帶和全部外防水,采用aea 膨脹混凝土作結(jié)構(gòu)自防水,使結(jié)構(gòu)承重與防水合二為一,具永久性的結(jié)構(gòu)防水性能。aea 膨脹混凝土的配合比(kg/ m3) 為:32. 5 級水泥∶砂∶碎石∶aea = 437 ∶731 ∶1021 ∶50 , 水灰比= 0. 45。按照本設(shè)計方案,在設(shè)計和施工期間,安排專家進行現(xiàn)場技術(shù)交底。施工單位精心組織施工。地下工程完工后經(jīng)評估和鑒定,混凝土強度、抗?jié)B等級、混凝土限制膨脹率均能滿足設(shè)計和施工的要求。本工程通過使用aea 膨脹混凝土不僅節(jié)約工程成本,而且對提高結(jié)構(gòu)的整體性,簡化施工工序, 縮短工期,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　4. 2 實例二

　　某銀行綜合樓,總建筑面積為3. 2 萬m2 ,地下室一層, 地上28 層。地下室長56. 8 m ,底板厚2. 1 m ,箱形基礎(chǔ),底板標高為- 5. 1 m ,設(shè)計采用aea 無縫設(shè)計施工技術(shù),根據(jù)大體積無縫施工的理論依據(jù),實行aea 膨脹混凝土無縫設(shè)計和剛性結(jié)構(gòu)防水措施。為了保險起見,底板分二次澆筑,不另外采取降溫措施,第一次澆筑1. 1 m ,第二次澆筑1. 0 m ,其材料要求和配合比如下:

　　(1) 材料

　　aea 膨脹劑為一級品, 14 d 水中限制膨脹率為0. 0424 %

　　水泥:42. 5r

　　砂子:模數(shù)3. 04 中粗砂, ⅱ區(qū)級配,含泥量小于1 %

　　碎石:20～40 mm ,壓碎指標14. 78 % ,含泥量0. 95 %。

　　(2) 試配和留樣結(jié)果

　　試配:c35 ,s8 ,砂率34. 6 %。其配合比為(水泥+ aea) ∶砂∶石∶水= 1 ∶1. 34 ∶2. 54 ∶0. 43 ,水泥用量413 kg/ m3 ,aea 混凝土膨脹劑摻量為45. 5 kg/ m3 ,試配坍落度5 cm , r 7 = 35. 2 mpa , r 28 = 46. 7 mpa ,抗?jié)B標號大于s10。留樣結(jié)果:現(xiàn)場混凝土和易性好,坍落度3～5 cm ,符合施工要求。24 組試塊r 28min = 38. 9 mpa , r 28max = 46. 6 mpa , 抗?jié)B標號大于s10。

　　由于施工中合理安排,嚴格按規(guī)范施工,各方面相互協(xié)調(diào),使得aea 膨脹混凝土在該地下室防水中取得良好抗裂抗?jié)B效果,減少了施工工序,節(jié)約工程費用。經(jīng)過3 個雨季使用后的考驗,完全達到設(shè)計要求,取得了良好的經(jīng)濟效益。

　　4. 3 實例三

　　某集資住宅樓,7 層磚混結(jié)構(gòu),共3 幢,總建筑面積1. 45 萬m2 ,屋頂面積2080 m2 ,每幢長56 m ,寬12 m。設(shè)計采用φ4 mm @150 mm ×150 mm 雙向鋼筋,c25 內(nèi)加aea 混凝土膨脹劑的細石混凝土剛性防水屋面。

　　混凝土配合比為:32. 5 級普通水泥332 kg/ m3 中砂712 kg/ m3 ,含泥量不大于2 %石子用5～15 mm 細石1133 kg/ m3 ,含泥量不大于1 %aea 摻量為34 kg/ m3 鋼筋為冷拔低碳鋼絲。分格縫設(shè)置在屋面板的支承端轉(zhuǎn)折處、防水層與突出屋面結(jié)構(gòu)的交接處,分格縫間距為6 m ×6 m ,縫寬20～ 30 mm。經(jīng)2 個雨季的考驗,沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,受到了住戶的好評。

　　5 aea 混凝土膨脹劑的施工要點

　　(1) 編制施工組織設(shè)計,做好施工前的準備工作。

　　(2) 要有專人負責按配合比配料,特別是aea 混凝土膨脹劑的摻量要保證準確,其誤差不大于0. 5 % ,水灰比用坍落度控制,不能隨意增減。

　　(3) 摻aea 混凝土膨脹劑的混凝土攪拌時間較普通混凝土延長0. 5～1. 0 min ,總攪拌時間不小于3. 5 min 。

　　(4) 對于結(jié)構(gòu)斷面小,鋼筋較密的部位,要嚴格按分層澆筑、分層振搗的原則操作。對鋼筋密集或有預(yù)埋件等不易振搗密實處,可改用相同強度等級的細石混凝土澆筑,以保證質(zhì)量。

　　(5) 加強帶的施工:aea 膨脹混凝土加強帶的寬度一般為2 m ,帶之間適當增加15 %～20 %的水平構(gòu)造筋,帶的兩側(cè)分別架設(shè)密孔鐵絲網(wǎng),防止混凝土流入加強帶,施工時,先澆帶外微膨脹(摻8 %～10 %aea 混凝土膨脹劑) 混凝土,澆到加強帶時,改為大膨脹混凝土(摻11 %～12%aea 混凝土膨脹劑) ,加強帶處混凝土強度等級比加強帶兩側(cè)混凝土提高0. 5 mpa 。

　　(6) 混凝土的振動必須密實,必須采用插入式振搗,振動點間距不大于500 mm ,做到不過振、漏振和欠振。

　　(7) 養(yǎng)護:混凝土終凝后,須派專人灑水養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不少于14 d 。若在冬季澆筑混凝土或大體積混凝土,則需要進行保溫保濕養(yǎng)護。

　　(8) 在大體積混凝土中應(yīng)按要求布測溫孔,在澆筑后的1 個星期內(nèi)要按規(guī)定測內(nèi)外溫差。

　　參考資料:

　　[ 1] 王鐵夢. 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1997.

　　[ 2] 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.

　　[ 3] 劉長俊. 混凝土配合比設(shè)計計算手冊. 遼寧:遼寧科學技術(shù)出版社,1997.