混凝土膨胀剂应用

1 引言

1.1 大体积温度裂缝控制是比较复杂的施工技术，迄今，对于大体积混凝土的温度场变化和温度裂缝产生的规律性，还缺乏系统的研究，对于混凝土的温度及温度应力还不能精确计算，为此，吴中伟教授提出的"采用补偿收缩混凝土，同时辅以适应的温度控制，既经济合理，又能有效地解决混凝土的干缩和冷缩干裂问题"思想，在电厂水塔环基、煤仓底板、汽机基座底板等大体积混凝土结构中广泛应用，可以取得良好的效果。下面以内蒙托克托电厂1#塔环基为例叙之：

1.2 大唐内蒙托克托电厂1#冷却塔环基厚度

2.0m，宽度5.0m总长318m，为超长环板型大体积混凝土。混凝土设计强度C25 F200 W6。控制裂缝是环基混凝土施工的关键。为控制温度和干缩裂缝，在混凝土施工过程中采取分段跳仓、使用低水化热水泥、掺混凝土膨胀剂、降低入模温度、覆盖保温等措施。

2 环基裂缝问题的分析

2.1 裂缝的成因

混凝土硬化后及使用过程中，受外界因素的影响而产生的变形主要有：温度变形、湿胀干缩变形和荷载作用下的变形等。

2.1.1 温度变形

混凝土的温度变形由两部分组成：①在混凝土硬化过程中，由于水泥的水化热产生大量热量，大体积混凝土内部因散热慢而使其温度升高，产生内外温差，内部混凝土膨胀，而外部混凝土经散热，温度降低而收缩，形成表面裂缝。②由于环境温度的变化，根据混凝土热胀冷缩的性质，在温度下降后混凝土必将产生收缩而产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，将产生裂缝。

2.1.2 干缩变形

混凝土的干缩变形是由于混凝土中水分蒸发而引起的。当混凝土在空气中硬化时，其中的水分会逐渐蒸发，使水泥石中的胶凝体逐渐干燥而产生收缩，从而产生干缩变形。在混凝土受到某种约束的情况下，干缩变形会使混凝土出现较大的拉应力，特别是在初凝阶段，由于混凝土抗拉强度十分低，容易引起混凝土开裂。

2.1.3 荷载作用下变形

在荷载作用下，当构件截面产生拉应力时，会引起拉伸变形；当构件截面产生压应力时，会引起压缩变形。当截面上的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，构件就会产生裂缝。

2.2 影响温度和干缩变形的主要因素

温度变形与混凝土的浇筑温度、水泥结硬过程中产生的水化热引起的温升、施工季节以及环境温度的变化有关。

混凝土温度变形和干缩变形主要与以下几方面的因素有关：

2.2.1 混凝土中水泥用量的大小，是决定温度和干缩变形大小的最主要因素。在水灰比相同的条件，水泥用量越多，混凝土干缩率就越大。水泥用量越多，水化热越大，混凝土内部温度越高，温度变形越大。

2.2.2 混凝土的水灰比较大，干缩率越大。因为水灰比越大，水泥浆越稀，干缩变形越大。

2.2.3 入模温度越高，混凝土内部温度就越高，温度变形越大。

2.2.4 混凝土保温保湿养护是控制温度和干缩变形的关键环节。保温养护的目的主要是降低大体积混凝土的内外温差值以降低混凝土的自约束应力，其次是降低大体积混凝土的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土的抗裂能力，以达到防止或控制温度裂缝的目的。同时，在养护过程中保持良好温度和防风条件，防止混凝土的干缩变形。

2.2.5 环境温度变化是影响温度变形的又一主要原因。在冬季来临前，对环基进行保温保护，减小环境温差对环基温度变形产生的不利影响。

3 膨胀剂在环基混凝土中的应用

3.1 微膨胀剂在混凝土中的作用机理

钢筋混凝土结构产生裂缝原因很复杂，就材料而言，混凝土干缩和温差收缩是主要原因。为此，行之有效的措施是掺配以补偿收缩为主要功能的混凝土微膨胀剂来控制混凝土裂缝。微膨胀剂加入到普通水泥混凝土中，拌水后生成大量膨胀性结晶水化物- 水化硫铝酸钙(C3A.3CaSO4.32H20,既钙矾石),使混凝土产生适度膨胀,在钢筋和邻位的约束下,在结构中建立0.2-0.7MPa预压应力，这一压应力可大致抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩拉应力，从而防止或减少混凝土收缩开裂，并使混凝土致密化，提高了结构的防渗能力，达到结构自防水能力，同时控制了混凝土的微裂缝。

在环基混凝土施工中，控制混凝土中心温度与表面温度之差是非常重要的。采用普通混凝土，温差控制在25℃之内，否则往往因温差应力而产生开裂（冷缩裂缝）。而采用膨胀剂补偿收缩混凝土，这个温差可放宽至30－35℃。其原理如下：

设：大体积混凝土中心温度为T1，表面温度为T2，大气温度为T3，膨胀剂混凝土的限制膨胀率为ε2，混凝土的线膨胀系数为a，产生的膨胀当量温度T4＝ε2/a，一般：ε2＝2～3×10-4，a＝1.0×10-5℃，则T4＝20～30℃。

若采用普通混凝土，须ΔT1＝T1－T2≤25℃和ΔT2＝T2－T3≤25℃，否则混凝土会开裂。

而采用膨胀剂补偿收缩混凝土后：ΔT1＝T1－T2≤25＋T4（℃），T2＝T2－T3≤25＋T4（℃）。

这意味着在环基混凝土施工时采用膨胀剂，放宽了温控指标，这样可大大节约昂贵的控温费用。

3.2 混凝土微膨胀剂的选择

环基配合比设计要求为：水泥用量不大于300kg/m3，水灰比不大于0.5。混凝土设计强度为：C25 F200

W6。据此要求，我们首先根据JGJ/T55-96标准中第2、3、4、章节进行设计，同时满足第6章节中6.1抗渗混凝土和6.2抗冻混凝土之规定。在选取材料方面,我们选取了425#矿渣硅酸盐水泥,因其水化热低,适合于大体积混凝土施工；砂、石我们都选用了符合标准要求的材料；外加剂的选择尤其重要，经过反复筛选，我们选择了三种进行最后试验,这三种膨胀剂分别是：UEA、FS-H、FN-MⅡ。其中FN-MⅡ为高效的减水剂，经国家建材测试中心检测证明，它除了具有明显的防裂抗渗功能外，还具有缓凝、降低水化热峰值的效果。对混凝土的收缩有显著的补偿作用，其膨胀率为4×10-4。由于FN-MⅡ凝结时间的可调性，可以防止混凝土初凝冷缝的事故。它可以解除大体积混凝土连续施工，因凝结时间所造成的障碍，给紧张的工程施工留下一定的宽容度。同时它还可以替代一部分水泥，减少水泥用量。UEA和FS-H是一种膨胀剂，膨胀率为4.8×10-4，它的减水效果较FN-MⅡ要差些，而环基施工时间正值炎热夏季，对混凝土的缓凝要求显得尤为重要。通过三种外加剂的试配，比较效果，加FN-MⅡ的各项性能要优于其它两种。见表1：

品种

膨胀剂掺量(%)

凝结时间

限制膨胀率(%)

抗压(MPa)

抗折(MPa)

初凝

终凝

水中7d

空气28d

7d

28d

7d

28d

FN－MⅡ

8-12

2:05

3:04

0.033

0.021

39.7

58.4

5.6

8.0

UEA

8-12

1:27

2:10

0.020

0.019