溫控膨脹劑在大體積混凝土裂縫控制中的應(yīng)用

柳光，孔令臣，高平原，江云安

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

溫控膨脹劑在大體積混凝土裂縫控制中的應(yīng)用

柳光，孔令臣，高平原，江云安

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

文章以重力式碼頭方塊和卸荷板大體積混凝土結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)溫和對(duì)比試驗(yàn)對(duì)溫控膨脹劑在大體積混凝土裂縫防治方面進(jìn)行研究，試驗(yàn)其溫度控制及防裂效果。提出在常規(guī)條件下大體積混凝土中HST-A2高性能溫控膨脹劑的標(biāo)準(zhǔn)摻入量和施工中應(yīng)采取的關(guān)鍵技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了基本消除大體積混凝土裂縫的目標(biāo)。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)；裂縫控制；溫控膨脹劑；測(cè)溫

1 工程概況

大體積混凝土施工[1]主要特點(diǎn)是體積大，一般實(shí)體最小尺寸≥1 m，受多種因素的影響表面極易產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性以及使用功能。

營(yíng)口港鲅魚(yú)圈港區(qū)72號(hào)、73號(hào)泊位工程，碼頭墻身為重力式方塊（素混凝土結(jié)構(gòu)）和卸荷板（鋼筋混凝土）結(jié)構(gòu)，二者均屬于大體積混凝土，其中體積最大的是四層塊D1，尺寸：（6 000～8 000）mm×4 320 mm×3 600 mm，混凝土方量達(dá)110.26 m3。施工中對(duì)方塊和卸荷板的裂縫控制已經(jīng)取得了一定成果，體積稍小且混凝土強(qiáng)度相對(duì)低的二層小塊已基本無(wú)裂縫產(chǎn)生，但強(qiáng)度較高的四層塊和卸荷板，特別在高溫季節(jié)，混凝土裂縫發(fā)生概率相對(duì)較大，且較難控制，所以本課題的研究對(duì)象選定為四層塊和卸荷板，對(duì)從預(yù)制到養(yǎng)護(hù)結(jié)束階段的大體積混凝土裂縫進(jìn)行控制和研究。

2 研究方案和施工技術(shù)措施

2.1 HST-A2高性能溫控膨脹劑原理

HST-A2高性能溫控膨脹劑是一種控溫型混凝土膨脹劑，它以大體積混凝土為應(yīng)用對(duì)象，在限制收縮得到補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，可以大大降低冷縮應(yīng)力。其中引入了無(wú)機(jī)有機(jī)結(jié)合的固態(tài)溫控組分，與通常的相變材料或緩凝劑不同，它首先進(jìn)行吸熱反應(yīng)，降低水化熱溫升，抑制水泥的早期水化速度，而后，水泥水化速度逐步恢復(fù)，吸收的熱量在降溫階段又逐漸釋放，與未摻加HST-A2相比，絕熱溫升[1]能降低8%～12%，且到達(dá)溫峰的時(shí)間延遲3～5 h。

2.2 研究方案

第1階段：大體積混凝土摻加溫控膨脹劑的對(duì)比試驗(yàn)，共分兩種對(duì)比方案：對(duì)比一：對(duì)四層塊的混凝土水化熱、中心溫度和裂縫的產(chǎn)生情況進(jìn)行理論計(jì)算，再通過(guò)實(shí)踐測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和裂縫效果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；對(duì)比二：對(duì)四層塊組與卸荷板組從預(yù)制到養(yǎng)護(hù)結(jié)束的裂縫控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。第2階段：分析第1階段試驗(yàn)成果，確定最優(yōu)配合比以及施工方案和措施，最后預(yù)制1塊四層塊檢驗(yàn)本次溫控膨脹劑應(yīng)用于大體積混凝土裂縫控制的最終成果并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

2.3 施工技術(shù)措施

從混凝土配制、澆筑到養(yǎng)護(hù)期結(jié)束的全過(guò)程中采取相應(yīng)技術(shù)措施來(lái)保證混凝土質(zhì)量和控制裂縫的產(chǎn)生，其中關(guān)鍵技術(shù)措施體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

1）摻加緩凝型減水劑。在對(duì)比試驗(yàn)中，對(duì)2塊四層塊均未摻加緩凝型減水劑，而2塊卸荷板中均摻加了緩凝型減水劑，通過(guò)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證摻加緩凝劑的必要性。

2）摻加10～50 kg塊石（考慮到卸荷板為鋼筋混凝土，所以未摻加塊石）。首先，塊石的質(zhì)量、埋放間距等完全符合現(xiàn)行規(guī)范[2]要求，另外，塊石使用前進(jìn)行了嚴(yán)格的篩分處理，盡量保證其大小均勻，并用淡水清洗干凈。

3）自動(dòng)循環(huán)水養(yǎng)護(hù)。在四層塊和卸荷板頂部安裝自動(dòng)循環(huán)水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的分流作用，分別向頂面的4個(gè)馬腿孔內(nèi)注水，注滿后馬腿內(nèi)水溫接近混凝土內(nèi)部溫度，再通過(guò)滿水溢流逐漸漫濕覆蓋在整個(gè)構(gòu)件表面的無(wú)紡布，保證構(gòu)件處于24 h全濕潤(rùn)的自養(yǎng)狀態(tài)。同時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間嚴(yán)于現(xiàn)行規(guī)范[3]規(guī)定，延長(zhǎng)到28 d。

3 大體積混凝土摻加溫控膨脹劑的對(duì)比試驗(yàn)

3.1 對(duì)比試驗(yàn)對(duì)象

方塊組：D1-81（摻加HST-A2）和D1-82（未摻加HST-A2），且均未摻加緩凝型高效減水劑。

卸荷板組：E1-72（摻加HST-A2）和E1-73（未摻加HST-A2），且均摻加了緩凝型高效減水劑。

3.2 理論計(jì)算

3.2.1 大體積混凝土水化熱和中心溫度計(jì)算

本次理論計(jì)算對(duì)象為方塊組，計(jì)算公式[4]：

計(jì)算出摻加了HST-A2的方塊在t=3 d時(shí)內(nèi)部最高溫度為65.58℃，不摻加HST-A2的方塊在t=3 d時(shí)最高溫度為71.95℃，考慮降溫系數(shù)則為36.07℃及39.59℃。

3.2.2 自約束裂縫控制計(jì)算

1）按摻入膨脹劑計(jì)算

混凝土3 d的最大拉應(yīng)力[4-5]：

混凝土3 d的抗拉強(qiáng)度[4-5]：

ft（t）=0.8ft（lg t）2/3=0.699 N/mm2

2）按不摻膨脹劑計(jì)算

同理計(jì)算出σt=0.85 N/mm2，ft（t）=0.699 N/mm2。

通過(guò)理論計(jì)算，摻加溫控膨脹劑的混凝土最大拉應(yīng)力σt小于該齡期內(nèi)的抗拉強(qiáng)度，即σt= 0.65 N/mm2＜ft（t）=0.699 N/mm2，所以混凝土不會(huì)出現(xiàn)表面裂縫。而不摻溫控膨脹劑的混凝土最大拉應(yīng)力σt大于該齡期內(nèi)的抗拉強(qiáng)度值，即σt= 0.85 N/mm2>ft（t）=0.699 N/mm2，混凝土則有可能出現(xiàn)表面裂縫。

3.3 兩組大體積混凝土的試驗(yàn)對(duì)比

本階段分別對(duì)四層塊組和卸荷板組從預(yù)制到養(yǎng)護(hù)結(jié)束混凝土的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和裂縫產(chǎn)生情況進(jìn)行對(duì)比分析，溫控傳感器在混凝土中布設(shè)情況見(jiàn)圖1。

圖1 溫控傳感器布設(shè)Fig.1Arrangement of temperature sensor

1）測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)2組對(duì)比試驗(yàn)塊的混凝土測(cè)溫，最終得到了方塊測(cè)溫曲線（見(jiàn)圖2）和卸荷板測(cè)溫曲線（見(jiàn)圖3）。

圖2 D1-81和D1-82混凝土中心和表層測(cè)溫曲線圖Fig.2Temperature curves of concrete center and surface for D1-81 and D1-82

圖3 E1-72和E1-73混凝土中心和表層測(cè)溫曲線圖Fig.3Temperature curves of concrete center and surface for E1-72 and E1-73

2）裂縫情況對(duì)比

①摻加了溫控膨脹劑的四層塊D1-81，從預(yù)制到養(yǎng)護(hù)結(jié)束，表面基本無(wú)裂縫產(chǎn)生。

②未摻加溫控膨脹劑的四層塊D1-82，預(yù)制后3～5 d，一側(cè)面中部和陰榫位置均產(chǎn)生了細(xì)微裂縫。

3.4 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

1）經(jīng)過(guò)測(cè)溫檢測(cè)，D1-81在t=3 d時(shí)內(nèi)部達(dá)到最高溫度67.87℃，與理論計(jì)算的最高溫度65.68℃相差2.29℃；同樣，D1-82在t=3 d時(shí)實(shí)際最高溫度為72.99℃，與理論計(jì)算的最高溫度71.95℃相差1.04℃。同時(shí)，D1-82在第3～5 d時(shí)，一側(cè)面中部和陰榫位置產(chǎn)生了細(xì)微裂縫，而D1-81表面始終基本無(wú)裂縫產(chǎn)生，此結(jié)論與自約束裂縫控制計(jì)算結(jié)果相同，由此證明了本次理論計(jì)算與實(shí)踐檢驗(yàn)成果基本吻合。

2）D1-81和E1-72的中心溫度曲線始終被D1-82和E1-73的中心溫度曲線包裹在下面，即同一時(shí)刻的溫度值始終小于未摻加HST-A2的對(duì)象，特別在方塊組的對(duì)比中更加明顯，數(shù)據(jù)顯示，D1-81的中心最高溫度較D1-82的中心最高溫度低5.1℃，且后期降溫階段最高溫差達(dá)9℃，由此說(shuō)明摻加了溫控膨脹劑使得方塊和卸荷板中心溫度得到了一定控制。

3）通過(guò)對(duì)比得知，同在升溫階段，2塊卸荷板的升溫速率要小于2塊四層塊的升溫速率，說(shuō)明在卸荷板中摻加的緩凝型高效減水劑起到了一定作用，所以在最終的試驗(yàn)階段堅(jiān)持使用緩凝型高效減水劑。

4）試驗(yàn)中，四層塊經(jīng)過(guò)了28 d養(yǎng)護(hù)期后中心溫度降低到與表層溫度基本相當(dāng)，即水化熱基本釋放完全，而卸荷板是14 d養(yǎng)護(hù)期，所以14 d時(shí)，混凝土內(nèi)表仍存在一定溫差，但溫差＜20℃，選擇此時(shí)終止測(cè)溫試驗(yàn)符合規(guī)范要求，亦在證明養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)越有利。

3.5 最終成果檢驗(yàn)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)大體積混凝土的測(cè)溫對(duì)比試驗(yàn)，掌握了大體積混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律，認(rèn)知了裂縫防治措施的必要性，所以最后預(yù)制1塊四層塊，確定最優(yōu)配比，并輔助以最佳的28 d潮濕養(yǎng)護(hù)等條件，來(lái)檢驗(yàn)最終成果。

1）經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)總結(jié)，確定了本次預(yù)制四層塊D1-125的最優(yōu)配合比見(jiàn)表1。

表1 D1-125混凝土配合比Table 1Concrete proportioning of D1-125

2）本階段對(duì)D1-125從預(yù)制到養(yǎng)護(hù)結(jié)束（2015年7月21日—2015年8月18日）過(guò)程中，完善一切裂縫控制技術(shù)措施，并輔助以最佳循環(huán)水養(yǎng)護(hù)28 d條件，通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，表面基本無(wú)裂縫產(chǎn)生，內(nèi)在和觀感質(zhì)量均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 成果總結(jié)

本次課題研究驗(yàn)證了在方塊和卸荷板大體積混凝土中摻加HST-A2高性能溫控膨脹劑后，混凝土水化熱和裂縫均得到一定控制，特別對(duì)混凝土的中心溫度控制明顯，中心溫度峰值較未摻加HST-A2的試驗(yàn)塊低5.1℃，且在混凝土后期降溫過(guò)程中起到了收縮補(bǔ)償?shù)淖饔?，混凝土里表溫差[6]小于25℃，也符合規(guī)范要求。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，對(duì)于大體積混凝土裂縫的控制，摻加溫控膨脹劑是核心，但關(guān)鍵還要輔助以一套切實(shí)可行的技術(shù)措施做保障，特別是如下幾點(diǎn)：

1）制定合理、最優(yōu)的混凝土原材料配比，特別控制好溫控膨脹劑和緩凝型高效減水劑的摻量，防止過(guò)摻或少摻影響混凝土的性能。

2）嚴(yán)格控制大體積混凝土的坍落度值，特指臨界入模時(shí)間點(diǎn)的混凝土坍落度值，大體積混凝土一般為素混凝土或配筋較低的鋼筋混凝土，所以建議混凝土坍落度應(yīng)控制在10～40 mm。

3）大體積混凝土澆筑中宜摻加10～50 kg塊石。首先，塊石的質(zhì)量、埋放間距等必須嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范要求執(zhí)行，其次，塊石使用前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的篩分處理，盡量保證其大小均勻，并用淡水充分清洗表面。

4）要特別注重大體積混凝土的潮濕養(yǎng)護(hù)。根據(jù)需要盡量控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間到28 d，同時(shí)，大體積混凝土前期升溫階段的潮濕養(yǎng)護(hù)尤為重要，為了防止溫度梯度過(guò)大導(dǎo)致溫度應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生，該階段務(wù)必采取切實(shí)有效的降溫措施，而在降溫階

段應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定的保溫控制。總之，

溫控是大體積混凝土裂縫控制的關(guān)鍵所在，只有清晰地掌握大體積混凝土溫度變化規(guī)律，才能有效地解決大體積混凝土裂縫問(wèn)題。

4.2 大體積混凝土中摻加溫控膨脹劑的成本分析

與以往傳統(tǒng)的未摻加溫控膨脹劑且采用人工灑水養(yǎng)護(hù)施工工藝相對(duì)比，若采用摻加HST-A2

的新工藝施工，結(jié)合頂面自動(dòng)循環(huán)注水養(yǎng)護(hù)措施，

從溫控膨脹劑成本、膠凝材料成本、養(yǎng)護(hù)用人工成本、養(yǎng)護(hù)用水成本、設(shè)備投入攤銷等方面，最終測(cè)算得1 m3混凝土需增加投入40.8元。雖然增加了成本投入，但最終混凝土裂縫能夠基本消除保證了工程實(shí)體質(zhì)量，且整個(gè)養(yǎng)護(hù)施工基本自動(dòng)化，大大降低了施工中人為因素的影響和水資源的浪費(fèi)，所以說(shuō)本課題的研究對(duì)大體積混凝土施工具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]GB 50496—2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S]. GB 50496—2009,Code for construction of mass concrete[S].

[2]JTS 202—2011，水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范[S]. JTS 202—2011,Specifications for concrete construction of port and waterway engineering[S].

[3]JTS 202-2—2011，水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S]. JTS 202-2—2011,Quality control standard of concrete for port and waterway engineering[S].

[4]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

JIANG Zheng-rong.Handbook of construction[M].2nd ed.Beijing: China Architecture&Building Press,2007.

[5]王元戰(zhàn).港口與海岸水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2013.

WANG Yuan-zhan.Hydraulic structures of port and coastal[M]. Beijing:China Communications Press,2013.

[6]全國(guó)一級(jí)建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書(shū)編寫(xiě)委員會(huì)，港口與航道工程管理與實(shí)務(wù)[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

The National Level Construction Qualification Exam Book Compilation Committee.Management and practice of port and Waterway Engineering[M].4th ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2015.

Application of temperature controlled expansion agent in the control of mass concrete cracks

LIU Guang,KONG Ling-chen,GAO Ping-yuan,JIANG Yun-an
（No.1 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Taking the mass block and unloading-board concrete structure of gravity wharf as the research object,through temperature measurement and contrast test,we have made a research in preventing the cracks of mass concrete structure by using temperature controlling expending agent.Through exploring its control ability in temperature and cracks preventment of mass concrete,we have come up with the optimal dose of HST-A2 temperature controlling expending agent in normal mass concrete construction condition and key technical measures to be taken in construction.The goal of eliminating the mass concrete cracks has achieved basically.

mass concrete structure;cracks preventment;temperature controlled expending agent;temperature measurement

U656.111；U654.18

B

2095-7874（2017）06-0057-04

10.7640/zggwjs201706013

2016-12-14

2017-02-20

柳光（1979—），男，江西萍鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理，交通土建工程專業(yè)。E-mail：byqxmb@163.com