超大體積混凝土用外加劑的選用探討

鄭 捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200065）

超大體積混凝土用外加劑的選用探討

鄭 捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200065）

鑒于超大體積混凝土所具有的特殊性以及整體一次性澆筑的施工特點，必須對混凝土配制中的關鍵材料──外加劑進行選用研究，本文提出了高性能外加劑需要具備的八個方面功能特征。

超大體積混凝土；高性能外加劑；選用；研究

1 前言

隨著城市超高層建筑技術的發(fā)展，超長、超寬、超厚、配筋率高的超大體積基礎底板混凝土工程日益增多，在施工上采取整體一次性連續(xù)澆筑的方法已在不少典型工程中得到實施，并且取得良好的技術經(jīng)濟效果。超大體積混凝土已經(jīng)不僅僅涉及到混凝土材料而是與施工技術緊密相連。它與一般的大體積混凝土相比有其特殊性，同時作為現(xiàn)代混凝土重要組成的外加劑也不僅僅起到減水劑的作用，而是作為攪拌站與施工現(xiàn)場之間保持混凝土性能一致性的架橋作用，以及超大體積混凝土能否達到整體性、一次性、連續(xù)性澆筑的關鍵作用。由此可見，在超大體積混凝土施工中如何選用外加劑并開展研究是很有必要的。

2 超大體積混凝土工程的特殊性

通常對大體積混凝土的定義是指混凝土結(jié)構物實體最小尺寸大于或等于1m時，或預計會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導致裂縫的混凝土稱為大體積混凝土。對于超大體積混凝土目前尚未有明確的定義，但從近年來國內(nèi)外有影響的超大體積基礎混凝土工程（見表1）的有關數(shù)據(jù)可知整體一次性連續(xù)澆筑的最大體量似有增加的趨勢。

表1中典型的超大體積混凝土工程整體一次性連續(xù)澆筑最大量都超過1萬m3，這些工程地處城市繁華地帶，交通擁堵又給混凝土的連續(xù)施工造成了很大困難。為了確保混凝土澆灌的連續(xù)性和時效性，混凝土必須在容許時間間隔內(nèi)完成澆筑,否則該作業(yè)段的混凝土不能成為整體,而人為形成施工縫。為此混凝土的初終凝時間必須準確設定，而且必須使得混凝土的凝結(jié)時間延遲盡可能小。其次，超大體積混凝土基礎底板的鋼筋用量大，配筋率高，這些工程上的特點又要求混凝土必須具有大流動、高流態(tài)的性能。第三，超大體積混凝土由于其深基礎的特點，地下水的滲透以及地下水中各種結(jié)晶、分解、復合類的腐蝕對混凝土的耐久性提出了更高的要求。第四，超大體積混凝土內(nèi)部水化熱較一般大體積混凝土更不易散發(fā)，為了防止溫度應力引發(fā)的裂縫除了采取相應措施外，所采用的外加劑必須具有一定的減縮作用。因此針對超大體積混凝土整體一次性連續(xù)澆筑的特點進行外加劑的選用研究是確保工程質(zhì)量，提高混凝土耐久性的前提。

3 高性能外加劑的功能特征

對于超大體積混凝土工程中使用的外加劑其物理化學性能除了必須符合國家及行業(yè)標準外還應具備適應超大體積混凝土配制和整體一次性連續(xù)施工的特殊要求，因此高性能外加劑需在以下八個方面進行研究與探索。

3.1 能大幅度減少單位用水量，同時混凝土具有大流動度

根據(jù)表1典型工程基礎超大體積混凝土的設計強度來看，基本在C40以上，而且底板的鋼筋用量巨大，配筋率高，混凝土具有大流動、高流態(tài)的特征，以彌補振搗棒不易伸入而造成的振搗質(zhì)量問題。個別工程如迪拜塔底板混凝土采用了C80高強自密實混凝土，要求在保持良好流動性的同時，不沉降分層，自行充填，形成致密結(jié)構。又如臺北101大樓基礎底板的施工面積達8349m2，基礎鋼筋上下共設置8層，都為雙向布筋。最上兩層布筋為D35@200，中間兩層都為D25@400，最下層共四皮均為D36@200，鋼筋密集程度可見一斑。在配合比設計時常以坍落度和擴展度作為衡量混凝土流動性的二個性能指標。坍落度用來表征混凝土的和易性和施工性，而擴展度則表達了混凝土在無障礙物情況下的可塑性和流動性，因此在超大體積混凝土配制中坍落度和擴展度作為流動度的表征是不可缺少的。為了能大幅度減少單位用水量又能使混凝土具有高流動性，外加劑的減水率應在18%以上。

表1 超大體積混凝土工程

3.2 能顯著改善混凝土的可塑性，減少混凝土泌水和沉降量

混凝土的可塑性包括流動性、粘聚性和保水性。通過外加劑的作用混凝土拌合物既能產(chǎn)生流動又能在混凝土施工過程中其組成材料之間有一定的粘聚力，不致產(chǎn)生分層和離析現(xiàn)象，而保水性是指混凝土在運輸、施工中具有一定的保水能力，避免產(chǎn)生水分的分泌，形成混凝土內(nèi)部透水的孔隙，影響混凝土的密實性。外加劑的功能應該能使混凝土產(chǎn)生良好的可塑性，即混凝土的流動性、粘聚性和保水性缺一不可。 而混凝土的沉降實際上是由混凝土中的骨料、外摻料、水泥粒子之間的比重差引起的。混凝土的沉降可區(qū)分為施工中所發(fā)生的即時沉降和澆灌后的壓實沉降兩種，即時沉降是由包含有空氣的間隙水的壓縮引起的，作為基準，施加263kN/m2（相當于對混凝土施加10m的液壓作用）壓力的話，1%的空氣量在間隙水中溶化。因此，空氣含量多的混凝土其即時沉降也大。對于壓實沉降，混凝土中的間隙水由于自重而排出所發(fā)生的沉降，為此控制好混凝土的含氣量可以降低混凝土的沉降量。所以采用高性能外加劑配制的混凝土在一定時間內(nèi)應能控制混凝土含氣量的經(jīng)時損失或經(jīng)時增加，進而能減少混凝土泌水和沉降量。

3.3 能減少坍落度經(jīng)時損失，提高混凝土的勻質(zhì)性

由于城市發(fā)展和環(huán)保的需要，一般混凝土攪拌站大多設置在城市環(huán)線以外，預拌混凝土從出廠到澆筑要經(jīng)過運輸和施工現(xiàn)場等候的過程，因此在1～2小時內(nèi)坍落度經(jīng)時損失必須控制在2.5cm范圍內(nèi)。此外在不同的氣候條件下混凝土的坍落度有不同程度的損失，當損失較小時對混凝土施工不會造成影響，但當坍落度損失較大時，混凝土的流動性將受到影響，不但不利于混凝土的泵送，而且影響到混凝土品質(zhì)的勻質(zhì)性。因此有效控制混凝土的坍落度損失，對于超大體積混凝土施工來說是很重要的，所以能有效控制混凝土的坍落度損失是順利完成超大體積混凝土整體一次性連續(xù)澆筑的關鍵。

3.4 能縮短凝結(jié)延遲時間，提高施工效率

在國內(nèi)采取整體一次性連續(xù)澆筑的超大體積混凝土工程，一般都配備大量的混凝土泵車和攪拌運輸車。這是為了在短時間內(nèi)完成既定施工目標，保證混凝土施工的連續(xù)性而采取的施工組織措施。如在上海環(huán)球金融中心主樓基礎超大體積混凝土施工中，就組織了近350輛攪拌車，19臺泵車,僅以42小時就完成了28900m3混凝土的澆筑。在中央電視臺新址主樓基礎超大體積混凝土施工中，共組織了20臺泵車僅以54小時就完成了39000m3混凝土的澆筑。由此可見在超大體積混凝土工程中既要準確設定混凝土的初終凝時間又要縮短初終凝的延遲時間，以便后續(xù)作業(yè)可以及時開展。為此作為高性能外加劑的性能要求之一，不僅初終凝時間必須控制在適當范圍，而且其凝結(jié)延遲的時間要盡可能短，有利于提高分批澆筑的施工效率。

3.5 能增強混凝土的抗?jié)B透能力，改善混凝土的耐久性

作為超高層建筑的基礎工程，超大體積混凝土必須提高其抗?jié)B透的能力。滲透性的含義有三個方面，第一是對水的抗?jié)B透能力，眾所周知超高層建筑的主樓基礎都屬深基坑，如中央電視臺新址基礎底板結(jié)構最深處達13.4m，大部分厚度在10.8m以上。又如上海中心基礎底板厚度達6m，地下水的滲透是不容忽視的。第二是對水中氯離子的抗?jié)B透能力，在沿海地區(qū)由于氯離子的侵蝕將導致鋼筋銹蝕，同時產(chǎn)生的膨脹使保護層開裂，最終導致整個結(jié)構的破壞。第三是對來自地下水腐蝕的抵抗能力，由于環(huán)境污染的原因，地下水的有害物質(zhì)較為復雜，一般分為結(jié)晶類腐蝕和分解類腐蝕，而且建筑物所處的腐蝕環(huán)境受到氣候、土層特性、干濕交替、冰凍情況的影響，其腐蝕等級也不同，因此提高混凝土的抗?jié)B透能力有利于改善混凝土的耐久性。高性能外加劑所具有的高減水率使得混凝土在低水膠比條件下能達到大流動度，并且單位用水量的減少促使了混凝土進一步密實，從而增強了抗?jié)B透能力。

3.6 能減小混凝土收縮變形，防止有害裂縫產(chǎn)生

近年來混凝土結(jié)構物的耐久性問題受到了應有的重視，但超大體積混凝土的基礎底板及其他結(jié)構部位的裂縫問題一直困擾著工程技術人員。特別是隨著水泥細度的增大，超細摻合料的應用，都將增加混凝土的自收縮。對超大體積混凝土來說，因水化熱導致混凝土內(nèi)部缺水以及內(nèi)外溫差等因素產(chǎn)生的裂縫常常采用外部控制的方法，如采取粉煤灰和礦粉的雙摻技術及應用膨脹劑等，但都存在一定的局限性。我國目前使用的大部分外加劑均增大混凝土的收縮，混凝土外加劑（GB 8076—2008）規(guī)定收縮率比不大于135%，因此外加劑本身如何降低收縮率比，進一步起到減縮的作用，是高性能外加劑的發(fā)展方向。從目前減縮劑應用情況來看，單獨使用減縮劑時，在減小收縮的同時混凝土強度受到較大影響，一般降低10%左右，同時減縮劑本身的價格以及關鍵技術也制約了工程的推廣應用。隨著外加劑技術的發(fā)展，部分廠家新近推出的外加劑產(chǎn)品已將減縮成分復合在高性能外加劑中，通過改變化學結(jié)構，使高性能外加劑在保持原有功能的同時具有減縮效應，因此通過外加劑自身的作用減小超大體積混凝土的收縮變形，加之外摻礦渣微粉和粉煤灰，為防止超大體積混凝土因溫度應力而產(chǎn)生的裂縫問題開辟了新的技術途徑。因此高性能外加劑自身不僅應具有較小的收縮率比，而且對混凝土在保持性能不受影響的前提下具有一定的減縮功能。

3.7 能改善碳化、凍融及氣候作用對混凝土劣化的影響

混凝土的碳化是指空氣中的CO2與混凝土的堿性物質(zhì)發(fā)生作用，引起混凝土堿度下降使鋼筋保護層溶解，導致鋼筋腐蝕。而凍融及氣候因素都將對混凝土的動態(tài)彈性模量造成損失。除了與混凝土所處環(huán)境、氣候特點有很大關系以外，也與混凝土材料的組成、配合比有關。為了提高混凝土抗碳化、抗凍融的能力，高性能外加劑應該根據(jù)超大體積混凝土所處的嚴重冰凍、冰凍及微冰凍不同環(huán)境情況以及不同的設計強度，規(guī)定適當?shù)目諝夂恐蹬c變動范圍。大量研究表明，混凝土的碳化與混凝土的滲透性密切相關，因此從外加劑角度來講，應充分利用分子結(jié)構的靜電斥力和空間位阻作用，對水泥產(chǎn)生較強的分散作用，使得混凝土內(nèi)部的水化反應充分，從而提高混凝土的密實度，增強混凝土抗劣化的能力。

3.8 能使混凝土內(nèi)部結(jié)構致密，使混凝土抵御機械磨損和化學侵害

混凝土組成材料經(jīng)攪拌、運輸、泵送至施工部位，其間經(jīng)歷了攪拌機、運輸車、泵送管道的機械磨損以及大氣、土壤中酸性物質(zhì)的侵害。高性能外加劑配制的混凝土在抵抗機械磨損和化學物質(zhì)侵入方面也應該較普通外加劑更具優(yōu)勢。為了改善混凝土的流動性，提高混凝土的耐久性，在配制上除了使用力學強度更高的粗骨料以及能充填水泥粒子之間的摻合料以外，在高性能外加劑的結(jié)構設計上應該是一種新的聚合物結(jié)構，能使混凝土具有很好的坍落度保持性，極強的分散性以及較高的早期強度，使得在早期混凝土就具有抵抗化學侵害的能力和減少材料傳遞、攪拌等過程中各種機械造成的損耗。

4 結(jié)語

超大體積混凝土的配制和施工是一項系統(tǒng)工程，涉及到預拌混凝土材料的采購、試驗、生產(chǎn)、運輸及現(xiàn)場泵送、施工、養(yǎng)護等諸多方面。本文僅就超大體積混凝土配制、施工中的外加劑選用問題，結(jié)合超大體積混凝土的特殊性進行了分析研究，提出了高性能外加劑必須具備的功能特征。鑒于外加劑在現(xiàn)代混凝土工程中占有越來越重要的地位，對不同要求的超大體積混凝土工程開展外加劑選用研究是非常必要的。

[1]青垣英夫.臺北國際金融センタ─（ TAIPEI 101）プロジェクトにおけるマット基礎コンクリ─トの施工と高所壓送 [J].コンクリ─ト工學 2005 (4).

[2]余成行.大摻量粉煤灰混凝土在中央電視臺新臺址工程中的應用 [J].混凝土， 2006(8)：88-91,96.

[3]肖俊華.未來世界建筑之最──阿聯(lián)酋百吉迪拜大樓[J].工業(yè)建筑 2006（11）：119-122.

鄭捷（1948-），男，高級工程師

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