超緩凝砂漿在船閘大體積混凝土中的應(yīng)用

劉忠友

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

混凝土裂縫是大體積混凝土最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，主要是由于混凝土收縮變形受到約束引發(fā)的收縮裂縫。當(dāng)變形受到約束時(shí)便產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂縫[1]。裂縫主要在早期形成，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度較低，在約束應(yīng)力作用下很容易出現(xiàn)。

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變形時(shí)，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間，都會(huì)受到相互影響、相互制約，這種現(xiàn)象稱為約束。對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于其內(nèi)部溫度和濕度分布不均勻，引起內(nèi)部不同部位的變形相互約束，特別是內(nèi)外溫差的影響，位于低溫區(qū)的混凝土由于受到高溫區(qū)混凝土的約束，這樣的約束稱之為內(nèi)約束；結(jié)構(gòu)物的變形由于其他結(jié)構(gòu)的阻礙所受到的約束稱為外約束。

對(duì)于建于堅(jiān)硬土層的現(xiàn)澆混凝土或分層澆注的大體積混凝土，外部約束對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響較為嚴(yán)重，由于在澆注上層混凝土?xí)r，下層原澆注的混凝土已經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，其收縮基本完成，而上層新澆注的混凝土才開(kāi)始收縮，下層混凝土必然會(huì)約束上層新澆注混凝土的收縮變形，形成起自分界面的約束裂縫。

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘工程系國(guó)家較大型的水運(yùn)工程，船閘工程混凝土中有57萬(wàn)余m3屬于大體積混凝土，船閘閘室墻的高度為23 m，閘首墻最高達(dá)33.6 m以上，分層次數(shù)在12層以上（見(jiàn)圖1）。而且閘墻建筑在巖石之上，說(shuō)明每一層閘墻混凝土都會(huì)受到下層地基或構(gòu)筑物的約束。如何緩解下層約束對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的影響，是需面對(duì)的問(wèn)題。

圖1 閘首混凝土澆注分層圖

1 裂縫形成原因分析

混凝土是由骨料、膠凝材料、水、添加料等混合而成的，混凝土的膠凝材料水泥在其水化過(guò)程中會(huì)釋放出熱量，使混凝土溫度升高。不同部位的混凝土，其溫度裂縫形成的形態(tài)有所不同，分析如下：

1）對(duì)于一次性澆筑的大體積混凝土，其產(chǎn)生裂縫的主要原因是混凝土內(nèi)外較大的溫差。構(gòu)件厚度大的混凝土，水化過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱不可能馬上釋放出來(lái)，外表的溫度散失快，內(nèi)部溫度散失慢，形成混凝土的內(nèi)外溫差，溫差的存在就預(yù)示著內(nèi)外混凝土收縮的不平衡，外部的混凝土由于溫度較低，收縮較大，內(nèi)部混凝土由于溫度較高，收縮較小，對(duì)于外部混凝土來(lái)說(shuō)其收縮就受到了限制，也就是受到了內(nèi)部約束。內(nèi)部約束的存在會(huì)造成混凝土外觀裂縫。

2）對(duì)于分層澆筑的大體積混凝土不但存在內(nèi)部約束問(wèn)題，同時(shí)還存在有外部約束問(wèn)題。分段（層）澆筑的混凝土由于上下層間澆筑時(shí)間的先后，下層混凝土在澆筑上層混凝土?xí)r其溫度已經(jīng)降低、已完成部分收縮，上層混凝土在澆筑后就面臨著溫度降低、硬化收縮的問(wèn)題，上下兩層混凝土的收縮過(guò)程顯然是不同步的，上層混凝土的收縮會(huì)受到下層混凝土的約束限制，接縫之間就會(huì)由于約束的影響而開(kāi)裂。澆筑在堅(jiān)硬巖基上的大體積混凝土也存在這個(gè)問(wèn)題。

3）約束影響分析?；炷潦艿降耐獠考s束力：

式中：kR為約束系數(shù)；αc為熱膨脹系數(shù)，1/℃；Ee為有效彈性模量，MPa；△Tmd為構(gòu)件斷面平均溫度最大值，℃。

2 預(yù)防約束的對(duì)策

由式（1）分析可知，降低約束系數(shù)kR可有效緩解約束力，因此采用超緩凝砂漿[2]替代普通砂漿作為結(jié)合層可大大降低約束系數(shù)，由于超緩凝砂漿具有7～10 d不硬化的特點(diǎn)，上層新澆注的混凝土在7 d內(nèi)受到下層的約束力可大為減少。超緩凝砂漿的材料及性能見(jiàn)表1所示。

表1 超緩凝砂漿性能一覽表

普通砂漿的凝結(jié)時(shí)間一般在2 h左右，而超緩凝砂漿在15～45℃的封閉環(huán)境下，能在7～10 d內(nèi)不凝結(jié)，而在7～10 d后才逐漸硬化，并最終達(dá)到30 MPa以上的抗壓強(qiáng)度。大體積混凝土的內(nèi)部溫度一般較高，圖2是35℃恒溫條件下，摻加不同用量的復(fù)合緩凝劑時(shí)超緩凝砂漿的硬化情況。緩凝時(shí)間隨著復(fù)合緩凝劑摻量的增加而延長(zhǎng)，后期強(qiáng)度降低，但仍在發(fā)展。

圖2 超緩凝砂漿硬化對(duì)照?qǐng)D

試驗(yàn)表明，溫度對(duì)超緩凝砂漿有顯著影響，溫度高，緩凝時(shí)間長(zhǎng)，而開(kāi)始硬化后的速度快，后期強(qiáng)度高；溫度低，緩凝時(shí)間短，開(kāi)始硬化后的硬化速度慢，后期強(qiáng)度低。這種變化規(guī)律與水泥的凝結(jié)規(guī)律相反，卻與水泥的硬化規(guī)律一致。由此推測(cè)知：超緩凝砂漿適合環(huán)境溫度較高的大體積混凝土。

3 工程實(shí)施

為保證湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程質(zhì)量，在施工縫的處理上全面采用了超緩凝砂漿。混凝土的收縮以前期收縮為主，主要控制其前7 d的收縮影響。施工期間，在配制了具有優(yōu)良性能大體積混凝土的基礎(chǔ)上，在混凝土在分層澆筑時(shí)，利用超緩凝砂漿替代常規(guī)的水泥接縫砂漿，超緩凝砂漿在30℃左右的溫度下緩凝效果可達(dá)到7 d以上，效果良好。

超緩凝砂漿的鋪砌及上層混凝土的澆筑有不同之處，要確保砂漿鋪砌均勻、保持良好，超緩凝砂漿在攤鋪后要用平板振動(dòng)器振搗密實(shí)。緊鄰砂漿層的1層混凝土澆筑厚度應(yīng)控制在250 mm以下，并用平板振搗器振實(shí)，不能采用插入式振搗器振搗。

超緩凝砂漿施工完成后應(yīng)及時(shí)澆筑上面的混凝土，防止鋪筑后的超緩凝砂漿長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光下。

4 效果分析及結(jié)論

在湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘工程的施工中大量應(yīng)用了超緩凝砂漿，在每個(gè)施工層的接縫部位用超緩凝砂漿替代了普通砂漿，共使用超緩凝砂漿3 000余m3，施工了50余萬(wàn)m3船閘混凝土，除高溫季節(jié)施工的部分閘墻段外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外部約束裂縫，使用效果非常明顯。

由于超緩凝砂漿的前期潤(rùn)滑和后期的膠結(jié)特性，可大大緩解基層或先澆混凝土對(duì)新澆筑混凝土的前期約束，防止層間約束裂縫的產(chǎn)生，因此對(duì)于基面為巖性地基的結(jié)構(gòu)物或者需要分層澆筑的混凝土構(gòu)筑物，應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于提高混凝土的整體耐久性和外觀質(zhì)量起到良好的作用。

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘工程在使用了分層接縫超緩凝砂漿后，船閘墻體的裂縫得到了可靠控制，提高了船閘的整體使用壽命；同時(shí)，由于裂縫的數(shù)量、寬度的降低，船閘墻體外觀質(zhì)量大大提高，為工程獲得國(guó)優(yōu)打下了良好的質(zhì)量基礎(chǔ)。

由于超緩凝砂漿緩解了混凝土的外部約束應(yīng)力，使混凝土的約束裂縫大大減少，因此可有效提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時(shí)，由于外觀裂縫的減少，提高了結(jié)構(gòu)物的外觀質(zhì)量，減少了修補(bǔ)裂縫對(duì)環(huán)境的污染。由于其效果明顯，使用范圍廣泛，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]朱惠英.超緩凝劑的研究及其應(yīng)用[J].混凝土，1995（1）：47.

[2]王起才.超緩凝砂漿研究和在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，1996，26（3）：38-41.

[3]GB 8076—2008，混凝土外加劑[S].