大體積混凝土延遲鈣礬石反應(yīng)預(yù)防和控制措施

余黃昏等

摘 要：文章主要以大體積混凝土施工為例來介紹高溫情況下大體積混凝土施工的各項(xiàng)溫控措施。通過這些措施保證混凝土的施工質(zhì)量，避免產(chǎn)生溫度裂縫和降低發(fā)生延遲鈣礬石反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度控制；延遲鈣礬石反應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM623；TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）24-0149-04

1 延遲鈣礬石反應(yīng)

1.1 延遲鈣礬石反應(yīng)原理

延遲鈣礬石反應(yīng)（Delayed Ettingite Formation簡稱DEF）指的是早期混凝土經(jīng)受高溫處理后，已經(jīng)形成的鈣礬石部分或全部分解，后期溫度降低后，在硬化混凝土內(nèi)部重新生成鈣礬石晶體的過程。即水泥水化早期產(chǎn)物C—A—H（水化鋁酸鈣）和硫酸根離子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶物水化硫鋁酸鈣（簡稱AFt），AFt在溫度高于70 ℃時(shí)不穩(wěn)定， 易分解，轉(zhuǎn)變?yōu)镾O42-、 Ca2+、Al3+，被C-S-H凝膠吸附。在硬化混凝土后期這些離子或單硫鹽會(huì)重新生成鈣礬石。

1.2 延遲鈣礬石反應(yīng)的特性

鈣礬石具有體積膨脹性（水泥中CaO、Al2O3和CaSO4水化形成鈣礬石能使固相體積增大約120%），故延遲鈣礬石生成在水化初期可補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹能損失，而后期的分解和重生成時(shí)，可能產(chǎn)生更大的收縮或者膨脹，若產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土的內(nèi)部應(yīng)力極限時(shí)，則可能導(dǎo)致混凝土脹裂破壞，形成混凝土裂縫，影響混凝土耐久性和工程質(zhì)量。

1.3 延遲鈣礬石反應(yīng)的必要條件

從DEF發(fā)生的原理和條件上看，在混凝土原材料化學(xué)性能和混凝土中心溫度的大小及升溫和降溫速率是決定DEF反應(yīng)及反應(yīng)強(qiáng)度的必要條件。因此對混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大、存在大量具有侵蝕作用的物質(zhì)（如：SO42-、Na+、Mg2+、Cl-），且施工環(huán)境溫度高的混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，必須采取有效措施控制或預(yù)防大體積混凝土DEF反應(yīng)的發(fā)生來保證混凝土的施工質(zhì)量，以保證工程質(zhì)量。

本文通過以某工程筏基混凝和內(nèi)安全殼預(yù)應(yīng)力混凝土施工為例，結(jié)合同步DEF反應(yīng)研究性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，來制定大體積混凝土DEF發(fā)生的控制和預(yù)防措施。

2 大體積混凝土施工實(shí)例

2.1 某工程筏基施工

工程筏基為半徑27.8 m、高3.8 m的圓形鋼筋混凝土基礎(chǔ)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40/50，暴露等級(jí)XC3，鋼筋總量約2 100 t，理論混凝土量9 237 m3。采用斜向推移法進(jìn)行一次整體澆筑施工。施工時(shí)間為2009年10月26日，澆筑持續(xù)時(shí)間為85 h50 min。同時(shí)，對混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測頻率為：混凝土澆筑階段、升溫階段1 h一次，降溫階段2 h一次，21 d后4 h一次。本次測溫探頭共布置98個(gè)，監(jiān)測到的最高中心溫度為69.2 ℃。養(yǎng)護(hù)1個(gè)月后組織相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場檢查，并未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，混凝土表觀質(zhì)量良好?，F(xiàn)具體介紹該混凝土從配合比設(shè)計(jì)到生產(chǎn)各個(gè)階段實(shí)施措施。

2.1.1 原材料和配合比的設(shè)計(jì)原則

為了降低混凝土中心最高溫度，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用了中低熱、28 d強(qiáng)度高達(dá)65 MPa的硅酸鹽水泥；Ⅰ級(jí)F類粉煤灰；外加劑為高效新型聚羧酸外加劑，減水率≥25%，礦渣粉滿足S95級(jí)要求；骨料為核島負(fù)挖巖石母巖破碎而成。設(shè)計(jì)理念：在滿足強(qiáng)度、施工性能、耐久性要求前提下盡量降低水泥用量，并將預(yù)選的配合比進(jìn)行水化熱試驗(yàn)，選用最低者。配合比確定后進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證其強(qiáng)度、施工性、絕熱溫升等，為HRA大體積混凝土澆筑提供指導(dǎo)性技術(shù)參數(shù)。

2.1.2 模擬試驗(yàn)

經(jīng)過前期的混凝土試驗(yàn)（研究性試驗(yàn)，適用性試驗(yàn)和可行性試驗(yàn)），大體積混凝土模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表，見表1。初步確定幾個(gè)混凝土配合比，為了驗(yàn)證其用于大體積混凝土施工的可行性和取得混凝土中心溫度值，先后進(jìn)行了4次模擬試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)過程中混凝土可泵性及泵送流暢性、混凝土和易性、保坍性能及施工性、膠凝材料水化試驗(yàn)結(jié)果等綜合因素，最終確定用于HRA筏基大體積混凝土配合比，C40/50混凝土配合比，見表2。

2.1.3 混凝土生產(chǎn)控制措施

①原材料溫度控制。

為保證能夠生產(chǎn)出具有良好施工性能且出機(jī)溫度低的混凝土，首先應(yīng)從混凝土原材料進(jìn)場、存儲(chǔ)及使用上均進(jìn)行嚴(yán)格把控，杜絕使用不合格混凝土原材料生產(chǎn)混凝土。

水泥：保證水泥使用時(shí)溫度低于50 ℃。

骨料：根據(jù)不同粒徑和種類，采用專用的存儲(chǔ)倉分區(qū)存儲(chǔ)，并采取遮陽措施和保證環(huán)境通風(fēng)，避免骨料在烈日下暴曬，保證溫度穩(wěn)定，同時(shí)達(dá)到控制和穩(wěn)定骨料含水率的目的。為生產(chǎn)階段加冰量留出較大余量。

外加劑：作為改善混凝土性能的重要組成成分之一，其質(zhì)量變化將會(huì)對混凝土性能產(chǎn)生重大影響。故需對外加劑進(jìn)場和存儲(chǔ)進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免外加劑變質(zhì)影響使用。

②混凝土生產(chǎn)階段溫度控制。

混凝土攪拌時(shí)，攪拌用水為4 ℃以下冷水和適量冰屑混合成的冰水混合物，加冰量宜盡量控制混凝土具有較低出機(jī)溫度，具體加冰量根據(jù)氣溫狀況調(diào)整，但不超過實(shí)際加水量的85%， 具體用量根據(jù)下列公式計(jì)算確定：

③運(yùn)輸階段溫度控制。

采用帶自轉(zhuǎn)滾筒式混凝土罐車運(yùn)輸，最大裝載量為9 m3，罐車滾筒外壁包裹隔熱保溫材料，同時(shí)選擇合適路線，盡量縮短運(yùn)輸時(shí)間，避免受環(huán)境影響造成溫度升高。

2.1.4 混凝土施工

①泵管保溫。

泵送澆筑時(shí)，高溫時(shí)段（一般在9：00～17：00）需用泡沫管包裹垂直和斜向泵送管，用冰套管包裹水平段泵送管，并在冰套管外加一層泡沫保溫管，以降低高溫環(huán)境在泵送澆筑時(shí)對混凝土溫度造成影響，冰套管內(nèi)冰完全融化時(shí)應(yīng)及時(shí)更換套管內(nèi)的冰屑，根據(jù)天氣情況及時(shí)換冰。

②現(xiàn)場保溫。

提前將裝有冰屑的編織袋，按照一定的間隔放置在施工范圍內(nèi)，以降低施工環(huán)境溫度，施工前現(xiàn)場應(yīng)灑水充分潤濕，但須保證混凝土澆筑時(shí)基層無積水?，F(xiàn)場為避免陽光直接照射，施工前在鋼筋上鋪帆布遮陽，隨施工進(jìn)度逐步揭開。

③布料和振搗。

根據(jù)混凝土澆筑速度以及初凝時(shí)間估算混凝土沿澆筑方向設(shè)置澆筑帶，合理布置混凝土布料機(jī)工作區(qū)域，以保證混凝土施工連續(xù)性，避免形成冷縫。并采用斜向推移法布料施工，嚴(yán)格控制混凝土的流動(dòng)范圍，布料厚度≤40 cm，最頂層的布料厚度控制在20 cm?；炷琳駬v以其表面呈水平不再顯著下沉，表面泛漿穩(wěn)定，無氣泡冒出。每個(gè)振搗點(diǎn)依次振搗，避免漏振和少振現(xiàn)象情況發(fā)生。為保證混凝土的密實(shí)和拆模后的混凝土表觀質(zhì)量必須進(jìn)行二次振搗，即在靠近模板邊和筏基表面混凝土初凝前進(jìn)行二次振搗，時(shí)間控制在一次振搗完成后約2 h內(nèi)。

2.1.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)方法采用保溫保濕法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，同時(shí)搭設(shè)防風(fēng)保溫棚（混凝土澆筑48 h內(nèi)必須搭設(shè)完成），為調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度和提供內(nèi)部照明，在棚的內(nèi)部安裝有碘鎢燈。養(yǎng)護(hù)時(shí)間根據(jù)降溫速率和混凝土里表溫差確定。其中，混凝土上表面養(yǎng)護(hù)覆蓋麻袋片和土工布（厚度根據(jù)降溫情況確定），帶模養(yǎng)護(hù)部分在模板外側(cè)增加和固定保溫層，必要時(shí)安裝水管進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。部分位置養(yǎng)護(hù)水無法覆蓋時(shí)，需采用人工方式加水保濕。加水以濕潤保濕層為原則，不可表面積水。

2.1.6 筏基混凝土的監(jiān)控

升溫階段為澆筑完成之后3 d以內(nèi)，混凝土內(nèi)部各測溫點(diǎn)總體處于升溫階段，故必須做好保溫保濕養(yǎng)護(hù)工作；降溫初期為進(jìn)入降溫階段的10 d以內(nèi)，應(yīng)保證混凝土內(nèi)外溫差≤25 ℃的前提下，逐漸減少中心區(qū)表面的覆蓋，提高中心降溫速率，但降溫速率不大于2.5 ℃/d；降溫后期為養(yǎng)護(hù)的最后一個(gè)階段，應(yīng)加強(qiáng)中心區(qū)的散熱速度，并控制內(nèi)外溫差≤25 ℃。

2.2 取得的效果

隨著混凝土齡期延長，其強(qiáng)度不斷增加，抗裂能力也隨之不斷增強(qiáng)。根據(jù)混凝土養(yǎng)護(hù)過程中溫度變化，在監(jiān)測過程按照雙控原則，即應(yīng)變控制和應(yīng)力控制，以便實(shí)時(shí)觀測混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變變化情況和表觀質(zhì)量，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施。

3 DEF反應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證HRA筏基大體積混凝土施工時(shí)混凝土內(nèi)部是否產(chǎn)生DEF反應(yīng)，采用法國LCPC試驗(yàn)方法進(jìn)行同步驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 混凝土的熱處理制度和干濕循環(huán)處理制度

按照要求制定試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?，依?jù)法國LCPC試驗(yàn)方法和采用施工現(xiàn)場的已有現(xiàn)場大體積混凝土澆筑模擬試驗(yàn)的溫度曲線，制定C40/50混凝土的熱處理制度和干濕循環(huán)制度（環(huán)境要求：

①在（38±2） ℃、濕度< 30 %的環(huán)境室對試件干燥7 d。

②（20±2） ℃的溫度下水中浸泡7 d，對于每個(gè)試件，操作者須保證容器中水位令試件完全浸泡）。

其中，C40/50混凝土熱處理最高恒溫溫度為70 ℃、75 ℃、80 ℃。

3.2 動(dòng)彈性模量測試

當(dāng)材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，會(huì)影響通過材料的聲波，使其發(fā)生變化。材料的動(dòng)彈性模量通過脈沖速度或共振頻率來測量。當(dāng)其他的條件都相同時(shí)，如果材料的動(dòng)彈性模量發(fā)生較大的變化，反應(yīng)出材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。當(dāng)拉伸應(yīng)力超過

了材料的抗拉強(qiáng)度，膨脹或者破壞就會(huì)發(fā)生。當(dāng)材料中有裂紋或者微裂紋存在時(shí)，就會(huì)阻礙聲波的直線傳播，使得動(dòng)彈性模量減小。故本實(shí)驗(yàn)通過測量試樣的動(dòng)彈性模量用來研究混凝土中DEF誘導(dǎo)膨脹對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞作用。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

混凝土DEF試驗(yàn)各階段數(shù)據(jù)曲線如圖1所示，變形值見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，所有混凝土試件的質(zhì)量與動(dòng)彈性模量在干濕循環(huán)階段震蕩式波動(dòng)明顯，隨后二者隨著試驗(yàn)周期的延長均緩慢增加，動(dòng)彈性模量持續(xù)緩慢的增加表明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越致密，無內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷破壞發(fā)生。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)論

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

用于試驗(yàn)的C40/50在內(nèi)部溫度（70～80 ℃）條件下， 4個(gè)試件的總平均縱向變形率的波動(dòng)范圍為0.002375%～0.0031875%。上述變形率均小于0.04%，且在12個(gè)月內(nèi)任一試件的縱向變形率不超過0.06%。從第3月開始測量，4個(gè)試件的月平均縱向變形伸展率變差的波動(dòng)范圍為0.001687%～0.003813%，數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.004%。質(zhì)量、動(dòng)彈性模量持續(xù)緩慢的增加表明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越致密，無內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷破壞發(fā)生。即延遲鈣礬石對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞作用并未發(fā)生或未產(chǎn)生影響。

總之，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及LCPC的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該工程C40混凝土沒有發(fā)生延遲鈣礬石（DEF）生成的可能性。

4 DEF反應(yīng)預(yù)防和控制措施

綜合該筏基混凝土施工的成功經(jīng)驗(yàn)，通過控制混凝土中心最高溫度和降溫速率來控制DEF反應(yīng)的發(fā)生，其效果明顯，使大體積混凝土施工質(zhì)量得到提高，大大減少了后期混凝土裂縫等缺陷的修補(bǔ)成本。為有效控制大體積混凝土DEF反應(yīng)的發(fā)生，建議具體預(yù)防和控制措施有以下幾個(gè)方面。

4.1 原材料要求

在滿足相關(guān)技術(shù)要求和大體積混凝土特殊要求的情況下，盡量使用低水化熱水泥，同時(shí)嚴(yán)格控制水泥堿含量。選擇優(yōu)質(zhì)骨料，不得使用發(fā)生或具有潛在堿集料反應(yīng)的骨料，同時(shí)應(yīng)檢查Al2O3和SO3含量。所有使用的外加劑和摻和料均應(yīng)嚴(yán)格控制有害物質(zhì)。嚴(yán)格控制進(jìn)場原材料質(zhì)量。

4.2 配合比

在滿足混凝土強(qiáng)度性能，施工性能以及耐久性等要求時(shí)，應(yīng)盡可能降低水泥用量，摻加如礦渣粉、粉煤灰等代替部分水泥，并控制水膠比，選擇合理骨料級(jí)配和砂率，并使用高性能外加劑，降低單方混凝土用水量。

4.3 混凝土生產(chǎn)和運(yùn)輸

4.3.1 原材料

對所有原材料進(jìn)行分別存儲(chǔ)，避免陽光直曬，特別是對水泥和骨料，必要時(shí)候?qū)λ啻鎯?chǔ)罐設(shè)置冷卻循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，保證水泥在使用時(shí)溫度低于50 ℃，骨料存儲(chǔ)必須有遮陽措施，并保證通風(fēng)，降低骨料含水率并使其保持穩(wěn)定。

4.3.2 拌和水

采用冷水進(jìn)行混凝土生產(chǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度較高（一般超過30 ℃時(shí)），加入冰屑，以控制混凝土具有較低的出機(jī)溫度?；炷脸鰴C(jī)溫度≤30 ℃，一般以25 ℃作為內(nèi)控值。

4.3.3 混凝土生產(chǎn)

嚴(yán)格控制混凝土各原材料稱量誤差，選擇合理的攪拌工藝，如投料順序和攪拌時(shí)間。

4.3.4 運(yùn)輸

對混凝土運(yùn)輸車，應(yīng)在滾筒外部包裹保溫材料，同時(shí)選擇最優(yōu)運(yùn)輸路線，避免混凝土運(yùn)輸過程中混凝土溫度升高。

4.4 混凝土施工

4.4.1 選擇合適的施工方案

選擇合理的施工方案，包括振搗時(shí)間、布料厚度和高度、澆筑方向等。

入模溫度不得高于30 ℃。采用泵送施工時(shí)，對泵管進(jìn)行裹冰并加保溫套處理，盡量降低混凝土泵送過程中溫度升高；混凝土澆筑前，現(xiàn)場應(yīng)提前用編織袋裝冰屑，在施工范圍內(nèi)間隔一定距離分散放置，同時(shí)在鋼筋上鋪帆布遮陽（隨施工進(jìn)度逐步揭開），以降低施工環(huán)境溫度。

二次振搗，以增加混凝土密實(shí)度，減少內(nèi)部孔隙，降低內(nèi)部毛細(xì)管作用。

4.4.2 溫度監(jiān)測和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

在混凝土內(nèi)部埋設(shè)測溫探頭和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，制定溫度監(jiān)測時(shí)間表，并按照要求進(jìn)行監(jiān)測。并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施，以控制里表溫差和降溫速率。

4.4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑施工后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，要求整個(gè)澆筑體完整，不得出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)盲區(qū)。必要時(shí)候設(shè)置保溫棚（要求澆筑完成48 h內(nèi)搭設(shè)完成），并在棚內(nèi)設(shè)置碘鎢燈，以便控制混凝土的降溫速率和里表溫差。

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