堿礦渣混凝土在重慶建科大廈中的施工應(yīng)用

祝斌，潘群

（1中國建筑第八工程局有限公司西南分公司，四川成都 610093；2重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016）

水泥混凝土是現(xiàn)代土木工程建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，水泥的大量生產(chǎn)和應(yīng)用有力地促進(jìn)了現(xiàn)代社會物質(zhì)文明，同時(shí)也給社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展帶來了沉重的資源、能源和環(huán)境負(fù)擔(dān)。堿礦渣膠凝材料的生產(chǎn)克服了傳統(tǒng)水泥高溫煅燒熟料高能耗的工藝問題，實(shí)現(xiàn)了膠凝材料由“兩磨一燒”工藝向“一磨”工藝轉(zhuǎn)變的重大變革[1-4]。從技術(shù)性能的角度，堿礦渣膠凝材料是一種新型高性能膠凝材料，能部分替代水泥，也能用于有特殊要求的場合；從制備工藝的角度，其生產(chǎn)過程采用的是一種清潔、高效、低能耗的先進(jìn)生產(chǎn)方式。因此，開發(fā)堿礦渣膠凝材料是促進(jìn)我國水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理想選擇。

堿礦渣膠凝材料在我國的研究有近30年歷史[5]，其研究開發(fā)具有重要資源、能源和環(huán)境效益，雖然該材料具有一系列技術(shù)優(yōu)越性，但由于其凝結(jié)硬化快、干燥收縮大，施工過程難以控制，嚴(yán)重制約了該材料的工程應(yīng)用[6]。

為了進(jìn)一步推動堿礦渣膠凝材料及混凝土的研究與應(yīng)用，由重慶市建筑科學(xué)研究院、重慶大學(xué)與烏克蘭基輔國立建筑大學(xué)共同承擔(dān)了科技部國際合作項(xiàng)目。通過國際合作，項(xiàng)目組在堿礦渣膠凝材料及混凝土緩凝[7-8]、塑化[9-11]和收縮控制[12-14]等關(guān)鍵技術(shù)研究上取得了創(chuàng)新性成果，建立了基于固態(tài)分散相組成的堿礦渣混凝土配合比設(shè)計(jì)體系[15]，制定了國內(nèi)首個(gè)堿礦渣混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并首次將堿礦渣混凝土成功應(yīng)用于現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中，完成了堿礦渣混凝土示范工程“重慶建科大廈”主體結(jié)構(gòu)的澆筑。

1 工程簡介

重慶建科大廈工程位于重慶市渝中區(qū)長江二路221號（圖1）。在建場地內(nèi)主要建筑物為地上一棟23層高的辦公樓和7層高的實(shí)驗(yàn)樓，地下為4層車庫及設(shè)備用房。主體為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在該工程實(shí)驗(yàn)樓第五至七層水平及豎向結(jié)構(gòu)中采用堿礦渣混凝土進(jìn)行澆筑，該工程中的堿礦渣混凝土用量約550m3，建設(shè)面積達(dá)2000 m2。

圖1 堿礦渣混凝土示范工程示意圖

為保證堿礦渣混凝土生產(chǎn)和施工質(zhì)量，規(guī)范堿礦渣混凝土的生產(chǎn)和施工過程，討論確定采用現(xiàn)場拌制、現(xiàn)場澆筑的施工方法完成示范工程的建設(shè)?，F(xiàn)場設(shè)置有實(shí)驗(yàn)室、膠凝材料堆放區(qū)、骨料堆放區(qū)、堿溶液儲存區(qū)、堿礦渣混凝土攪拌區(qū)及取樣作業(yè)區(qū)等。

2 設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與普通硅酸鹽混凝土不同，堿礦渣混凝土的堿組分是激發(fā)礦渣活性的核心組分，堿不僅提供高堿性環(huán)境，同時(shí)還參與水化，并進(jìn)入水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和高耐久性的類沸石礦物[16]。因此，一定量的堿是保證堿礦渣混凝土具有所需力學(xué)性能和耐久性能的前提，示范工程用堿礦渣混凝土的堿含量為膠凝材料總量的5%～6%。在堿礦渣混凝土體系中，高濃度OH-的極化作用使礦渣顆粒表面的Si-O鍵、Al-O鍵及Ca-O在短時(shí)間內(nèi)斷裂，生成大量低鈣硅比的C-S-H凝膠[17]，因此堿礦渣混凝土具有凝結(jié)硬化快，強(qiáng)度高，干燥收縮較大的特性。

根據(jù)該材料的特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分在滿足《堿礦渣混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DBJ50/T-205-2014、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的前提下加強(qiáng)了構(gòu)造措施的要求。同時(shí)為保證堿礦渣混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，確保工程使用壽命，除堿含量外，其他指標(biāo)符合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476的規(guī)定。

2.2混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)

為滿足設(shè)計(jì)和使用要求，示范工程用堿礦渣混凝土性能指標(biāo)如表1。

表1 堿礦渣混凝土性能指標(biāo)

3 施工

普通硅酸鹽混凝土主要水化產(chǎn)物為硅酸鈣和氫氧化鈣，而堿礦渣混凝土的水化產(chǎn)物是結(jié)晶度較差的含堿鋁硅酸鹽凝膠，相關(guān)研究表明[17]，由于析出的堿與空氣中的CO2反應(yīng)，堿礦渣混凝土經(jīng)常呈現(xiàn)泛堿現(xiàn)象；在干燥環(huán)境中，堿礦渣混凝土的干縮較大，甚至開裂并迅速碳化，而在潮濕的環(huán)境中碳化緩慢。因此，在施工過程中應(yīng)針對上述問題制定相應(yīng)的措施，保證堿礦渣混凝土的后期質(zhì)量。

3.1拌制

堿礦渣混凝土拌制前，將攪拌機(jī)裝料倉、攪拌倉清潔干凈，攪拌完畢或因故停歇1h以上，需將攪拌倉清洗干凈。每種材料上料前計(jì)量，計(jì)量偏差符合表2的規(guī)定。

表2 混凝土原材料計(jì)量允許偏差（單位：%）

示范工程采用兩臺500型強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制混凝土，一臺攪拌，一臺備用。每次攪拌0.5m3。先將水淬高爐礦渣粉、粗骨料、細(xì)骨料、摻合料和復(fù)合外加劑依次投入攪拌機(jī)中，干拌30s混合均勻后再加入堿溶液繼續(xù)攪拌，總攪拌時(shí)間不少于150s。堿礦渣混凝土拌制好后檢測坍落度及其和易性，每一工作班檢測兩次。堿礦渣膠凝材料的需水量相對較低，用其配制的混凝土拌合物粘度較大，為了保證拌合物質(zhì)量的穩(wěn)定性，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，同時(shí)適當(dāng)延長攪拌時(shí)間。

3.2運(yùn)輸

如前所述，堿礦渣混凝土凝結(jié)硬化快，示范工程采用吊斗運(yùn)輸，混凝土一個(gè)運(yùn)輸循環(huán)總計(jì)用時(shí)4～6min，可有效減少混凝土坍落度損失。堿礦渣混凝土中含有大量的堿，其拌合物與普通混凝土接觸會發(fā)生速凝，嚴(yán)重降低拌合物的施工操作性和結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量，因此混凝土拌合物需使用專用吊斗運(yùn)輸，不能與普通混凝土的運(yùn)輸?shù)醵坊煊谩?/p>

堿礦渣混凝土的活性與其液相料用量有關(guān)，需要嚴(yán)格控制，外加水或堿溶液會改變拌合物的配合比，顯著影響堿礦渣混凝土的性能，因此在施工過程中嚴(yán)禁加水或堿溶液拌合。

3.3澆筑振搗

混凝土澆筑過程控制環(huán)節(jié)多，需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)條文的規(guī)定執(zhí)行。澆筑前，對模板、支架、鋼筋和預(yù)埋件進(jìn)行檢查，符合要求后進(jìn)行澆筑；澆筑時(shí)，采取由遠(yuǎn)而近、逐步推進(jìn)的方式布料。當(dāng)澆筑構(gòu)件柱時(shí)，高度大于2m的澆注段使用串筒輔助；同一區(qū)域混凝土，按先豎向結(jié)構(gòu)后水平結(jié)構(gòu)的順序，分層連續(xù)澆筑；豎向結(jié)構(gòu)每層澆筑厚度300～500mm。

該工程中使用插入式振搗器振搗混凝土，振搗的間距不大于振動棒的振動作用半徑。連續(xù)多層澆筑時(shí)，振動棒插入下層拌合物約50～100mm，振搗延續(xù)時(shí)間控制在20～40s內(nèi)。當(dāng)不允許留施工縫時(shí)，區(qū)域之間、上下層之間的混凝土澆筑間歇時(shí)間控制在混凝土初凝時(shí)間內(nèi)。同時(shí)，堿礦渣混凝土澆筑過程中，拌合物內(nèi)不允許混入其它類型的水泥混凝土。

3.4施工縫

堿礦渣混凝土與普通混凝土之間的結(jié)合部位留置施工縫，先澆的部分初凝后，再進(jìn)行后續(xù)混凝土澆筑。在施工縫處繼續(xù)澆筑混凝土前確認(rèn)好以下工作：第一，已澆筑混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.2MPa以上；第二，已清除施工縫界面的水泥浮漿、松動石子以及軟弱混凝土層，并予以鑿毛；第三，用吸塵器清理后，用水先沖洗，然后用堿溶液充分潤濕界面，并清除殘留在混凝土表面的堿溶液；第四，在施工縫處涂刷一層厚度約5mm的堿礦渣水泥砂漿，其配合比與混凝土內(nèi)的砂漿成分相同。施工縫開始澆筑時(shí)，采取向施工縫處逐漸推進(jìn)的方式進(jìn)行機(jī)械振搗。

3.5養(yǎng)護(hù)

當(dāng)混凝土接近初凝時(shí)進(jìn)行二次抹壓，抹壓完畢后，及時(shí)進(jìn)行保濕覆蓋，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14d。柱、剪力墻等豎向構(gòu)件帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于3d，拆模后立即保濕養(yǎng)護(hù)。在保證堿礦渣混凝土構(gòu)件表面、棱角不因拆模而受損時(shí)拆除側(cè)模，拆模后應(yīng)予覆蓋，保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14d。

相關(guān)研究表明在相同失水量的條件下，堿礦渣混凝土早期失水引發(fā)的收縮大于同條件普通混凝土，及時(shí)覆蓋可以有效避免混凝土早期失水引起的較大收縮[18]；在混凝土達(dá)到初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)可以避免混凝土內(nèi)部的堿遷移至表面，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)泛堿，從而影響混凝土后期質(zhì)量；二次抹壓是對表面已有的塑性收縮微細(xì)裂縫和缺陷進(jìn)行及時(shí)封閉的處理措施，以免其發(fā)展擴(kuò)大。

為檢測堿礦渣混凝土強(qiáng)度發(fā)展變化情況，對現(xiàn)場留樣試件進(jìn)行分類養(yǎng)護(hù)：同條件養(yǎng)護(hù)試件的養(yǎng)護(hù)條件與實(shí)體結(jié)構(gòu)部位相同，標(biāo)識清晰；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)。

4 質(zhì)量檢驗(yàn)

4.1抽樣檢測

在示范工程施工過程中，原材料抽檢包括：水淬高爐礦渣粉、摻合料、砂、石、堿溶液、復(fù)合外加劑等；堿礦渣混凝土抽檢包括：拌合物性能 （坍落度、凝結(jié)時(shí)間），抗壓強(qiáng)度（3d、7d、28d），抽樣頻次按照 《堿礦渣混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DBJ50/T-205-2014執(zhí)行，并加大了抽樣密度。

4.2工作性能

示范工程現(xiàn)場澆筑堿礦渣混凝土從2014年12月初起至2015年2月初止，整個(gè)澆筑過程中平均溫度約10℃，最低溫度小于5℃；環(huán)境相對濕度40%～70%；澆筑過程中有4天小雨，其余多是陰天，太陽照射強(qiáng)度較低。在該環(huán)境條件下，堿礦渣混凝土施工過程中并未采取特殊的保溫措施，實(shí)踐表明堿礦渣混凝土具有較強(qiáng)的低溫適應(yīng)性（圖2、圖3）。

圖2 澆筑期間溫度變化情況

圖3 澆筑期間濕度變化情況

實(shí)施過程中，在攪拌機(jī)出料口觀測堿礦渣混凝土和易性，每班次檢測堿礦渣混凝土坍落度、凝結(jié)時(shí)間，確定混凝土性能是否滿足施工要求，發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)，及時(shí)調(diào)整配比。

混凝土拌合物坍落度（見圖4）測試值均滿足設(shè)計(jì)和施工要求，沒有出現(xiàn)異常點(diǎn)。同時(shí)，實(shí)地觀測表明混凝土拌合物的粘聚性和保水性良好，較好地滿足了混凝土現(xiàn)場施工的要求。

圖4 拌合物坍落度

堿礦渣混凝土凝結(jié)時(shí)間測試結(jié)果見圖5。如圖5所示，拌合物初凝時(shí)間6～9h，終凝時(shí)間不大于12h。該次施工處于冬季，氣溫較低，一定程度上導(dǎo)致堿礦渣混凝土凝結(jié)時(shí)間略長。

4.3抗壓強(qiáng)度

在混凝土的澆筑點(diǎn)隨機(jī)抽取混凝土強(qiáng)度試樣，每次取樣不少于9組，三分之一標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，三分之二同條件養(yǎng)護(hù)?；炷猎嚰牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度測試按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081的規(guī)定執(zhí)行，測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 拌合物凝結(jié)時(shí)間

圖6 堿礦渣混凝土強(qiáng)度

數(shù)據(jù)表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件28d抗壓強(qiáng)度值不小于58.4MPa，相比而言，同條件養(yǎng)護(hù)混凝土28d抗壓強(qiáng)度較低，最小值為50.2 MPa。此外，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下，強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差平均值僅為2.5 MPa，明顯低于同條件養(yǎng)護(hù)情況下的標(biāo)準(zhǔn)差（平均值為3.5MPa）?？箟簭?qiáng)度特征變化主要原因有：首先，同條件養(yǎng)護(hù)的溫度、濕度（見圖2、圖3）與標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)（溫度20±2℃，相對濕度不小于95%）差異較大，較低的溫度和濕度必然導(dǎo)致強(qiáng)度發(fā)展較慢，同時(shí)增大了數(shù)據(jù)波動性；其次，為滿足施工要求，在實(shí)施過程中，根據(jù)原材料質(zhì)量和性能略微調(diào)整了混凝土配合比，對其抗壓強(qiáng)度有一定影響。

根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50204的規(guī)定，示范工程同條件養(yǎng)護(hù)試件的等效養(yǎng)護(hù)齡期為按日平均溫度逐日累計(jì)達(dá)到600℃·d時(shí)所對應(yīng)的齡期；同條件養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度代表值，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》GBJ 107的規(guī)定確定后乘折算系數(shù)取用，折算系數(shù)取值為1.10。所得結(jié)果換算為同條件養(yǎng)護(hù)600℃·d/28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度比最小為97%，最大達(dá)到108%，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)要求。

4.4實(shí)體結(jié)構(gòu)

為了檢測與監(jiān)測堿礦渣混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)在使用過程中的力學(xué)性能、長期和耐久性能變化，示范工程建設(shè)過程中，在重要部位預(yù)埋感應(yīng)片，以方便后期監(jiān)測與研究。

示范工程建設(shè)在達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求后，項(xiàng)目組組織了專家及相關(guān)單位進(jìn)行了實(shí)地考察與檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞、蜂窩、麻面等外觀質(zhì)量缺陷和嚴(yán)重的收縮裂縫問題，且重慶建科大廈已于2016年底完成裝修正式投入使用（圖7）。

圖7 堿礦渣混凝土示范工程實(shí)體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

與普通水泥混凝土相比，堿礦渣混凝土生產(chǎn)工藝簡單、能耗低、投資省、生產(chǎn)過程排放的溫室氣體少、能有效利用工業(yè)副產(chǎn)品，同時(shí)具有早強(qiáng)、快硬、高強(qiáng)和良好的護(hù)筋性能、高抗侵蝕性及抗凍性等優(yōu)良性能，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ慕ㄖY(jié)構(gòu)材料，其開發(fā)利用具有良好的資源和能源價(jià)值。

堿礦渣混凝土在重慶建科大廈中的成功應(yīng)用，為制定國家級堿礦渣混凝土系列標(biāo)準(zhǔn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為堿礦渣混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，是一次十分重要的科研實(shí)踐。