低溫升抗裂高性能混凝土的研究與應(yīng)用

馬龍，何偉杰，陳彬，桑錦明，馬昊，涂家?guī)?/p>

(1.江蘇省送變電有限公司， 江蘇 南京 212400； 2.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

近年來，江蘇省送變電基礎(chǔ)工程發(fā)展迅速，現(xiàn)有的4條500千伏北電南送線路負(fù)荷過大，調(diào)度運(yùn)維壓力大．為增強(qiáng)江蘇電網(wǎng)跨江運(yùn)送能力，需新建設(shè)一條跨越長(zhǎng)江的送變電線路工程，這對(duì)蘇北蘇中地區(qū)能源送出，助力蘇南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要意義．鳳城-梅里長(zhǎng)江大跨越線路從南至北分別連接了新橋鎮(zhèn)和利港鎮(zhèn)．此工程量巨大，兩基跨越塔總重合計(jì)約13 000 t，填充混凝土合計(jì)約4 600 m3，灌注高度214 m．南北跨越塔灌注樁混凝土方量合計(jì)約16 300 m3,其中灌注樁單樁最長(zhǎng)達(dá)65 m，為同類型工程之最．承臺(tái)混凝土方量合計(jì)約8 500 m3,單個(gè)承臺(tái)方量近1 000 m3．大結(jié)構(gòu)砼具有較低的平均導(dǎo)熱系數(shù)，其結(jié)構(gòu)中心部位在水化中釋放的熱量無法短時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)到外部.此時(shí)內(nèi)部溫度相對(duì)外界較高，砼的各部位受熱膨脹不均勻，一旦因溫度上升引起的拉應(yīng)力超過最大抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在其中產(chǎn)生溫度裂縫[1].因此，為減少膠凝材料體系的放熱，本研究擬采用密實(shí)骨架堆積法設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比以減少膠凝材料用量，從而達(dá)到大體積砼低溫升、抗裂的目的．

1 試驗(yàn)原材料

水泥：采用無錫龍鑾早強(qiáng)型水泥，實(shí)測(cè)比表面積為359 m2/kg，28天強(qiáng)度達(dá)到55.7 MPa；

粉煤灰：鹽城市中沁河環(huán)保科技公司I級(jí)灰，實(shí)測(cè)需水量比為91%，細(xì)度為4.7%(篩余)，密度為2 908 kg/m3；

礦粉：荊州市萬山環(huán)保材料有限公司S95級(jí)，實(shí)測(cè)比表面積為419 m2/kg，流動(dòng)度比為97.5%，7天活性指數(shù)為80%，28天活性指數(shù)為103%，密度為2 899 kg/m3；

砂：隨州天然河沙砂，細(xì)度模數(shù)2.7～3.0，表觀密度為2 635 kg/m3；

石：河南鄭州4～26 mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值≤15%，表觀密度為2 645 kg/m3；

減水劑：河南鄭州TJE-200和河南東晟化工HIHI-500聚羧酸減水劑.

2 低溫升抗裂混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原理本研究通過采取密實(shí)骨架堆積法進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)[7]，力求在滿足各項(xiàng)基本要求的前提下，盡可能地減少水泥及活性礦物的摻量，即使砼的強(qiáng)度滿足相應(yīng)工程要求，同時(shí)又達(dá)到砼低溫升的效果，這是制備抗裂大體積砼最主要的兩個(gè)條件．

采取此原理進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先不斷地改變粉煤灰與砂的混合比例，記錄并得到混合物在每立方米下的最大質(zhì)量和混合比例；接著控制上述粉煤灰與砂的比例不變并將其與碎石混合，尋找出三者在每立方米下的最大質(zhì)量，進(jìn)一步根據(jù)相關(guān)公式可算出空隙率Vv及潤滑漿量，最后為提高砼質(zhì)量，還需根據(jù)實(shí)際情況確定水膠比[2].

2.2α、β、Uw、N的確定以及集料質(zhì)量校正圖1和圖2為擬合的二次曲線圖，其中圖1橫坐標(biāo)為堆積系數(shù)α，縱坐標(biāo)為堆積密度，進(jìn)行計(jì)算可得，當(dāng)α=14.9%時(shí)Uw最大為1 788.2 kg/m3.然后將確定好比例的粉煤灰與砂混合物填充石子可得到圖2．圖2橫坐標(biāo)為堆積系數(shù)β，同樣計(jì)算可得當(dāng)β=41.2%時(shí)Uw最大為2 187 kg/m3，即粉煤灰，砂，石子三者最大單位重為2 187 kg．α、β以及三者最大單位重新確定好后即可求得wf、ws、wa的數(shù)值．

圖1 粉煤灰+砂密實(shí)填充曲線

圖2 粉煤灰+砂+碎石密實(shí)填充曲線

水泥漿體不但要填補(bǔ)空隙還要起著潤滑的作用，因此需要放大.放大倍數(shù)N值的確定一般與混凝土工作性有關(guān)，通常將其取為1.2，可使?jié){體具有較好的包裹性．則集料需做如下調(diào)整：

Ws1=Vagg/(1/γs+(1-β)/(γaβ(1-α))+α/(γf(1-α)))，

Wa1=(1-β)Ws1/(β(1-α))，

Wf1=αWs1/(1-α).

其中，wa、ws、wf分別為碎石、河砂、粉煤灰的質(zhì)量；α、β分別為“粉煤灰+河砂”及“粉煤灰+河砂+碎石”的致密堆積系數(shù)；γa、γs、γf分別為碎石、河砂、粉煤灰的表觀密度；N指水泥漿質(zhì)量放大倍數(shù)；Ws1,Wa1,Wf1分別為調(diào)整后砂，粗骨料，粉煤灰的質(zhì)量；Vagg指集料的總體積.

2.3 密實(shí)骨架基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)承臺(tái)、立柱、連梁混凝土等級(jí)為C35，通過上述計(jì)算可確定其中碎石、河砂及粉煤灰的使用量，但在實(shí)際工程中還需對(duì)配合比做出各項(xiàng)調(diào)整才能滿足相應(yīng)工程要求，為增大混凝土強(qiáng)度，摻合料中又采用了部分礦粉，最后確定的基準(zhǔn)配合比如下表1所示.

表1 C35抗裂高性能混凝基準(zhǔn)配合比 kg/m3

3 性能研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)于大體積砼而言水泥用量太大，水化溫升將過高，強(qiáng)度富余則過剩，故可在大體積砼中摻入適量的活性摻和料取代水泥，以降低水泥的使用量，達(dá)到低溫升的效果．同時(shí)，還可以加入適宜的外加劑，使其改善大體積砼水化放熱的現(xiàn)狀，達(dá)到緩凝的效果，所以本研究會(huì)進(jìn)一步探究外加劑對(duì)大體積砼的影響，并篩選出優(yōu)質(zhì)的外加劑，以保證大體積砼的力學(xué)性能和熱學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)效果．

3.1 大體積混凝土膠凝材料體系優(yōu)化根據(jù)基本原理得出的基準(zhǔn)配合比不但要在強(qiáng)度上滿足工程要求，還要能最大幅度的降低絕熱溫升，因此需要對(duì)各摻和料的使用比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整后的配合比如表2所示.

表2 大體積混凝土調(diào)整配合比 kg/m3

由表3中的砼物理性能試驗(yàn)結(jié)果可知，配合比1和5中水泥的用量較低，對(duì)應(yīng)的28 d和60 d的強(qiáng)度數(shù)值相對(duì)其他組均較低，不滿足本工程對(duì)砼富余強(qiáng)度的要求，在膠凝材料總量保持恒定時(shí)，隨著其中水泥比例增加，砼的力學(xué)性能明顯改善，這是因?yàn)樗嗍琼旁缙趶?qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者，當(dāng)其用量較低時(shí)，砼的早期強(qiáng)度劣化明顯，同時(shí)漿體體系中的Ca(OH)2含量也會(huì)大程度得降低，這會(huì)在一定程度上影響具有火山灰活性的礦物摻和料的二次水化進(jìn)程，使得后期強(qiáng)度亦無法出現(xiàn)大幅提高[4].由表3數(shù)據(jù)可知，兩種品牌的減水劑對(duì)砼力學(xué)性和工作性影響差別不大．

表3 混凝土的物理性能

由于膠凝材料總量一定的條件下，水泥摻量越低，則膠凝材料水化反應(yīng)后的放熱量愈低，在針對(duì)大體積砼配合比設(shè)計(jì)過程中，為盡可能降低高溫開裂風(fēng)險(xiǎn)，在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求的條件下，應(yīng)當(dāng)盡可能降低水泥的用量，故出于各方面的綜合考慮選擇配合比3和7進(jìn)行下一步外加劑的優(yōu)化工作.

3.2 大體積混凝土外加劑優(yōu)化對(duì)于大工程而言，由于其施工規(guī)模較大，每次澆筑總量較多，施工時(shí)間較長(zhǎng)易出現(xiàn)冷縫，所以對(duì)砼的凝結(jié)時(shí)間有較為嚴(yán)格的要求．同時(shí)，對(duì)大體積砼來說，凝結(jié)時(shí)間也反映了其水化放熱的速度，倘若大體積砼的散熱性能較差，則容易在較短的時(shí)間內(nèi)積聚較多的熱量，開裂隱患較大，所以在制備流程中需重視砼的緩凝時(shí)間[5].

表4為改變外加劑的種類和外摻總量來研究其對(duì)大體積砼緩凝時(shí)間的影響，最后對(duì)外加劑進(jìn)行優(yōu)選．

表4 外加劑對(duì)混凝土緩凝時(shí)間的影響

由表4數(shù)據(jù)可知，隨著HIHI-500和TJE-200兩種減水劑摻量的增大，砼的凝結(jié)時(shí)間有較為明顯的延長(zhǎng)趨勢(shì)，但是砼的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)．這是因?yàn)榫埕人釡p水劑中的官能團(tuán)可發(fā)揮空間位阻和靜電斥力的作用，可降低水泥的水化反應(yīng)進(jìn)程，因此，外加劑摻量需適中否則對(duì)砼強(qiáng)度劣化明顯[6].

欲使砼的緩凝效果和強(qiáng)度同時(shí)合格，需選擇合適的外加劑摻量.由數(shù)據(jù)可知，當(dāng)TJE-200摻量為2%時(shí)，其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.8 MPa和41.4 MPa，為同類型最大強(qiáng)度；當(dāng)HIHI-500摻量為2.1%時(shí)，砼的7 d和28 d強(qiáng)度最大分別為29.4 MPa和41.6 MPa．保持兩種減水劑摻量相同，可發(fā)現(xiàn)，TJE-200的凝結(jié)延時(shí)效果要優(yōu)于HIHI-500，無論是初凝還是終凝時(shí)間都有較好的延長(zhǎng)效果；比較TJE-200和HIHI-500的初終凝時(shí)間間隔發(fā)現(xiàn)，TJE-200的時(shí)間間隔在19～23 h左右，而HIHI-500在14～18 h左右，這說明TJE-200的緩凝效果更好.同時(shí)對(duì)比兩種外加劑對(duì)砼的強(qiáng)度影響可知，影響差別很小，故為了改善放熱特性，抑制溫度應(yīng)力，優(yōu)選TJE-200在摻量為2%時(shí)為最佳摻量．

3.3 配合比確定及性能檢驗(yàn)綜合上述分析，在保證強(qiáng)度要求的前提下盡可能減少大體積砼放熱的原則下，可最終確定C35低溫升抗裂大體積混凝土配合比，如表5所示．

表5 C35低溫升抗裂高性能混凝土配合比 kg/m3

表6為最終配合比所制得的砼早期抗裂性檢驗(yàn)，參考《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》.由試驗(yàn)結(jié)果可知低溫升抗裂高性能混凝土的初裂時(shí)間明顯較晚，裂縫最大寬度僅為0.55 mm，抗裂等級(jí)達(dá)到了最高Ⅴ級(jí)，具有優(yōu)秀的抗裂性能．

表6 混凝土早期開裂試驗(yàn)結(jié)果

圖3是在某路段應(yīng)用本文中C35混凝土后實(shí)時(shí)測(cè)得溫升數(shù)據(jù)，其中最高溫度為41.8 ℃，最大內(nèi)外溫差為18.3 ℃，滿足相應(yīng)大體積混凝土施工規(guī)范．

圖3 某路段大體積混凝土溫度實(shí)測(cè)

4 工程應(yīng)用

將優(yōu)化后大體積混凝土配合比應(yīng)用于江蘇鳳城-梅里500千伏線路工程跨越塔大體積承臺(tái)混凝土施工中，如圖4．已施工部位養(yǎng)護(hù)混凝土的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，養(yǎng)護(hù)期間，該承臺(tái)里表溫差最大為21.5 ℃，滿足溫控要求．在經(jīng)濟(jì)效益方面，取消普遍采用的布設(shè)冷卻水管通冷卻水的溫控措施，單基承臺(tái)基礎(chǔ)施工下節(jié)約近20萬元(含冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、無線流量控制系統(tǒng)及人工等費(fèi)用，如表7)．因此制備的低溫升抗裂C35大體積混凝土，不僅滿足要求，避免有害裂縫，而且對(duì)多部位同時(shí)施工能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益．

圖4 承臺(tái)施工實(shí)況

表7 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)施工費(fèi)用表