溫控型抗裂劑在某濱海項目大體積混凝土中的應用

劉志軍,武春陽,高 瑩,李興躍,朱國軍

(1.中交建筑集團第二工程有限公司,南昌 330013;2.武漢三源特種建材有限責任公司,武漢 430083)

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,混凝土高耐久配制技術(shù)越來越得到重視。混凝土性能的優(yōu)劣直接影響建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命[1]。此外,建筑結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境也影響混凝土的使用年限,惡劣的服役環(huán)境更易造成混凝土的劣化,尤其是濱海地區(qū),水中的腐蝕性離子以及水位的干濕交替,對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性提出了更高的要求[2]。目前針對混凝土的耐久性研究主要集中在混凝土的補償收縮以及溫升調(diào)控上,吳中偉院士指出加入一定量的膨脹劑可以減免混凝土的內(nèi)部裂縫;日本于20世紀90年代研制出了抑制水化熱的“電化CSA100R”[3],我國近幾年針對混凝土的溫升調(diào)控也開展了大量的研究[4,5]。此外,混凝土結(jié)構(gòu)的有限元建模分析也越來越多地應用在工程建設(shè)中[6,7],可以較好的模擬整個施工過程,得到混凝土結(jié)構(gòu)溫度場、應力場、裂縫系數(shù)分布及變化的仿真分析結(jié)果。

以青島人工智能產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)為研究對象,通過采用溫控型抗裂劑實現(xiàn)混凝土的補償收縮和溫升調(diào)控,來預防混凝土的開裂,借助有限元分析軟件MIDAS FEA,進行空白模型和采用溫控型抗裂劑模型的溫度、開裂風險分析,并對實際工程進行鉆芯取樣,測試實體混凝土的耐久性能,為濱海地區(qū)高耐久混凝土的制備提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥:淄博魯中水泥有限公司提供的PO 42.5水泥;粉煤灰:華電萊州發(fā)電有限公司的F類Ⅱ級灰;粗骨料:5～25 mm連續(xù)級配碎石;細骨料:Ⅱ區(qū)中砂,細度模數(shù)2.6;減水劑:江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的聚羧酸系減水劑,減水率21%;溫控型抗裂劑(WKM):武漢三源特種建材有限責任公司提供;水為自來水。

1.2 溫控型抗裂劑作用機理

溫控型抗裂劑由溫控組分、膨脹組分以及活性礦物組分按一定比例混合而成。

溫控機理:溫控組分中的可溶組分含有羥基,可吸附在水泥表面,調(diào)控水泥的誘導期和加速期水化速度,微溶組分在水泥溶液創(chuàng)造出的堿性條件下,可以逐步溶解-吸附于水泥顆粒表面,抑制水泥顆粒中C3S的1～2 d的水化速率,從而抑制水泥加速期和減速期的水化。圖1為空白組(純水泥)與試驗組(水泥∶溫控型抗裂劑=7∶3)的凈漿放熱速率。由圖1可以看出,試驗組3 d、7 d的水化放熱量分別降低了41.8%和30.7%。

膨脹機理:膨脹組分主要為輕燒MgO。MgO是采用菱鎂礦通過回轉(zhuǎn)窯煅燒而成,是根據(jù)煅燒溫度的不同制備出的不同活性的MgO材料。MgO在水中可水化生成Mg(OH)2,使固相體積增大118%。MgO具有延遲水化的特性,常溫下活性低,溫度高于40 ℃時,活性得以激發(fā),這種水化特性可以更好地儲存產(chǎn)生的膨脹能,補償降溫階段的溫度收縮。

2 有限元分析

2.1 模型建立

選取地下筏板基礎(chǔ)進行建模,筏板尺寸為50 m×50 m×1.8 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性,建立1/4有限元模型,如圖2所示。

2.2 參數(shù)確定

筏板采用C40混凝土,空白組與試驗組的混凝土配合比見表1,溫控型抗裂劑摻量為膠凝材料總量的10%,替換部分粉煤灰。材料特性值見表2。

表1 混凝土配合比 /(kg·m-3)

表2 材料特性值

設(shè)置三種邊界條件。1)底部固結(jié):底板下方受地基約束,在底板底部輸入固結(jié)邊界條件,約束其三個平動自由度。2)對稱邊界:僅建立了1/4結(jié)構(gòu)的有限元模型,考慮結(jié)構(gòu)的對稱性,在關(guān)于X軸對稱的對稱面上約束Y向自由度,在關(guān)于Y軸對稱的對稱面上約束X向自由度。3)對流邊界:底板在澆筑過程中,會涉及到不同外界條件的對流系數(shù):側(cè)面有模板對流和空氣對流;頂面裸露于空氣中。

溫控型抗裂劑摻入混凝土中,不僅會膨脹改變混凝土的收縮與徐變,還會影響早期混凝土的熱力學參數(shù),水化熱分析數(shù)據(jù)見表3。水化熱分析階段劃分為:1)前3 d,底板側(cè)面為2 cm木模板支護,頂面裸露在空氣中;2)3 d拆模后,底板裸露在空氣中。

表3 水化熱分析數(shù)據(jù)

2.3 評價標準

溫度評價與開裂風險評價參照《大體積混凝土施工標準》GB 50496—2018進行。大體積混凝土溫控抗裂安全系數(shù)是指混凝土的軸心抗拉強度與對應齡期溫度應力計算最大值之比,按式(1)進行判定

(1)

式中,δx為混凝土的溫度應力,MPa;ftk(τ)為混凝土齡期為τ時的軸心抗拉強度,MPa;K為混凝土防裂安全系數(shù),取K=1.15。

采用裂縫系數(shù)η(容許抗拉強度與溫度應力的比值)與防裂安全系數(shù)K對比來評估其開裂風險。當裂縫系數(shù)η≥1.15時,結(jié)構(gòu)基本不會開裂;當裂縫系數(shù)η<1.15時,結(jié)構(gòu)有開裂風險。

2.4 計算結(jié)果與分析

1)溫度評價

表4統(tǒng)計了混凝土溫度計算結(jié)果。從表4可以看出,溫控型抗裂劑的摻入,相比于空白組,溫峰降低了5.4 ℃,溫峰出現(xiàn)時間延遲了6 h,最大里表溫差的降低減小了溫度應力引起的開裂風險。

表4 混凝土溫度信息

2)開裂風險評價

兩組混凝土的開裂風險隨時間發(fā)展變化曲線如圖3所示?？瞻捉M第1 d的裂縫系數(shù)為1.06,小于防裂安全系數(shù)1.15,有一定的開裂風險;試驗組各齡期的裂縫系數(shù)均大于1.15,無開裂風險。由此可知,大體積混凝土的早期開裂風險最高,這是混凝土內(nèi)部溫度的急劇上升,造成較大的里表溫差,而此時的混凝土抗拉強度處于發(fā)展階段,抵御溫度應力的能力較弱。3 d后拆模,在第4 d時,兩組混凝土的裂縫系數(shù)均有所下降,這是因為拆模后,混凝土內(nèi)部溫度降溫慢,表面溫度下降較快,導致里表溫差的再一次增大。溫控型抗裂劑可以降低混凝土早期的水化速率,延緩升溫,有利于混凝土的裂縫控制。

3 工程應用

3.1 實體結(jié)構(gòu)溫度、應變

實體筏板工程采用表1中的C40試驗組配合比進行澆筑,采用振弦式應變計測試筏板中心點位和上表面點位的溫度、應變發(fā)展,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,混凝土中心點位和表面點位的溫度、應變發(fā)展規(guī)律基本一致。升溫階段,應變逐漸增加;降溫階段,混凝土收縮,應變減小,在7 d時,應變基本趨于穩(wěn)定。在21 d時,兩處點位的應變均為正值,筏板結(jié)構(gòu)整體處于微膨脹的狀態(tài),大大減少了收縮引起的開裂風險。

3.2 鉆芯取樣測試結(jié)果

筏板澆筑30 d后,分別采用150 mm和100 mm孔徑進行鉆芯,其中150 mm芯樣切割為100 mm立方體試塊進行抗壓強度以及干濕循環(huán)試驗,100 mm芯樣采用RCM(快速氯離子遷移系數(shù))法進行氯離子滲透性能試驗,結(jié)果見表5。從表5可以看出,測試芯樣經(jīng)過120次干濕循環(huán)后,混凝土的耐蝕系數(shù)可達98.4%,抗硫酸鹽等級≥KS 120;芯樣的氯離子滲透系數(shù)為2.34×10-12m2/s,達到RCM-Ⅳ等級。實體混凝土具有良好的抗硫酸鹽侵蝕能力以及抗氯離子滲透能力。

表5 芯樣測試結(jié)果

4 結(jié) 論

a.基于有限元分析,溫控型抗裂劑可以提高裂縫系數(shù),保證各齡期的裂縫系數(shù)均大于防裂安全系數(shù)1.15,降低開裂風險。

b.工程應用結(jié)果表明,混凝土中摻入溫控型抗裂劑,可使筏板混凝土在21 d時,整體仍處于微膨脹狀態(tài),減少了收縮引起的開裂風險;筏板混凝土的抗硫酸鹽等級≥KS 120,抗氯離子滲透性能達到RCM-Ⅳ等級,具有良好的耐久性能。