铝酸钙类混凝土膨胀剂的应用

    关键词: 铝酸钙类膨胀剂;混凝土;抗裂防渗;应用

    普通混凝土的极限拉伸变形值仅为0. 01 %～0. 02 % ,而收缩值达0. 04 %～0. 06 % ,所以,普通混凝土的收缩开裂时有发生,导致渗漏、钢筋锈蚀,以致影响结构的使用功能,也使混凝土的耐久性大大降低。为此,国内外工程界对材料、设计和施工技术等方面进行了广泛的研究。大量的试验和应用实例表明,使混凝土在硬化过程中产生适度膨胀,是消除或减少混凝土干缩和冷缩裂缝的最有效的途径。膨胀混凝土可由膨胀水泥、砂、石、水组成,也可由普通水泥、砂、石、水、膨胀剂组成。目前我国生产的膨胀剂种类较多,有铝酸钙类(AEA) 、硫铝酸钙类(U EA) 、氧化钙类(CEA) 等。其中AEA 混凝土膨胀剂是由中国建材研究院研制开发的国家级新产品,其基本组成为铝酸钙熟料、明矾石、石膏等,膨胀源为钙矾石。它在AEA 无缝设计施工技术、控制大体积混凝土渗裂、结构自防水技术中得到了广泛的应用。本文着重介绍其性能及在工程中的应用。

    2. 1. 1 AEA 的化学组成(见表1)

 

    AEA 以水泥量的8 %～10 %掺入水泥中,加水搅拌,其主要化学反应是:首先,高铝熟料中的CA 与石膏中CaSO4 及水泥水化生成的Ca (OH) 2 反应,生成钙矾石和氢氧化铝胶,其反应式为:

3CA + 3CaSO4 ·2H2O + 32H2O →C3A ·3CaSO4 ·32H2O + 2 (Al2O3 ·3H2O) ( 1)

 

    其次,明矾石与石膏、氢氧化钙反应生成钙矾石及氢氧化钾,其反应式为:

K2SO4·Al2 (SO4) 3 ·4Al (OH) 2 + 13Ca (OH) 2 + 5CaSO4 + 78H2O →3C3A ·3CaSO4 ·32H2O + 2KOH (2)

 

    从表2 可以看出,AEA 混凝土膨胀剂各项性能指标均超出《混凝土膨胀剂》(J C 476 —92) 标准中的一级品技术要求。

 

    AEA 混凝土的主要原材料为天然硬石膏、天然明矾石和高铝熟料,而高铝熟料是用矾土、石灰石经回转窑高温(1380 ℃) 煅烧而成。在生产过程中和各原材料计量均采用计

算机控制,产品质量经过严格检验。

    我国目前应用比较普通的几种膨胀剂中,AEA 的碱含量最低,为0. 3 %～0. 5 % ,不会发生碱—骨料反应。

    AEA 混凝土膨胀剂中熟料部分7 d 就可以反应完毕,且膨胀绝对值也较大,J C 476 —92 标准规定AEA 混凝土膨胀剂的法定掺量为10 % ,所以,这一性能特别适合施工气温高、混凝土强度发展快的场合,其干缩值较小,而且膨胀与强度同步发展。

    AEA 在水化生成钙矾石的同时,还在各分子的缝隙间生成氢氧化铝胶,能提高混凝土的密实性,同时对混凝土的后期强度有显著的提高。

3 AEA 混凝土膨胀剂的主要用途

    设计规范规定,考虑混凝土收缩变形,每30～40 m 设一道后浇缝,后浇缝的设置不但施工麻烦,延长工期,而且留下渗水隐患。若采用AEA 补偿收缩混凝土,以膨胀加强带取代后浇缝,实现连续浇筑超长防水结构,可以消除以上问题。其补偿收缩机理为:当混凝土浇筑厚度h 与基础长宽尺寸L 之比不大于0. 2 (即h/ L ≤0. 2) 时,板在温度收缩变形作用下,离开端部区域, 板的全截面受拉应力均匀。在地基约束下,将出现水平法向力σx ,从工程实践可知,σx 是设计主要控制应力,是引起正常垂直裂缝的主要应力,其最大值σmax出现在板截面的中点x = 0 处。当σmax超过混凝土抗拉强度( R t) 时,板中部出现第1 条垂直裂缝,开裂后的每块板的水平应力重新分布为σx’ ,若σx’ > R t ,又形成第2 条裂缝..。为防止这种有序裂缝的出现,工程中常以设置后浇带作为释放收缩应力、控制裂缝的主要措施之一。从以下法向应力公式可

见: σmax = - E ·α·T (1 - ) ,β= (3)

式中: E —计算龄期混凝土的弹性模量值(MPa) ;

σx —混凝土线膨胀系数;

L —结构物长度(m) ;

H —混凝土徐变松驰系数;

b —地基约束系数(N/ mm3) ;

d —混凝土板厚(mm) ;

ch —双曲余弦函数。

T = T 1 + T 2 + T 3 —总温差( ℃) ;

其中: T 1 —季节温差( ℃) ;

T 2 —混凝土干缩当量温差( ℃) ;

T 3 —混凝土水化热温差( ℃) ;

    后浇带只在较短间距L 范围对削减收缩应力(σmax ) 起显著作用,超过一定长度,即使设后浇带也没有意义。按理计算,削减σmax有效间距为30～60 m ,因此,膨胀加强带间距应设在此范围内。

研究还表明,掺AEA 混凝土膨胀剂的混凝土在硬化过程中产生膨胀作用,在钢筋和邻位约束下,钢筋受拉,而混凝土受压,当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时,则有:

A c ·σc = A s ·Es ·εs

设:μ= A s/ A c

则σc =μ·Es ·εs (4)

式中:σc —混凝土预压应力值(MPa) ;

A c —混凝土截面积(mm2) ;

A s —钢筋截面积(mm2) ;

Es —钢筋弹性模量(MPa) ;

εs —钢筋的弹性应变量( %) 。

    由(4) 式可见,σc 与εs 成正比关系,而限制εs 随AEA 掺量增加而增加,所以通过调整膨胀剂掺量,可使混凝土获得不同的预压应力。

根据σx 分布曲线,设想在σmax处给予较大的膨胀应力σc ,而在两侧给予较小的膨胀应力,以使结构的收缩应力得到大小适宜的补偿,从而控制有序裂缝的出现。

    在高层建筑施工中,地下室底板越来越厚,混凝土强度等级和抗渗标号越来越高,一般混凝土强度等级均在C35 以上,抗渗标号为S8。其水泥用量一般在400～500 kg/ m3 ,混凝土的水化热相当高,可使混凝土内部最高温度达60～80 ℃。而按照常规,当混凝土内外温差超过25 ℃时,有可能导致大体积混凝土出现贯穿的温差裂缝。

据计算公式:综合温差T = T 1 + T 2

式中: T 1 —混凝土水化热最高温度与环境平均气温之差,施

工规范要求: T 1 < 25 ℃;

T 2 —混凝土收缩当量温差;

T2 =εy /α

式中:εy —混凝土收缩率值,对普通混凝土为(2～3) ×10 - 4 ;

α—混凝土的线膨胀系数,取1 ×10 - 5。

    T 2 = 20～30 ℃时,混凝土早期(10～15 d) 的极限拉伸率一般只有εp = (1～2) ×10 - 4(考虑徐变) ,因而很容易出现裂缝。而掺AEA 混凝土膨胀剂的混凝土能产生膨胀效应,第14 d 的限制膨胀率εy’ = (2～4. 4) ×10 - 4 。它不但可补偿混凝土的收缩,而且能降低混凝土的温差。按公式T 2 =εy’ /α, 当掺AEA 混凝土膨胀剂的混凝土εy’ = 2 ×10 - 4时,则T 2 = 20 ℃;如果εy ’更大,则可补偿温度更高,这是很大的潜在温差补偿效应。对于温差变成T = T 1 - T 2 ,使结构的温度变形αT 小于混凝土的极限拉伸εP ,可防止大体积结构产生裂缝, 这就是补偿收缩混凝土控制大体积混凝土结构裂缝的理论依据。因此,采用AEA 混凝土膨胀剂生产混凝土相当于放宽了温差控制指标,可以省去在混凝土中埋设冷却水管和冷却骨料等传统施工方法,节省了费用。

     在刚性防水屋面中,采用AEA 膨胀混凝土作刚性屋面比普通细石防水混凝土更好,其原因是提高了混凝土的抗裂性,以柔性分格缝缓解屋面的温差裂缝。这种在预制板或保温层上作50 mm 厚Φ4 mm @150 mm ×150 mm 双向钢筋补偿收缩混凝土屋面,已在南方许多地区得到推广应用,获得良好效果。另外,从我们监理的许多工程而言,采用现浇防水屋面,现浇层厚10～15 cm ,配以Φ8 mm @150 mm ×150 mm 双向钢筋,混凝土强度等级为C25～C30 ,为解决现浇混凝土的抗裂防水问题,在水泥中掺入10 %AEA 混凝土膨胀剂,拌制成补偿收缩混凝土浇筑屋面,可以连续浇筑50 m 不留后浇缝。当屋面长度超过50 m 时,可用AEA 膨胀混凝土加强带(2 m 宽) 取代后浇缝,连续浇筑100 m 屋面不留缝。为防止温差变化,在加强带之间和屋面周边适当增加水平构造筋,浇筑完的屋面需加水养护,养护期不小于14 d ,随后在屋面上架设通风隔热层。在地下室混凝土施工中,采用AEA 膨胀混凝土作为补偿混凝土,其拌合、浇捣和养护方法与普通混凝土差不多,一般可不用外贴防水层。对于特别重要建筑物,外侧贴卷材防水层可起到双保险作用。

用AEA 混凝土膨胀剂配制的补偿收缩混凝土刚性防水屋面和地下室结构之所以得到广泛应用,一方面由于其能有效地防止混凝土的开裂;另一方面,由于膨胀结晶具有填充阻塞毛细孔空隙,改善结构的作用,抗渗能力大大提高,从而实现了混凝土结构自防水。

    某购物广场,建筑面积2. 3 万m2 ,地下一层,地面8 层, 框架结构。地下室为现浇整体钢筋混凝土结构,长98. 60 m , 宽38. 20 m ,底板采用厚50 cm 和高120 cm 地梁筏板基础(下翻式) ,底板埋深- 4. 95 m ,混凝土设计强度等级C35 ,抗渗标号为S8 ,混凝土总量3900 m3。地下室底板东西设17 条轴,南北设8 条轴,原设计在东西(6) ～ (7) 轴和(11) ～ (12) 轴之间各设一条后浇带,宽1 m ,底板和墙板外侧均设计二布六胶作防水。经我们会同业主、设计、施工单位多方面论证考察,一致同意取消二条后浇带和全部外防水,采用AEA 膨胀混凝土作结构自防水,使结构承重与防水合二为一,具永久性的结构防水性能。AEA 膨胀混凝土的配合比(kg/ m3) 为:32. 5 级水泥∶砂∶碎石∶AEA = 437 ∶731 ∶1021 ∶50 , 水灰比= 0. 45。按照本设计方案,在设计和施工期间,安排专家进行现场技术交底。施工单位精心组织施工。地下工程完工后经评估和鉴定,混凝土强度、抗渗等级、混凝土限制膨胀率均能满足设计和施工的要求。本工程通过使用AEA 膨胀混凝土不仅节约工程成本,而且对提高结构的整体性,简化施工工序, 缩短工期,具有显著的经济效益和社会效益。

    某银行综合楼,总建筑面积为3. 2 万m2 ,地下室一层, 地上28 层。地下室长56. 8 m ,底板厚2. 1 m ,箱形基础,底板标高为- 5. 1 m ,设计采用AEA 无缝设计施工技术,根据大体积无缝施工的理论依据,实行AEA 膨胀混凝土无缝设计和刚性结构防水措施。为了保险起见,底板分二次浇筑,不另外采取降温措施,第一次浇筑1. 1 m ,第二次浇筑1. 0 m ,其材料要求和配合比如下:

(1) 材料

AEA 膨胀剂为一级品, 14 d 水中限制膨胀率为0. 0424 %;

水泥:42. 5R ;

砂子:模数3. 04 中粗砂, Ⅱ区级配,含泥量小于1 %;

碎石:20～40 mm ,压碎指标14. 78 % ,含泥量0. 95 %。

(2) 试配和留样结果

     试配:C35 ,S8 ,砂率34. 6 %。其配合比为(水泥+ AEA) ∶砂∶石∶水= 1 ∶1. 34 ∶2. 54 ∶0. 43 ,水泥用量413 kg/ m3 ,AEA 混凝土膨胀剂掺量为45. 5 kg/ m3 ,试配坍落度5 cm , R 7 = 35. 2 MPa , R 28 = 46. 7 MPa ,抗渗标号大于S10。留样结果:现场混凝土和易性好,坍落度3～5 cm ,符合施工要求。24 组试块R 28min = 38. 9 MPa , R 28max = 46. 6 MPa , 抗渗标号大于S10。

    由于施工中合理安排,严格按规范施工,各方面相互协调,使得AEA 膨胀混凝土在该地下室防水中取得良好抗裂抗渗效果,减少了施工工序,节约工程费用。经过3 个雨季使用后的考验,完全达到设计要求,取得了良好的经济效益。

    某集资住宅楼,7 层砖混结构,共3 幢,总建筑面积1. 45 万m2 ,屋顶面积2080 m2 ,每幢长56 m ,宽12 m。设计采用Φ4 mm @150 mm ×150 mm 双向钢筋,C25 内加AEA 混凝土膨胀剂的细石混凝土刚性防水屋面。

    混凝土配合比为:32. 5 级普通水泥332 kg/ m3 ;中砂712 kg/ m3 ,含泥量不大于2 %;石子用5～15 mm 细石1133 kg/ m3 ,含泥量不大于1 %;AEA 掺量为34 kg/ m3 ;钢筋为冷拔低碳钢丝。分格缝设置在屋面板的支承端转折处、防水层与突出屋面结构的交接处,分格缝间距为6 m ×6 m ,缝宽20～ 30 mm。经2 个雨季的考验,没有出现渗漏现象,受到了住户的好评。

    (1) 编制施工组织设计,做好施工前的准备工作。

    (2) 要有专人负责按配合比配料,特别是AEA 混凝土膨胀剂的掺量要保证准确,其误差不大于0. 5 % ,水灰比用坍落度控制,不能随意增减。

    (3) 掺AEA 混凝土膨胀剂的混凝土搅拌时间较普通混凝土延长0. 5～1. 0 min ,总搅拌时间不小于3. 5 min 。

    (4) 对于结构断面小,钢筋较密的部位,要严格按分层浇筑、分层振捣的原则操作。对钢筋密集或有预埋件等不易振捣密实处,可改用相同强度等级的细石混凝土浇筑,以保证质量。

    (5) 加强带的施工:AEA 膨胀混凝土加强带的宽度一般为2 m ,带之间适当增加15 %～20 %的水平构造筋,带的两侧分别架设密孔铁丝网,防止混凝土流入加强带,施工时,先浇带外微膨胀(掺8 %～10 %AEA 混凝土膨胀剂) 混凝土,浇到加强带时,改为大膨胀混凝土(掺11 %～12%AEA 混凝土膨胀剂) ,加强带处混凝土强度等级比加强带两侧混凝土提高0. 5 MPa 。

    (6) 混凝土的振动必须密实,必须采用插入式振捣,振动点间距不大于500 mm ,做到不过振、漏振和欠振。

    (7) 养护:混凝土终凝后,须派专人洒水养护,养护时间不少于14 d 。若在冬季浇筑混凝土或大体积混凝土,则需要进行保温保湿养护。

    (8) 在大体积混凝土中应按要求布测温孔,在浇筑后的1 个星期内要按规定测内外温差。

    [ 1] 王铁梦. 工程结构裂缝控制. 北京:中国建筑工业出版社, 1997.

    [ 2] 建筑结构裂渗控制新技术. 北京:中国建材工业出版社,1998.

    [ 3] 刘长俊. 混凝土配合比设计计算手册. 辽宁:辽宁科学技术出版社,1997.