摘要: 膨胀水泥混凝土不仅能起到良好的防水作用而且能防止由于混凝土各种收缩产生的裂缝, 其在隧道衬砌工程中的使用已逐步显示出不可替代的作用。文章以浙江省台缙高速公路苍岭隧道Ⅳ类围岩衬砌为例, 阐述了膨胀剂在隧道衬砌混凝土中的作用机理以及对混凝土的影响及施工中的质量控制等。
关键词: 膨胀剂; 隧道; 混凝土; 应用
中图分类号: U455 文献标识码: B
混凝土在浇注硬化过程中, 由于化学收缩、冷缩、干缩等原因会引起体积的收缩, 其收缩值大约为自身体积的0.04%~0.06%, 从而导致混凝土开裂、渗漏及钢筋锈蚀等缺陷, 给混凝土体积稳定性、耐久性带来很大危害。现代高速公路建设对隧道衬砌防水和混凝土外观质量要求非常高, 而掺普通防水剂虽然能保证衬砌的防水效果, 但对于控制混凝土的外观收缩裂缝起不到作用, 而采用膨胀剂配制衬砌混凝土, 不仅能达到良好的抗渗防水效果, 且由于其膨胀作用抵消了混凝土的收缩变形, 从内在作用机理上防止了混凝土收缩裂缝的出现, 具有良好的使用效果。现在越来越多的隧道衬砌采用膨胀剂作为外加剂, 如浙江省高速公路建设中设计单位已明确规定隧道衬砌混凝土采用膨胀水泥混凝土, 可见其在隧道衬砌混凝土中具有良好的使用效果和广阔的应用前景。
1 膨胀剂作用机理
混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石、钙矾石和氢氧化钙或氢氧化钙, 使混凝土产生膨胀的外加剂。根据其膨胀源分为硫铝酸钙型、硫铝酸钙—氧化钙型和氧化钙型3 种。由于各类膨胀剂自身的成份对混凝土后期的影响不同,有的应用亦受到限制。目前使用的膨胀剂大多为硫铝酸钙型膨胀剂。本文主要针对此种膨胀剂进行阐述。硫铝酸盐膨胀剂的主要组分为: C4A3S、CaSO4及CaO, 它们与水泥的水化产物发生化学反应, 形成三硫型水化硫酸钙结晶体—钙矾石( 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) , 它们基本按下列化学反应方程式进行。
3CaO·Al2O3+Ca(OH) 2+12H2O=4CaO·Al2O3·13H2O4CaO·Al2O3·13H2O +3 (CaSO4·2H2O) +14H2O =3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH) 22KAl2O3(SO4) 2(OH) 6+13Ca(OH) 2+5CaSO4+78H2O=3( 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) +2KOH
由于钙矾石与水泥的其他水化产物C—S—H、氢氧化钙等相比, 密度较小, 所以膨胀剂在水化过程中都要生成大于自身体积的水化产物, 硫铝酸盐系膨胀剂在生成钙矾石后体积约为自身体积的145%, 它是一种针棒状的晶体, 随着水泥石结构的形成过程它逐步的在水泥石结构中搭接延伸, 有效地堵塞了空隙和切断了毛细管通路, 是结构进一步更加致密, 提高了混凝土的抗渗标号, 同时也使混凝土中产生适度的体积膨胀, 抵消了混凝土各种收缩产生的拉应力, 避免了混凝土外观出现收缩裂缝。
其他种类的防水剂大部分是通过引入一定数量的微气泡隔断毛细管孔道或产生一些憎水因子而达到防水抗渗的目的, 不具备膨胀剂的微膨胀功能。
2 膨胀剂在隧道衬砌中的作用分析
以浙江省台缙高速公路苍岭隧道Ⅳ类围岩衬砌为例, 衬砌台车12m, 衬砌半径5.55m, 衬砌厚度30cm, 混凝土强度等级C25, E7 取20GPa, μ=0.2,膨胀剂7d 水中限制膨胀率0.03%。为简化分析假定混凝土为线弹性各向同性, 选用Solid65 单元进行有限元分析。分析模型的受力状况考虑如下: 混凝土因各种收缩产生的拉应力导致裂缝出现须大于混凝土的抗拉强度, 因为假设混凝土为线弹性, 此时把相应的拉应力反转作用于衬砌结构各单元节点, 并根据实际情况施以约束条件。经有限元分析的变形量和膨胀剂的限制膨胀量比较, 从宏观上解释了限制混凝土裂缝的产生原因。分析以混凝土7d 时为例, 且主要以隧道衬砌纵向变形( 即环向裂缝的限制) 研究为主。混凝土抗拉强度一般为抗压强度的1/10~1/20, 本处取为3.0MPa。有限元分析结果见图1。
可见每板衬砌由于混 凝土的各种收缩产生的变形约为1.13mm, 而每板衬砌膨胀混凝土产生的限制膨胀约为3.6mm, 超出收缩产生的变形, 从而使混凝土更加致密, 同时也可能产生一定的预应力, 对混凝土的抗渗性能和外观都起到了良好的效果。从微观或局部来说, 由于混凝土并非完全线弹性材料,外力作用下会产生非均匀的应力分布, 致使某些部位的收缩位移较大, 而膨胀混凝土产生的限制膨胀力完全能消除这种不均匀性带来的影响。上述主要针对环向裂缝的限制进行分析, 对于纵向裂缝, 在隧道中由于混凝土自重产生的压应力而使其不易出现, 仅在拱部附近可能产生, 此时膨胀混凝土的膨胀作用也完全能限制这种裂缝的产生。3 膨胀剂对混凝土的影响及施工中的质量控制
3.1 膨胀剂对混凝土的影响
3.1.1 流动度
对于掺入膨胀剂的新拌混凝土比普通混凝土的流动度有所降低, 塌落度损失也较大, 原因是水泥水化的同时, 膨胀剂也迅速水化生成钙矾石或氢氧化钙, 与水泥发生争水现象, 因此塌落度减小的同时, 塌落度的损失却越大。为解决上述问题, 现在隧道衬砌都采用复合膨胀剂, 即掺入一定量与膨胀剂和水泥都适应的高效减水剂以提高混凝土的塌落度和延缓塌落度损失。
3.1.2 泌水率
掺膨胀剂时混凝土的泌水率比不掺时要低些。这是由于早期膨胀而水化比较充分的原因, 但总的影响不十分明显。
3.1.3
含气量各种膨胀剂并无引气性, 因而加入混凝土后,含气量不受影响, 对于复合了减水剂的膨胀剂, 会由于减水作用而引入部分含气量。
3.1.4 凝结时间
凝结时间要比普通混凝土缩短一些。这主要是因为膨胀剂早期生成了钙矾石加快了水化速度, 因此混凝土凝结时间略有缩短。对凝结时间的影响还和使用温度有关, 夏季施工则影响明显, 冬季施工则影响不大。
3.1.5 钢筋锈蚀
各种膨胀剂的原材料中不含氯离子, 且膨胀剂本身含有一定的碱性, 其pH 值与水泥相当, 因此对钢筋没有锈蚀作用, 也不影响对钢筋的握裹力。
3.1.6 强度影响
在限制的情况下, 掺膨胀剂取代等量水泥对混凝土强度( 包括抗压及抗折强度) 无明显不利影响。早期强度会比不加时稍有提高, 而28d 强度会略有降低。但在养护条件好的情况下, 后期强度会因为混凝土内部的密实性增加而提高。对复合了减水剂的复合膨胀剂则强度及其他相关性能都会相应提高。
3.1.7 抗渗性及抗冻性
抗渗性的大小和混凝土的密实性有直接关系,如前所述, 膨胀剂在补偿收缩的同时提高了混凝土的密实性, 从而大大降低了混凝土的渗透系数, 提高了混凝土的抗渗标号, 抗冻性能也有所提高, 增加了混凝土的耐久性。本隧道通过对衬砌混凝土抗渗性的试验, 抗渗标号都在S12 以上。
3.1.8 碱骨料反应
从目前使用的硫铝酸盐系膨胀剂来看, 由于大多数是以明矾石作为膨胀组分, 而明矾石中K2O 和Na2O 含量可达2%~4%。膨胀剂由于掺量大, 应当控制含碱量。目前膨胀剂正朝着低掺量、低含碱量及高性能方向发展, 且由于膨胀剂是内掺, 可取代等量水泥, 因此它的碱含量只要不超过所使用的水泥中的碱含量, 就应该没有问题。
3.2 膨胀剂应用中的质量控制
3.2.1 混凝土的拌制
要求计量准确, 掺量应该通过试验确定。掺量的变化对膨胀的效果、膨胀时间均有影响。对于某些低标号混凝土掺加膨胀剂后倒出现裂缝, 主要是由于膨胀剂掺量大, 混凝土早期强度太低, 没有限制条件, 混凝土因膨胀作用而破坏。另外, 对掺加膨胀剂的混凝土应加强搅拌, 搅拌时间应适当延长1~2min。
3.2.2 注意对膨胀剂和水泥的选用
不同的水泥及水泥用量对膨胀剂的膨胀率影响是不一样的。膨胀率随混凝土中Al2O3、SO3 的增加而增长。水泥用量大, 膨胀率就高, 或反之; 水泥标号低则膨胀率大, 水泥标号高则膨胀率低。因此在混凝土配合比设计中要考虑上述因素。膨胀剂的细度也影响其膨胀性能。因为其细度直接影响膨胀剂在混凝土中的溶解度, 从而影响其生成钙矾石的时间和数量, 改变膨胀作用在水泥不同强度下发生的时间, 就会影响膨胀率和自应力值。因此对每批进场的膨胀剂要加强检验, 确保其质量的稳定性。
3.2.3 膨胀水泥混凝土的养护
养护条件对掺膨胀剂的混凝土非常重要。膨胀剂的膨胀作用主要发生在混凝土浇注的初期, 一般在14d 后就趋于稳定。而混凝土浇注的初期也是水泥水化的重要阶段, 两者之间就有争水现象。如果养护不好就有可能出现: 或者硫铝酸钙水化不充分形不成足够的膨胀值, 或者膨胀率大于水泥水化速度而影响了强度的发展, 甚至膨胀力被尚有塑性的混凝土吸收。一般在拆模后应立即进行养护, 养护期为14d, 比普通混凝土养护期要长。膨胀剂防止裂缝不是万能的, 必须与诸多条件配合才能奏效, 其中养护不好是最容易出现的问题, 尤其是在炎热或干燥的空气, 所以必须控制好混凝土的养护。
3.2.4 膨胀剂的贮存控制
贮存期不能太长, 应注意不能使膨胀剂受潮结块。因为经过高温煅烧后, 含有一些水泥熟料成份的膨胀剂, 都容易遇水受潮发生反应生成钙矾石而失去活性。
3.2.5 相关工序施作的时间控制
膨胀作用的发挥受矮边墙、相邻衬砌施作的影响。矮边墙应提前施作以保证该段衬砌时具有足够的强度; 相邻衬砌也要及时跟进已施作的衬砌, 只有这样才能形成限制条件, 使膨胀水泥混凝土的作用得到充分发挥。工序的良好衔接和时间控制是膨胀作用发挥的一个重要因素。
4 结语
膨胀水泥混凝土不仅能起到良好的防水作用而且能防止由于混凝土各种收缩产生的裂缝, 其在隧道衬砌工程中的使用已逐步显示出不可替代的作用相信随着我国公路建设的发展, 越来越多的隧道将采用膨胀水泥混凝土进行衬砌。对膨胀水泥混凝土作用机理、膨胀剂对混凝土的影响及施工中的质量控制等方面的技术进行研究非常必要。
