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补偿收缩混凝土及膨胀砂浆如何应用外加剂?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-03-31

混凝土硬化过程中的收缩,主要是干缩、冷缩、塑性收缩、自收缩和碳化收缩。不同条件、部位、环境中,这五种收缩先后主次不同。干缩主要发生在混凝土环境湿度较小的场合,冷缩是因为混凝土硬化过程中内部温度高于最终使用温度而产生,塑性收缩多由混凝土硬化前体积变化引起,普通混凝土自收缩和碳化收缩发生的情况少,影响程度轻。一般砂浆的收缩率为0.1% ~0.2%,混凝土的收缩率为0.04% ~0.06%。收缩的结果是使砂浆和混凝土产生开裂,破坏结构的整体性,降低抗渗性。能补偿混凝土收缩产生拉应力的混凝土称为补偿收缩混凝土。

一、外加剂选

择补偿收缩混凝土主要补偿干缩和冷缩。应用外加剂的目的是:在混凝土内产生0.2~0.7MPa的膨胀应力,抵消由于干缩而产生的拉应力,提高混凝土的抗裂性和抗渗性。

减缩剂可以减小干缩50%以上,纤维材料也有减小收缩开裂的效果,但它们都不符合补偿收缩混凝土的定义,减缩剂适合在无约束、少配筋、不易保持潮湿养护的场合。补偿收缩混凝土可用普通水泥掺加膨胀剂配制,用于有一定约束条件、易保持潮湿养护的场合,多在屋面、贮罐、水池、地下防水、压力灌浆、钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土构件中应用。应用的膨胀剂有: ①硫铝酸钙类膨胀剂,如UEA,ZFⅢ膨胀剂。硫铝酸钙膨胀剂不得用于长期处于80℃以上的工程中;②氧化钙类膨胀剂,如脂膜石灰膨胀剂,含有该类物质的膨胀剂不得用于海水或有侵蚀性水的工程。

二、施工技术

(一)膨胀混凝土

(1)搅拌、运输和模板工程:粉状膨胀剂应与混凝土其他原材料一起投入搅拌机,拌合时间应延长30s。补偿收缩混凝土需水量较大,拌合物黏稠,没有石子分离和泌水现象,因此适于泵送。拌合以后,如运输或停放时间稍长,坍落度损失将引起施工困难。此时不许第二次添加拌合水,以免大大降低强度和膨胀率。补偿收缩混凝土的浇筑温度不宜超过35℃,应设法避免因机器故障或人力不足引起的停工间歇,对间歇时间长的应留置施工缝。浇筑补偿收缩混凝土之前,所有与混凝土接触的物件应充分润湿,稍作喷洒是不够的。建议在浇筑前一天晚上把基础浸湿,并根据需要在浇筑前喷洒,把结构混凝土的模板和钢筋润湿也是一种好办法。遇到干热气候和有大风的情况下,更应注意充分润湿与混凝土接触的物件、基层或地基。与老混凝土的接触面,最好先行保潮12~24h。浇筑和固结时,应注意把钢筋保持在正确位置,以确保其约束作用。同时,混凝土应与钢筋很好地粘结。补偿收缩混凝土在施工过程中的少量膨胀,对模板稳定性并无危害,故模板设计可按普通混凝土办理,但应注意避免漏浆漏水。

(2)混凝土浇筑:在计划浇筑区段内连续浇筑混凝土,不得中断;混凝土浇筑以阶梯式推进,浇筑间隔时间不得超过混凝土的初凝时间(最好不超过初凝时间的2/3);混凝土不得漏振、欠振和过振;由于不泌水及早期生成钙矾石需要水,补偿收缩混凝土比普通混凝土更容易产生早期塑性收缩裂缝,必须注意早期养护,在干热多风的环境中应采取挡风、遮阳、喷水等措施。混凝土终凝前,应采用抹面机械或人工多次抹压。抹面与修整工作因凝结时间较短和不泌水而提早。尽管砂浆丰富,抹面工作也较易做好,但要注意掌握时间,不宜过晚。适时和充分地保潮养护最为重要。最好的养护方法是蓄水或不断洒水,也可采用连续喷水或塑料薄膜覆盖,时间不少于7d。而且应在抹面修整完毕后立即开始覆盖,尽早喷水或洒水,也可带模淋水,以充分供应膨胀过程中需要的水分。

(3)养护:补偿收缩混凝土不论是在早期还是在硬化后均比普通水泥需要更多的水分,因此补偿收缩混凝土除应遵照普通混凝土的施工规程以外,还必须十分注意水的问题,要保证足够的供水和严防过早失水。

对于大体积混凝土和大面积板面混凝土,表面抹压后用塑料薄膜覆盖,混凝土硬化后,宜采用蓄水养护或用湿麻袋覆盖,保持混凝土表面潮湿,养护时间不应少于14d;可以在终凝后用潮湿麻袋覆盖养护1~2d以后用蓄水养护。

对于墙体等不易保水的结构,宜从顶部设水管喷淋,拆模时间不宜少于3d,拆模后宜用湿麻袋紧贴墙体覆盖,并浇水养护,保持混凝土表面潮湿,养护时间不宜少于14d;池壁的表面积大,用外挂湿麻袋,人工浇水湿麻袋干燥快,质量难以保证,用PVC管上钻孔,将管固定在池壁顶部,通水喷洒,养护质量好。

冬期施工时,混凝土浇筑后,应立即用塑料薄膜和保温材料覆盖,养护期不应少于14d。对于墙体,带模板养护不应少于7d。

(二)膨胀砂浆

使用无收缩高强灌浆料时,流动度不小于270mm;初凝不小于2h,终凝不大于10h;3d竖向限制膨胀率大于0.0010%,7d竖向限制膨胀率大于0.0020%,28d抗压强度大于60MPa。

灌浆用膨胀砂浆施工应符合下列要求:(1)灌浆用膨胀砂浆的水料(胶凝材料+砂) 比应为0.14~0.16,搅拌时间不宜少于3min;(2) 膨胀砂浆不得使用机械振捣,宜用人工插捣排除气泡,每个部位应从一个方向浇筑;(3)浇筑完成后,应立即用湿麻袋等覆盖暴露部分,砂浆硬化后应立即浇水养护,养护期不宜少于7d;(4)灌浆用膨胀砂浆浇筑和养护期间,最低气温低于5℃时,应采取保温保湿养护措施。

三、质量控制

工程应用中,确定膨胀剂品种和掺量固然重要,但合理地使用外加剂更重要。补偿收缩混凝土最终通过钢筋和邻位约束建立预压应力,使混凝土的微膨胀弥补混凝土的收缩,因此混凝土水中14d的限制膨胀率是十分重要的指标。

从各种膨胀剂的抗裂原理分析,膨胀剂与水泥的水化、硬化过程中产生大量的钙矾石晶体,这些晶体吸水膨胀,从而使混凝土产生微膨胀。当掺量不足或养护不够,而膨胀率偏低时,产生的少量钙矾石晶体仅仅起填充混凝土毛细孔的作用,即提高了混凝土的抗渗性,补偿混凝土收缩的能力远远不够,混凝土剩余的收缩变形远大于混凝土的极限延伸率。只有生成较多的钙矾石晶体时,混凝土才会产生良好的微膨胀性。在GB50119—2003中,对补偿收缩混凝土应达到的限制膨胀率作了规定,即水中14d的限制膨胀率应大于0.015%,再经28d空气中养护的限制干缩率应小于0.03%。在膨胀剂的实际应用中,应注意不要将膨胀剂性能检测时的砂浆试件膨胀率(大于0.025%)与施工用混凝土试件的膨胀率(大于0.015%)混为一谈。两者在所用材料、配比、配筋、试验方法等方面都不一样。补偿收缩混凝土的限制膨胀率这一特性指标是膨胀混凝土抗裂效能的保证。要达到补偿收缩混凝土的预期效果,需要从设计、材料、配比、养护等主要环节抓起。补偿混凝土中使用膨胀剂时的质量控制有以下几个方面:

(一)设计

掺膨胀剂的补偿收缩混凝土大多应用于控制有害裂缝的钢筋混凝土结构工程。混凝土的膨胀只有在限制条件下才能产生预压应力。所以,构造(温度)钢筋的设计对该混凝土有效膨胀能的利用和分散收缩应力集中起重要作用,设计时必须根据不同的结构部位,采取相应的合理配筋和分缝。以往绝大多数设计者在设计图上只写混凝土掺入膨胀剂、强度等级、抗渗等级,有些结构大于70m不设缝,对混凝土的限制膨胀率没有提出具体要求,造成膨胀剂少掺或误掺,达不到补偿收缩效果而出现有害裂缝。按《混凝土外加剂应用技术规范》要求,掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14d的限制膨胀率大于或等于0.015%,相当于在结构中建立的预压应力大于0.2MPa。施工单位或混凝土搅拌站应根据设计的要求,通过试配确定膨胀剂的最佳掺量,在满足强度和抗渗要求下,同时要达到补偿收缩混凝土的限制膨胀率。只有这样,才能达到控制结构有害裂缝的效果。所以,当采用膨胀剂时,结构设计者在设计图上不仅应写上强度等级、抗渗等级,还要注明“采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土,水中养护14d的混凝土限制膨胀率大于或等于0.015% (或更高些),限制收缩小于或等于0.030%”。

构造(温度)钢筋的设计和特殊部位的附加筋配置,应符合《混凝土结构设计规范》(GB50010)规定。墙体受施工和环境温湿度等因素影响较大,容易出现纵向收缩裂缝,混凝土强度等级越高,开裂几率越大。工程实践表明,墙体的水平构造(温度) 钢筋的配筋率宜在0.4% ~0.6%,水平筋的间距应小于150mm,采取细而密的配筋的原则。由于墙体受底板或楼板的约束较大,混凝土胀缩不一致,宜在墙体中部或端部设一道水平暗梁,配筋间距宜为50~100mm,以控制墙体有害裂缝的出现。

对于墙体与柱子相连的结构,由于墙与柱的配筋率相差较大,混凝土胀缩变形与限制条件有关,由于应力集中原因,在离柱子1~2m的墙体上易出现纵向收缩裂缝。工程实践表明,应在墙体连接处设8~10mm水平附加筋,附加筋的长度为1500~2000mm,插入柱子中200~300mm,插入墙体中1200~1600mm,该处配筋率提高10% ~15%。这样,有利于分散墙柱间的应力集中,避免纵向裂缝的出现。结构开口部和突出部位因收缩应力集中易于开裂,与室外相连的出入口受温差影响大也易开裂,这些部位应适当增加附加筋,以增强其抗裂能力。

对于超长结构楼板,为减少有害裂缝(宽度小于0.3mm),可采用补偿收缩混凝土浇筑,但设计上要求采用细而密的双向配筋,构造筋间距小于150mm,配筋率在0.6%左右;对于现浇混凝土防水屋面,应配置双层钢筋网,钢筋间距小于150mm,配筋率在0.5%左右。楼板和屋面受大气温差影响较大,其后浇缝最大间距不宜超过50m。

由于地下室和水工构筑物长期处于潮湿状态,温差变化不大,最适合用补偿收缩混凝土作结构自防水。大量工程实践表明,与桩基结合的底板和大体积混凝土底板,用补偿收缩混凝土可不作外防水,但边墙宜作附加防水层。底板和边墙后浇缝最大间距可延长至60m,后浇缝回填时间可缩短至28d。

(二)材料及配比

目前膨胀剂的牌号和厂家很多,质量差别很大,用户必须选用达到《混凝土膨胀剂》(JC476—2001)标准的产品。

(1)膨胀剂的掺量:膨胀剂本身具有活性,视为水泥的一部分,故《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119)规定为等量取代胶凝材料的内掺法。由于我国水泥大多掺入混合材,其活性有所不同,所以膨胀剂替代水泥率有所差异,原则上可以100%替代水泥,如水泥富余系数低,只能替代50% ~80%。目前,我国大多数膨胀剂推荐掺量为10%~12%,少数为6% ~8%。《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119)规定,补偿收缩混凝土的膨胀剂掺量不宜大于12%,不宜小于6%;填充用膨胀剂混凝土的膨胀剂掺量不宜大于15%,不宜小于10%。不管产品说明书怎样宣传,应以混凝土限制膨胀率大小为准,同时要考虑水泥品种、水泥用量、水灰比和外加剂等影响,通过试验,确定膨胀剂的科学掺量。有些膨胀剂中有CaO等成分,易吸收空气中水分和CO,失去部分活性,使用时要注意产品的存放有效期。膨胀剂的掺量必须使混凝土达到补偿收缩混凝土性能的技术指标:14d水中养护的限制膨胀率不小于0.015%,28d干空收缩率不大于0.03%,28d抗压强度大于25MPa。填充用膨胀剂混凝土性能应达到:14d水中养护的限制膨胀率不小于0.025%,28d干空收缩率不大于0.03%,28d抗压强度大于30.0MPa。不同的结构部位的抗裂要求不同,因此,膨胀剂掺量是不同的。根据大量工程实践表明,底板混凝土的厚度在1m以下的,配制的混凝土的限制膨胀率应达到0.015%以上,厚度超过1m的大体积混凝土,限制膨胀率应在0.020%左右,这一限制膨胀率不可能完全抵消混凝土的干缩和温差收缩,但由于底板混凝土受到的外约束较小,收缩应力能得到部分释放,在徐变等因素的作用下,混凝土的收缩值不会超过混凝土的极限延伸率,混凝土不易开裂。

墙体、楼板等混凝土构件受到的外约束较大,整体的收缩性受到邻位的限制,其收缩应力无法自由释放,因此,墙体易产生竖向裂缝,宜采用限制膨胀率在0.02%以上的补偿收缩混凝土。混凝土的膨胀率最好控制在0.025%~0.035%,填充用膨胀混凝土的膨胀率应控制在0.035% ~0.045%。防水工程的底板混凝土的限制膨胀率ε=0.02% ~0.025%,侧墙ε =0.03% ~0.035%,后浇带或膨胀加强带ε=0.035% ~0.045%为宜。

(2)最低水泥用量:膨胀混凝土的胶凝材料用量是硅酸盐水泥、膨胀剂和掺合料的总和。考虑补偿收缩效应,其胶凝材料用量应大于300kg/m,如膨胀剂掺量为10%,水泥为270kg/m,膨胀剂为30kg/m。如水泥用量小于300kg/m,膨胀剂宜用外掺法计算。有抗渗要求的补偿收缩混凝土水泥用量不应小于320kg/m,但如掺入掺合料,水泥用量不得小于280kg/m。由于各厂的水泥和粉煤灰活性不同,各地砂石质量差异较大,施工选用混凝土的坍落度也不同,因此,试验室应根据以往的经验确定基准混凝土的水泥和粉煤灰单方用量,计算膨胀剂的掺量。

(3)掺合料用量:一般预拌混凝土都掺入粉煤灰、矿渣粉、沸石粉等掺合料,在有减水剂的情况下,它们都可等量或部分替代水泥。由于膨胀剂是按内掺法等量取代胶凝材料的,掺加膨胀剂后,掺合料和水泥应按其在胶凝材料中所占比例相应减少。例如:基准混凝土为水泥用量300kg,粉煤灰掺量20%,即60kg,膨胀混凝土中,膨胀剂掺量为10%,应掺36kg,则粉煤灰掺量调整为60-60×10% =54kg,水泥用量调整为270kg,这样才能保证补偿收缩混凝土达到期望的物理力学性能。

(4)外加剂选择与掺量:膨胀剂不宜与氯盐类外加剂复合,与防冻剂复合应慎重,膨胀剂常与减水剂、缓凝剂等复合应用,其关键是两者的相容性问题,有些减水剂、缓凝剂等外加剂会出现减小膨胀率的问题。减水剂(泵送剂)的掺量大,则流动性好,水灰比小,但可能使水中限制膨胀率增高、强度增加,空气中收缩增大,在一定程度上会削弱补偿收缩的效果。有的膨胀剂和水泥对混凝土坍落度损失影响较大,因此要通过试验选择用何种外加剂和适宜的掺量,其掺量以胶凝材料的总量来计算。此时混凝土必须满足《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119) 规定的限制膨胀率指标。《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119—2003)中的试验方法,测试混凝土限制膨胀率用的混凝土试件尺寸为100mm×100mm×300mm,试件中间埋入10mm钢筋作限制器,其两头焊厚度为12mm的钢板,配筋率为0.79%,测量仪器精度为0.001mm的专用测长仪器,示意图如图1所示。

图1 混凝土限制膨胀率测量仪示意图

补偿收缩混凝土纵向限制膨胀率和纵向限制收缩率的试验,可按下列步骤进行:①先把纵向限制器具放入100mm×100mm×400mm的试模中,然后将混凝土一次装入试模,把试模放在振动台上振动至表面呈现水泥浆、不泛气泡为止,刮去多余的混凝土并抹平,然后把试件置于温度为(20±2)℃的标准养护室内养护,试件表面用塑料布或湿布覆盖,防止水分蒸发;②当补偿收缩混凝土抗压强度达到3~5MPa时拆模(一般为成型后12~16h),测量试件初始长度;③测量前3h将测长仪、标准杆放在测量室内,用标准杆校正测长仪。测量前,将试体测头及测量仪测头擦净。测量时,将记有编号的一面朝上,面向测量者,其方向和位置要固定一致,不得随意变动,使纵向限制器测头与测量仪测头正确接触,读数应精确至0.001mm。试件测定时间应为规定龄期土1h。每个试件长度,应重复测量三次,取其稳定值;④将测定初始长度后的试件浸入(20±2)℃的水中养护,分别测定3d,7d,14d的长度,然后移入室温为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)%的恒温恒湿箱或恒温恒湿室内养护,分别测定28d,42d的长度。上述测长龄期,一律从成型日算起;⑤每组成型的三个试件,取其算术平均值作为长度变化,计算应精确至小数点后第三位。

(5)水胶比与砂率:掺膨胀剂混凝土一般用于抗裂防渗工程,故水胶比不宜大于0.50,砂率以35%~42%为宜。上述参数确定后,可按普通混凝土配合比进行设计膨胀混凝土配合比,通过试拌调整后就可确定施工配合比。掺膨胀剂混凝土质量应控制抗压强度、限制膨胀率和限制干缩率等指标,有抗渗要求时应做抗渗试验。

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