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混凝土膨胀剂在托电1#冷却水塔环基中的应用
1 引言
1.1 大体积温度裂缝控制是比较复杂的施工技术，迄今，对于大体积混凝土的温度场变化和温度裂缝产生的规律性，还缺乏系统的研究，对于混凝土的温度及温度应力还不能精确计算，为此，吴中伟教授提出的"采用补偿收缩混凝土，同时辅以适应的温度控制，既经济合理，又能有效地解决混凝土的干缩和冷缩干裂问题"思想，在电厂水塔环基、煤仓底板、汽机基座底板等大体积混凝土结构中广泛应用，可以取得良好的效果。下面以内蒙托克托电厂1#塔环基为例叙之：
1.2 大唐内蒙托克托电厂1#冷却塔环基厚度2.0m，宽度5.0m总长318m，为超长环板型大体积混凝土。混凝土设计强度C25 F200 W6。控制裂缝是环基混凝土施工的关键。为控制温度和干缩裂缝，在混凝土施工过程中采取分段跳仓、使用低水化热水泥、掺混凝土膨胀剂、降低入模温度、覆盖保温等措施。
2 环基裂缝问题的分析
2.1 裂缝的成因
混凝土硬化后及使用过程中，受外界因素的影响而产生的变形主要有：温度变形、湿胀干缩变形和荷载作用下的变形等。
2.1.1 温度变形
混凝土的温度变形由两部分组成：①在混凝土硬化过程中，由于水泥的水化热产生大量热量，大体积混凝土内部因散热慢而使其温度升高，产生内外温差，内部混凝土膨胀，而外部混凝土经散热，温度降低而收缩，形成表面裂缝。②由于环境温度的变化，根据混凝土热胀冷缩的性质，在温度下降后混凝土必将产生收缩而产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，将产生裂缝。
2.1.2 干缩变形
混凝土的干缩变形是由于混凝土中水分蒸发而引起的。当混凝土在空气中硬化时，其中的水分会逐渐蒸发，使水泥石中的胶凝体逐渐干燥而产生收缩，从而产生干缩变形。在混凝土受到某种约束的情况下，干缩变形会使混凝土出现较大的拉应力，特别是在初凝阶段，由于混凝土抗拉强度十分低，容易引起混凝土开裂。
2.1.3 荷载作用下变形
在荷载作用下，当构件截面产生拉应力时，会引起拉伸变形；当构件截面产生压应力时，会引起压缩变形。当截面上的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，构件就会产生裂缝。
2.2 影响温度和干缩变形的主要因素
温度变形与混凝土的浇筑温度、水泥结硬过程中产生的水化热引起的温升、施工季节以及环境温度的变化有关。
混凝土温度变形和干缩变形主要与以下几方面的因素有关：
2.2.1 混凝土中水泥用量的大小，是决定温度和干缩变形大小的最主要因素。在水灰比相同的条件，水泥用量越多，混凝土干缩率就越大。水泥用量越多，水化热越大，混凝土内部温度越高，温度变形越大。
2.2.2 混凝土的水灰比较大，干缩率越大。因为水灰比越大，水泥浆越稀，干缩变形越大。
2.2.3 入模温度越高，混凝土内部温度就越高，温度变形越大。
2.2.4 混凝土保温保湿养护是控制温度和干缩变形的关键环节。保温养护的目的主要是降低大体积混凝土的内外温差值以降低混凝土的自约束应力，其次是降低大体积混凝土的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土的抗裂能力，以达到防止或控制温度裂缝的目的。同时，在养护过程中保持良好温度和防风条件，防止混凝土的干缩变形。
2.2.5 环境温度变化是影响温度变形的又一主要原因。在冬季来临前，对环基进行保温保护，减小环境温差对环基温度变形产生的不利影响。
3 膨胀剂在环基混凝土中的应用
3.1 微膨胀剂在混凝土中的作用机理
钢筋混凝土结构产生裂缝原因很复杂，就材料而言，混凝土干缩和温差收缩是主要原因。为此，行之有效的措施是掺配以补偿收缩为主要功能的混凝土微膨胀剂来控制混凝土裂缝。微膨胀剂加入到普通水泥混凝土中，拌水后生成大量膨胀性结晶水化物 - 水化硫铝酸钙(C3A.3CaSO4.32H20,既钙矾石),使混凝土产生适度膨胀,在钢筋和邻位的约束下,在结构中建立0.2-0.7MPa预压应力，这一压应力可大致抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩拉应力，从而防止或减少混凝土收缩开裂，并使混凝土致密化，提高了结构的防渗能力，达到结构自防水能力，同时控制了混凝土的微裂缝。
在环基混凝土施工中，控制混凝土中心温度与表面温度之差是非常重要的。采用普通混凝土，温差控制在25℃之内，否则往往因温差应力而产生开裂（冷缩裂缝）。而采用膨胀剂补偿收缩混凝土，这个温差可放宽至30－35℃。其原理如下：
设：大体积混凝土中心温度为T1，表面温度为T2，大气温度为T3，膨胀剂混凝土的限制膨胀率为ε2，混凝土的线膨胀系数为a，产生的膨胀当量温度T4＝ε2/a，一般：ε2＝2～3×10-4，a＝1.0×10-5℃，则T4＝20～30℃。
若采用普通混凝土，须ΔT1＝T1－T2≤25℃和ΔT2＝T2－T3≤25℃，否则混凝土会开裂。
而采用膨胀剂补偿收缩混凝土后：ΔT1＝T1－T2≤25＋T4（℃），T2＝T2－T3≤25＋T4（℃）。
这意味着在环基混凝土施工时采用膨胀剂，放宽了温控指标，这样可大大节约昂贵的控温费用。
3.2 混凝土微膨胀剂的选择
环基配合比设计要求为：水泥用量不大于300kg/m3，水灰比不大于0.5。混凝土设计强度为：C25 F200 W6。据此要求，我们首先根据JGJ/T55-96标准中第2、3、4、章节进行设计，同时满足第6章节中6.1抗渗混凝土和6.2抗冻混凝土之规定。在选取材料方面,我们选取了425#矿渣硅酸盐水泥,因其水化热低,适合于大体积混凝土施工；砂、石我们都选用了符合标准要求的材料；外加剂的选择尤其重要，经过反复筛选，我们选择了三种进行最后试验,这三种膨胀剂分别是：UEA、FS-H、FN-MⅡ。其中FN-MⅡ为高效的减水剂，经国家建材测试中心检测证明，它除了具有明显的防裂抗渗功能外，还具有缓凝、降低水化热峰值的效果。对混凝土的收缩有显著的补偿作用，其膨胀率为4×10-4。由于FN-MⅡ凝结时间的可调性，可以防止混凝土初凝冷缝的事故。它可以解除大体积混凝土连续施工，因凝结时间所造成的障碍，给紧张的工程施工留下一定的宽容度。同时它还可以替代一部分水泥，减少水泥用量。UEA和FS-H是一种膨胀剂，膨胀率为4.8×10-4，它的减水效果较FN-MⅡ要差些，而环基施工时间正值炎热夏季，对混凝土的缓凝要求显得尤为重要。通过三种外加剂的试配，比较效果，加FN-MⅡ的各项性能要优于其它两种。见表1：
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品种 |
膨胀剂掺量(%) |
凝结时间 |
限制膨胀率(%) |
抗压(MPa) |
抗折(MPa) |
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初凝 |
终凝 |
水中7d |
空气28d |
7d |
28d |
7d |
28d |
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FN－MⅡ |
8-12 |
2:05 |
3:04 |
0.033 |
0.021 |
39.7 |
58.4 |
5.6 |
8.0 |
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UEA |
8-12 |
1:27 |
2:10 |
0.020 |
0.019 |
34.7 |
52.4 |
5.4 |
7.8 |
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FS－H |
8-10 |
1:25 |
2:08 |
0.031 |
0.011 |
41.5 |
59.7 |
6.5 |
8.2 |
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JC476―1998建材行业标准 |
＞45分 |
＜10小时 |
＞0.025 |
＜0.02 |
41.5 |
59.7 |
6.5 |
8.2 |
三种膨胀剂的试验结果见附件：
(1) FS-H检测报告(编号2001 30112)。
(2) UEA检测报告(编号2001 30114)。
(3) FN-MⅡ检测报告(编号2001 30113)。
3.3 膨胀剂的试验研究
3.3.1 膨胀剂的性能
(1) 工作性良好：缓凝减水、保水保塑性好，易于流动、坍落度损失较小，适用于现场泵送混凝土。
(2) 抗裂防渗性能好：膨胀效能较高，抗渗标号大于W8，补偿收缩的抗裂防渗性能优于市售防水剂。
(3) 降低水化热、推迟水化热高峰和收缩起始时间，从而，削弱混凝土温差收缩，抑制混凝土结构开裂。
(4) 采用多功能膨胀剂，不需要外加任何外加剂，操作工序少，减少差错，掺量好掌握，与水泥相容性好，利于混凝土搅拌站和现场使用。
3.3.2 膨胀剂的作用
(1) 内掺适量膨胀剂的混凝土和未掺的普通混凝土相比,凝固前的流变性质相近,掺膨胀剂的混凝土坍落度损失较小,凝结时间稍短,但不影响施工。
(2) 随膨胀剂掺量增多，混凝土的膨胀率增加，强度有所降低，配制补偿收缩混凝土时，内掺量一般为8-10%，当配筋率为0.2-1.0%时，限制膨胀剂率为2-4×10-4，在混凝土中建立0.2-0.7MPa自应力值，对强度影响不大。
(3) 在规定掺量下，混凝土28天抗压强度与不掺膨胀剂的空白混凝土强度大致相同，后期强度持续增长，掺膨胀剂混凝土的限制强度比自由强度高出10-15%。
3.4 混凝土补偿收缩的计算
根据吴中伟教授的研究成果,为了简化计算，我们将弹性变形Se略而不计，将补偿收缩通式偏安全地简化成：
ε2m-（S2+ST）=D≤│SK│式中ε2m-补偿收缩混凝土±14d限制膨胀值；
S2 - 混凝土的干缩值；
ST - 混凝土的冷缩值；
D - 剩余变形，D＞0时，混凝土内不出现拉应力，D＜│SK│时，混凝土不会产生裂缝；
│SK│ - 混凝土的极限拉伸值。
式中各值的计算方法：
(1) S2，即混凝土的收缩变形εy(t)，任意时间收缩计算公式按如下指数函数表达式求得：
S2=εy(t)=ε0yM1M2……Mn(1-e-0.01t)ε0y为标准状态下最终收缩值，取3.24×10-4,M1，M2……Mn为各种非标准条件的修正系数，可从有关专著或手册中查到。
(2) ST，为混凝土最大冷缩值，即混凝土中平均最高温度与环境温度的差值，乘以混凝土的膨胀系数a(1×10-5℃)。
(3) SK，为混凝土的极限拉伸值，合理配筋可提高混凝土的抗裂性，可采用有关专著经验公式进行计算：
式中εp - 配筋后的混凝土极限拉伸；
Rf - 混凝土抗裂设计强度，MPa；
p - 配筋率μ×100；
d - 钢筋直径，cm。
补偿收缩混凝土ε2m设计值的确定
即计算膨胀混凝土±14d湿养件下的限制膨胀率设计值ε2m。混凝土设计等级C25，采用场425#矿渣硅酸盐水泥，水化热Q=335kJ/kg，水泥用量W=300kg/m3，水灰比=0.50，Rf=1.75×10-4MPa,容重τ=2400kg/m3。
配筋率μ=0.88%,钢筋直径d=28mm,e=2.718,m=0.384,1m厚混凝土3d降温系数ξ=0.57,非标准状态系数M2=1.13,M4=1.21,其余均为1,混凝土线膨胀系数a=1×10-5/℃。
(1) 求S2（干缩值）
S2=εy(t)3.24×10-4(1-e-MT)M1M2……Mn=1.15×10-4
(2) 求ST（冷缩值）
ST=(T1-T2)a=2.44×10-4
式中T1 - 混凝土最高平均温度；
T2 - 环境温度；
a - 混凝土温度膨胀系数
T2=15℃(取水塔坑内平均温度)
(3) 求Sk(极限拉伸值)
考虑徐变影响,偏安全地增加50%:
SK=1.5×1.18×10-4=1.77×10-4
因为ε2m-(S2+ST)=SK
即ε2m -(1.15+2.44)×10-4=1.77×10-4
所以ε2m=[(1.15+2.44-1.77)]×10-4=1.82×10-4
取1.5倍安全系数
ε2m=1.5×1.82×10-4=2.8×10-4
D=2.8-(1.15+2.44)×10-4=-0.79×10-4＜|SK|(1.77×10-4)
因此，结构不会出现裂缝。
4 混凝土的施工方法
4.1 施工缝模板采用钢板网，钢板网支撑采用φ16钢筋骨架。
4.2 混凝土配制
4.2.1 水泥：采用低水化热的内蒙古西卓资山矿渣425#水泥，在保证混凝土抗冻、抗渗的要求下，减小水泥用量，其用量为300kg/m3，以防止产生过大的干缩和温度应力。
4.2.2 骨料:采用细度模数大于2.5的中砂，含泥量应控制在3%以内；碎石采用5-31.5mm人工级配碎石，含泥量应控制在2%以内，骨料的表面洁净，并无有机杂质。
4.2.3 水：为降低混凝土的入模温度，使用深井水搅拌混凝土。实测入模温度在13-16℃之间。
4.2.4 外加剂：混凝土采用内掺法第一次浇筑掺入水泥用量10%（经试配确定）、第二次浇筑掺入12%的混凝土微膨胀剂FN-MⅡ和水泥用量1%的高效减水剂RJ-3复合型的"双掺"技术，以补偿混凝土的收缩，减小混凝土的收缩应力。
4.2.5 配合比：根据混凝土设计强度及坍落度的要求，经试配确定混凝土配合比，坍落度50-70mm，水灰为0.49。搅拌站测定砂、石的含水率，确定施工配合比。混凝土入模前，实测混凝土的坍落度，发现异常及时通知搅拌站重新拌制，确保配合比要求的坍落度。
4.3 混凝土浇筑
采取分段跳仓法施工,第1、3、5、仓混凝土的浇筑时间为2001年5月17日至18日，第2、4、仓混凝土的浇筑时间为2001年5月26日，其余各仓在6月份完成,相邻段的施工间隔时间为8天。混凝土由集中搅拌站搅制，5辆混凝土罐车运输，溜槽入模。每段均由一端开始，分层浇筑斜面推进的方法，每层混凝土厚度为400mm，每段内不留施工缝。振捣采用φ50mm插入式振捣器，振点间距为400mm。
4.4 混凝土表面处理与养护测温
4.4.1 每段环基混凝土浇筑完毕后,应及时排除表面浮浆.混凝土终凝前进行二次抹压,消除由于失水而产生的表面干缩裂缝。
4.4.2 混凝土采用覆盖一层塑料薄膜和一层岩棉被进行混凝土保温保湿养护。混凝土终凝后及时覆盖一层塑料薄膜；根据测温结果，当混凝土内外温差超过15℃时覆盖一层岩棉被进行保温,将混凝土内外温差控制在20℃以内。
4.4.3 混凝土浇筑完毕5日内，每隔2小时测温一次，5日后，每4小时测温一次。
4.4.3.1 每段混凝土设2组共设24组测温点，每组测温点设上中下三个测温探头。混凝土测温采用建筑电子测温仪。根据混凝土内外温差，适时调整保温层厚度，保温时间不少于一个月。
4.4.3.2 根据测温记录，混凝土中心最大温度为55.7℃；表面最高温度为53.1℃。环基混凝土内部降温速度控制在1℃/d，表面温度与大气温度的温差小于20℃时，结束保温养护工作。
由于措施采取得当，1#冷却塔环基混凝土温度裂缝得到有效的控制，在6月4日和8日的自检中，环基混凝土表面及侧面未发现裂缝。
在6月21日和6月28日业主、监理、设计院、内蒙二建、天津电建联合详查中也没有发现裂缝。
5 结束语
5.1 做好覆盖保温,严格控制混凝土内外温差、温度、梯度，对大体积混凝土温度裂缝控制影响很大。
5.2 掺加适当的微膨胀剂，可以抵消混凝土冷缩和干缩裂缝。
5.3 在满足强度的前提，严格控制水泥用量，选用低水化热水泥是控制混凝土裂缝的有效途径，利用"双掺技术"是控制大体积混凝土裂缝的发展方向。
参考书目:
《电力建设施工及验收技术规范建筑工程篇》SDJ69-87
《混凝土工程施工及验收规范》GB50204-92
《普通混凝土配合比设计技术规程》JGJ/T55-96
《施工技术》2000年第5期
《水工钢筋混凝土结构学》高等学校教材
《工程结构的裂缝控制》王铁梦著
《大体积混凝土施工》叶琳昌著
《大体积混凝土结构研究》吴中伟等著 | 
于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。