超缓凝砂浆在船闸大体积混凝土中的应用

刘忠友

（中交二航局第三工程有限公司，江苏 镇江 212003）

0 引言

混凝土裂缝是大体积混凝土最常见的质量问题，主要是由于混凝土收缩变形受到约束引发的收缩裂缝。当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝[1]。裂缝主要在早期形成，此时混凝土的强度较低，在约束应力作用下很容易出现。

当混凝土结构物产生变形时，在结构的内部，结构与结构之间，都会受到相互影响、相互制约，这种现象称为约束。对于大体积混凝土结构，由于其内部温度和湿度分布不均匀，引起内部不同部位的变形相互约束，特别是内外温差的影响，位于低温区的混凝土由于受到高温区混凝土的约束，这样的约束称之为内约束；结构物的变形由于其他结构的阻碍所受到的约束称为外约束。

对于建于坚硬土层的现浇混凝土或分层浇注的大体积混凝土，外部约束对混凝土开裂的影响较为严重，由于在浇注上层混凝土时，下层原浇注的混凝土已经过一段时间的发展，其收缩基本完成，而上层新浇注的混凝土才开始收缩，下层混凝土必然会约束上层新浇注混凝土的收缩变形，形成起自分界面的约束裂缝。

湘江长沙综合枢纽船闸工程系国家较大型的水运工程，船闸工程混凝土中有57万余m3属于大体积混凝土，船闸闸室墙的高度为23 m，闸首墙最高达33.6 m以上，分层次数在12层以上（见图1）。而且闸墙建筑在岩石之上，说明每一层闸墙混凝土都会受到下层地基或构筑物的约束。如何缓解下层约束对构件产生的影响，是需面对的问题。

图1 闸首混凝土浇注分层图

1 裂缝形成原因分析

混凝土是由骨料、胶凝材料、水、添加料等混合而成的，混凝土的胶凝材料水泥在其水化过程中会释放出热量，使混凝土温度升高。不同部位的混凝土，其温度裂缝形成的形态有所不同，分析如下：

1）对于一次性浇筑的大体积混凝土，其产生裂缝的主要原因是混凝土内外较大的温差。构件厚度大的混凝土，水化过程中产生的水化热不可能马上释放出来，外表的温度散失快，内部温度散失慢，形成混凝土的内外温差，温差的存在就预示着内外混凝土收缩的不平衡，外部的混凝土由于温度较低，收缩较大，内部混凝土由于温度较高，收缩较小，对于外部混凝土来说其收缩就受到了限制，也就是受到了内部约束。内部约束的存在会造成混凝土外观裂缝。

2）对于分层浇筑的大体积混凝土不但存在内部约束问题，同时还存在有外部约束问题。分段（层）浇筑的混凝土由于上下层间浇筑时间的先后，下层混凝土在浇筑上层混凝土时其温度已经降低、已完成部分收缩，上层混凝土在浇筑后就面临着温度降低、硬化收缩的问题，上下两层混凝土的收缩过程显然是不同步的，上层混凝土的收缩会受到下层混凝土的约束限制，接缝之间就会由于约束的影响而开裂。浇筑在坚硬岩基上的大体积混凝土也存在这个问题。

3）约束影响分析。混凝土受到的外部约束力：

式中：kR为约束系数；αc为热膨胀系数，1/℃；Ee为有效弹性模量，MPa；△Tmd为构件断面平均温度最大值，℃。

2 预防约束的对策

由式（1）分析可知，降低约束系数kR可有效缓解约束力，因此采用超缓凝砂浆[2]替代普通砂浆作为结合层可大大降低约束系数，由于超缓凝砂浆具有7～10 d不硬化的特点，上层新浇注的混凝土在7 d内受到下层的约束力可大为减少。超缓凝砂浆的材料及性能见表1所示。

表1 超缓凝砂浆性能一览表

普通砂浆的凝结时间一般在2 h左右，而超缓凝砂浆在15～45℃的封闭环境下，能在7～10 d内不凝结，而在7～10 d后才逐渐硬化，并最终达到30 MPa以上的抗压强度。大体积混凝土的内部温度一般较高，图2是35℃恒温条件下，掺加不同用量的复合缓凝剂时超缓凝砂浆的硬化情况。缓凝时间随着复合缓凝剂掺量的增加而延长，后期强度降低，但仍在发展。

图2 超缓凝砂浆硬化对照图

试验表明，温度对超缓凝砂浆有显著影响，温度高，缓凝时间长，而开始硬化后的速度快，后期强度高；温度低，缓凝时间短，开始硬化后的硬化速度慢，后期强度低。这种变化规律与水泥的凝结规律相反，却与水泥的硬化规律一致。由此推测知：超缓凝砂浆适合环境温度较高的大体积混凝土。

3 工程实施

为保证湘江长沙综合枢纽工程质量，在施工缝的处理上全面采用了超缓凝砂浆。混凝土的收缩以前期收缩为主，主要控制其前7 d的收缩影响。施工期间，在配制了具有优良性能大体积混凝土的基础上，在混凝土在分层浇筑时，利用超缓凝砂浆替代常规的水泥接缝砂浆，超缓凝砂浆在30℃左右的温度下缓凝效果可达到7 d以上，效果良好。

超缓凝砂浆的铺砌及上层混凝土的浇筑有不同之处，要确保砂浆铺砌均匀、保持良好，超缓凝砂浆在摊铺后要用平板振动器振捣密实。紧邻砂浆层的1层混凝土浇筑厚度应控制在250 mm以下，并用平板振捣器振实，不能采用插入式振捣器振捣。

超缓凝砂浆施工完成后应及时浇筑上面的混凝土，防止铺筑后的超缓凝砂浆长期暴露在阳光下。

4 效果分析及结论

在湘江长沙综合枢纽船闸工程的施工中大量应用了超缓凝砂浆，在每个施工层的接缝部位用超缓凝砂浆替代了普通砂浆，共使用超缓凝砂浆3 000余m3，施工了50余万m3船闸混凝土，除高温季节施工的部分闸墙段外，没有发现外部约束裂缝，使用效果非常明显。

由于超缓凝砂浆的前期润滑和后期的胶结特性，可大大缓解基层或先浇混凝土对新浇筑混凝土的前期约束，防止层间约束裂缝的产生，因此对于基面为岩性地基的结构物或者需要分层浇筑的混凝土构筑物，应具有广泛的应用前景，对于提高混凝土的整体耐久性和外观质量起到良好的作用。

湘江长沙综合枢纽船闸工程在使用了分层接缝超缓凝砂浆后，船闸墙体的裂缝得到了可靠控制，提高了船闸的整体使用寿命；同时，由于裂缝的数量、宽度的降低，船闸墙体外观质量大大提高，为工程获得国优打下了良好的质量基础。

由于超缓凝砂浆缓解了混凝土的外部约束应力，使混凝土的约束裂缝大大减少，因此可有效提高结构的使用寿命。同时，由于外观裂缝的减少，提高了结构物的外观质量，减少了修补裂缝对环境的污染。由于其效果明显，使用范围广泛，因此具有广泛的应用前景。

[1]朱惠英.超缓凝剂的研究及其应用[J].混凝土，1995（1）：47.

[2]王起才.超缓凝砂浆研究和在预应力混凝土中的应用[J].工业建筑，1996，26（3）：38-41.

[3]GB 8076—2008，混凝土外加剂[S].