温控型抗裂剂在某滨海项目大体积混凝土中的应用

刘志军,武春阳,高 莹,李兴跃,朱国军

(1.中交建筑集团第二工程有限公司,南昌 330013;2.武汉三源特种建材有限责任公司,武汉 430083)

随着基础建设的蓬勃发展,混凝土高耐久配制技术越来越得到重视。混凝土性能的优劣直接影响建筑结构的使用寿命[1]。此外,建筑结构的服役环境也影响混凝土的使用年限,恶劣的服役环境更易造成混凝土的劣化,尤其是滨海地区,水中的腐蚀性离子以及水位的干湿交替,对混凝土结构的安全性和耐久性提出了更高的要求[2]。目前针对混凝土的耐久性研究主要集中在混凝土的补偿收缩以及温升调控上,吴中伟院士指出加入一定量的膨胀剂可以减免混凝土的内部裂缝;日本于20世纪90年代研制出了抑制水化热的“电化CSA100R”[3],我国近几年针对混凝土的温升调控也开展了大量的研究[4,5]。此外,混凝土结构的有限元建模分析也越来越多地应用在工程建设中[6,7],可以较好的模拟整个施工过程,得到混凝土结构温度场、应力场、裂缝系数分布及变化的仿真分析结果。

以青岛人工智能产业聚集区为研究对象,通过采用温控型抗裂剂实现混凝土的补偿收缩和温升调控,来预防混凝土的开裂,借助有限元分析软件MIDAS FEA,进行空白模型和采用温控型抗裂剂模型的温度、开裂风险分析,并对实际工程进行钻芯取样,测试实体混凝土的耐久性能,为滨海地区高耐久混凝土的制备提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥:淄博鲁中水泥有限公司提供的PO 42.5水泥;粉煤灰:华电莱州发电有限公司的F类Ⅱ级灰;粗骨料:5～25 mm连续级配碎石;细骨料:Ⅱ区中砂,细度模数2.6;减水剂:江苏苏博特新材料股份有限公司提供的聚羧酸系减水剂,减水率21%;温控型抗裂剂(WKM):武汉三源特种建材有限责任公司提供;水为自来水。

1.2 温控型抗裂剂作用机理

温控型抗裂剂由温控组分、膨胀组分以及活性矿物组分按一定比例混合而成。

温控机理:温控组分中的可溶组分含有羟基,可吸附在水泥表面,调控水泥的诱导期和加速期水化速度,微溶组分在水泥溶液创造出的碱性条件下,可以逐步溶解-吸附于水泥颗粒表面,抑制水泥颗粒中C3S的1～2 d的水化速率,从而抑制水泥加速期和减速期的水化。图1为空白组(纯水泥)与试验组(水泥∶温控型抗裂剂=7∶3)的净浆放热速率。由图1可以看出,试验组3 d、7 d的水化放热量分别降低了41.8%和30.7%。

膨胀机理:膨胀组分主要为轻烧MgO。MgO是采用菱镁矿通过回转窑煅烧而成,是根据煅烧温度的不同制备出的不同活性的MgO材料。MgO在水中可水化生成Mg(OH)2,使固相体积增大118%。MgO具有延迟水化的特性,常温下活性低,温度高于40 ℃时,活性得以激发,这种水化特性可以更好地储存产生的膨胀能,补偿降温阶段的温度收缩。

2 有限元分析

2.1 模型建立

选取地下筏板基础进行建模,筏板尺寸为50 m×50 m×1.8 m。根据结构的对称性,建立1/4有限元模型,如图2所示。

2.2 参数确定

筏板采用C40混凝土,空白组与试验组的混凝土配合比见表1,温控型抗裂剂掺量为胶凝材料总量的10%,替换部分粉煤灰。材料特性值见表2。

表1 混凝土配合比 /(kg·m-3)

表2 材料特性值

设置三种边界条件。1)底部固结:底板下方受地基约束,在底板底部输入固结边界条件,约束其三个平动自由度。2)对称边界:仅建立了1/4结构的有限元模型,考虑结构的对称性,在关于X轴对称的对称面上约束Y向自由度,在关于Y轴对称的对称面上约束X向自由度。3)对流边界:底板在浇筑过程中,会涉及到不同外界条件的对流系数:侧面有模板对流和空气对流;顶面裸露于空气中。

温控型抗裂剂掺入混凝土中,不仅会膨胀改变混凝土的收缩与徐变,还会影响早期混凝土的热力学参数,水化热分析数据见表3。水化热分析阶段划分为:1)前3 d,底板侧面为2 cm木模板支护,顶面裸露在空气中;2)3 d拆模后,底板裸露在空气中。

表3 水化热分析数据

2.3 评价标准

温度评价与开裂风险评价参照《大体积混凝土施工标准》GB 50496—2018进行。大体积混凝土温控抗裂安全系数是指混凝土的轴心抗拉强度与对应龄期温度应力计算最大值之比,按式(1)进行判定

(1)

式中,δx为混凝土的温度应力,MPa;ftk(τ)为混凝土龄期为τ时的轴心抗拉强度,MPa;K为混凝土防裂安全系数,取K=1.15。

采用裂缝系数η(容许抗拉强度与温度应力的比值)与防裂安全系数K对比来评估其开裂风险。当裂缝系数η≥1.15时,结构基本不会开裂;当裂缝系数η<1.15时,结构有开裂风险。

2.4 计算结果与分析

1)温度评价

表4统计了混凝土温度计算结果。从表4可以看出,温控型抗裂剂的掺入,相比于空白组,温峰降低了5.4 ℃,温峰出现时间延迟了6 h,最大里表温差的降低减小了温度应力引起的开裂风险。

表4 混凝土温度信息

2)开裂风险评价

两组混凝土的开裂风险随时间发展变化曲线如图3所示。空白组第1 d的裂缝系数为1.06,小于防裂安全系数1.15,有一定的开裂风险;试验组各龄期的裂缝系数均大于1.15,无开裂风险。由此可知,大体积混凝土的早期开裂风险最高,这是混凝土内部温度的急剧上升,造成较大的里表温差,而此时的混凝土抗拉强度处于发展阶段,抵御温度应力的能力较弱。3 d后拆模,在第4 d时,两组混凝土的裂缝系数均有所下降,这是因为拆模后,混凝土内部温度降温慢,表面温度下降较快,导致里表温差的再一次增大。温控型抗裂剂可以降低混凝土早期的水化速率,延缓升温,有利于混凝土的裂缝控制。

3 工程应用

3.1 实体结构温度、应变

实体筏板工程采用表1中的C40试验组配合比进行浇筑,采用振弦式应变计测试筏板中心点位和上表面点位的温度、应变发展,结果见图4。从图4可以看出,混凝土中心点位和表面点位的温度、应变发展规律基本一致。升温阶段,应变逐渐增加;降温阶段,混凝土收缩,应变减小,在7 d时,应变基本趋于稳定。在21 d时,两处点位的应变均为正值,筏板结构整体处于微膨胀的状态,大大减少了收缩引起的开裂风险。

3.2 钻芯取样测试结果

筏板浇筑30 d后,分别采用150 mm和100 mm孔径进行钻芯,其中150 mm芯样切割为100 mm立方体试块进行抗压强度以及干湿循环试验,100 mm芯样采用RCM(快速氯离子迁移系数)法进行氯离子渗透性能试验,结果见表5。从表5可以看出,测试芯样经过120次干湿循环后,混凝土的耐蚀系数可达98.4%,抗硫酸盐等级≥KS 120;芯样的氯离子渗透系数为2.34×10-12m2/s,达到RCM-Ⅳ等级。实体混凝土具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力以及抗氯离子渗透能力。

表5 芯样测试结果

4 结 论

a.基于有限元分析,温控型抗裂剂可以提高裂缝系数,保证各龄期的裂缝系数均大于防裂安全系数1.15,降低开裂风险。

b.工程应用结果表明,混凝土中掺入温控型抗裂剂,可使筏板混凝土在21 d时,整体仍处于微膨胀状态,减少了收缩引起的开裂风险;筏板混凝土的抗硫酸盐等级≥KS 120,抗氯离子渗透性能达到RCM-Ⅳ等级,具有良好的耐久性能。