混凝土外加剂在基础大体积混凝土中的应用

[关键词] 　混凝土外加剂；基础大体积混凝土；应用；分析

1 　基础大体积混凝土的概念

高层建筑的发展首先涉及的是基础工程问题，而基础工程大多数属于大体积混凝土工程，例如，高层建筑的箱形基础、筏式基础、桩基厚大的承台等，都属于体积较大的混凝土工程。这些大体积混凝土工程具有结构厚，体形大、钢筋密，混凝土数量多(有的混凝土量已超过10000m³)，施工条件复杂和施工技术要求高等特点，除了必须满足强度、刚度、整体性和耐久性要求外，还存在如何控制和防止温度应力，变形裂缝产生等问题。

大体积混凝土基础的特点是混凝土浇筑面和浇筑量大，当混凝土浇筑完毕，由于水泥水化热的影响，使混凝土内部最高温度3～5d达到峰值，此时若混凝土内部最高温度与外界气温之差超过25℃，在升温阶段和降温阶段，容易发生表面裂缝和收缩裂缝。

在升温阶段，由于混凝土内部的温度比较高，混凝土体积大，因此聚集在混凝土结构内部水化热不易散发，使混凝土内部温度显著升高，而混凝土表面则散热较快，这样形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，如果此时产生的拉应力大于混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝。在降温阶段，由于混凝土逐渐散热，而产生收缩，此时的收缩受到基底或结构本身的约束，会产生较大收缩应力(拉应力)，如果产生的收缩应力超过此时的混凝土极限抗拉强度就会在混凝土中产生收缩裂缝。因此，大体积混凝土施工中就要采取一些技术措施，避免由于混凝土内外温差过大(超过25℃)，所引起的表面裂缝和收缩裂缝的发生。

实验表明混凝土内部的最高温度，大多发生在混凝土浇筑后的最初3～5d，此时混凝土的极限抗拉强度和弹性模量都很低，对水化热所引起的温度应力约束不大。如果采用低水化热水泥，添加混凝土外加剂、掺入粉煤灰等方法，降低混凝土的水化热及减少水泥用量，延缓水化热出现峰值的时间和提高混凝土的早期强度可大大减少或避免这两种裂缝的发生。

大体积混凝土降低混凝土内部的最高温度和减小其内外温差，除要编制可行的施工方案和周密的技术措施以外，还必须考虑外加剂在基础大体积混凝土工程中的作用。

2 　基础大体积混凝土中使用的外加剂

有关混凝土外加剂确切的定义，目前仍有些争议。1987年我国制定和颁布了第一部混凝土外加剂的国家标准，其中将混凝土外加剂定义为“混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中加入，用以改善混凝土性能的物质。掺量不大于水泥重量的5 %(特殊情况除外)。”因此，在混凝土中加入混凝土外加剂可改善混凝土性能，提高混凝土强度，减少水泥用量等。

基础大体积混凝土外加剂一般多采用微膨胀剂和高效缓凝减水剂，武汉地区基础大体积混凝土中常用外加剂有：MC25型高效缓凝减水剂、木质素磺酸盐类减水剂、CAS微膨胀剂、UEA微膨胀剂等等。

a)MC25型高效缓凝减水剂是武建集团一公司科研所研制，先后在武汉天河机场，五星城酒店、泰合广场、东方商都等10多项大型工程中使用，均获得较好的经济技术效益。MC25型高效缓凝减水剂主要特点如下：

1) 强度不变的情况下，可节约水泥12%～15%，混凝土造价降低(2～8元/m³；2) 水泥用量不变，减水率可达18%～20%，混凝土3d、7d强度提高50%～70%，28d强度提高20%～30%；3) 可配制C60～C80混凝土，混凝土可在3d内达C45；4) 可配制抗渗等级S30以上混凝土。；5) 强度不变，减少水泥用量12%，仍可配制坍落度20～22cm的流动混凝土；6) 混凝土的初终凝时间延缓2～5h；7) 水泥水化热峰值推迟3～8h，峰值下降，有效地克服了大体积混凝土由于温度应力所产生的裂缝等。

b) 木质素磺酸盐类减水剂，木质素磺酸盐为阴离子型表面活性剂，基本结构是苯基丙烷衍生物，由生产纸浆的废液中提出各类木质衍生物，有木质素磺酸钙、钠、镁等，是研究成功最早、目前产量最大、应用最广泛的减水剂。其掺量为水泥重量的0.2%～0.3%，以木钙减水剂为例，具有如下特点：

1) 属阴离子表面活性剂，在混凝土中对水泥颗料起扩散作用，能使水泥充分水化；2) 改善混凝土的和易性，减水率为10%～15%，并可明显提高混凝土流动度；3) 提高混凝土的密实性，改善混凝土的抗渗能力(由S6级提高到S12～S30级)；4) 28d抗压强度可提高10%～15%，在混凝土工作性和强度相近条件下，可节约水泥5%～10%；5) 当水泥用量不变，强度相近条件下，塑性混凝土的坍落度可增加50mm～120mm。

c) CAS微膨胀剂，由一冶建科所研制，武汉一冶特种建筑材料厂生产的。其主要特点如下：

1) 改善混凝土的孔隙结构，使总孔隙率减少，毛细孔径减少，从而提高了混凝土的抗渗性；2) 改善了混凝土的应力状态，膨胀能转变为自应力，使混凝土处于受压状态，从而提高了混凝土的抗裂性能；3) CAS取代一部分水泥，可提高混凝土的强度，在保持混凝土强度不变的情况下，节省水泥，从而大幅度降低混凝土的绝对升温，减小了温度裂纹的危害；4) CAS分快凝型和缓凝型两种，适应施工多变要求。缓凝型能降低水泥水化热的峰值，并推迟峰值到来时间，符合大体积混凝土施工技术要求。外观为深灰色粉状固体。

d)UEA型混凝土膨胀剂，由中国建材研究院研制，多家生产。其主要特点如下： 1)UEA以10%～12%内掺(取代水泥率)水泥中，可拌制成补偿收缩混凝土，其限制膨胀率为0.02%～0.04%，在钢筋和邻值约束下，可在混凝土中建立0.2～0.7MP的预压应力，这一预压应力大致可抵消混凝土硬化过程中产生的收缩拉应力，使结构不裂或控制在无害裂缝范围内；2) 掺UEA的强度，弹性模量和抗冻标号与普通混凝土基本相同，但抗渗标号比普通混凝土提高1～2倍；3) 掺入UEA的水泥，可降低水泥水化热。

e) FDN2440混凝土缓凝减水剂为华联外加剂工业开发公司湛江外加剂厂生产的一种新型混凝土外加剂。其主要特点如下：

1) FDN2440掺量范围为0.2%～0.5%， 常用掺量为0.4%；2) 在同配合比、同坍落度条件下，FDN2440的减水率随掺量的增加而增大。掺量为水泥用量的0.4%时，减水率可达14%左右；3) 常温情况下，掺用FDN2440的混凝土，其初凝时间约比不掺的延长0.5～2h，适于炎热气候下使用；4) 在同配合比、同坍落度条件下，掺加FDN2440，可使1d、3d混凝土强度均提高30%～50% ，28d混凝土强度能提高20%以上，在同强度条件下可节约水泥用量10%～15%；5) 延缓温峰：掺用FDN2440，可使混凝土的内部温升有所降低而延缓温峰的出现。大体积混凝土中掺用FDN2440，可降低温凝土的温度应力，提高其抗裂性能。

3 　在基础大体积混凝土中掺入外加剂的效果分析

一般在混凝土中加入外加剂后，可取得以下效果：

a) 延缓混凝土的凝结时间和降低水化热。若混凝土中掺入缓凝减水剂后，混凝土的凝结时间可显著延缓，使混凝土的初凝和终凝时间相应延缓5～8h，其龄期1～3d的水化热减少，热峰值出现时间推迟，放热峰值的温度降低，从而有效地控制了混凝土的内外温差，减少了混凝土开裂的可能性。

b) 减少了水泥用量。在混凝土中掺入高效缓凝减水剂后，可降低混凝土单方水泥用量。由于水泥用量的减少，从而降低了由于水泥水化引起的大量水化热，使混凝土内部热峰值降低，不仅减小了温度应力，而且减小了由于混凝土内外温差过大引起混凝土开裂的可能性。

c) 减少用水量。在混凝土中掺入高效减水剂后，可大大降低混凝土的水灰比，提高混凝土的坍落度和施工时的和易性。由于用水量的减少，减小了由于混凝土中水份的蒸发引起的混凝土干燥收缩开裂的可能性，同时也增强了混凝土的密实性和抗渗性。

d) 限制混凝土的膨胀率。采用微膨胀剂可使混凝土体积在水化过程中产生适度膨胀，建立自应力，以补偿混凝土的收缩和冷缩，达到抗裂目的。如中国建材院经过试验认为UEA的微膨胀作用主要发生在14d以前，用于补偿混凝土的干缩，但在14d～90d仍有小量膨胀，用于补偿的混凝土冷缩。UEA混凝土的膨胀性能见表1。

　  由于掺入UEA混凝土外加剂混凝土在养护期间可产生适度膨胀，在混凝土中建立预压应力，当混凝土开始收缩时，其预压应力足以抵抗收缩拉应力的作用，从而防止了裂缝的出现。另一方面在混凝土中加入UEA混凝土外加剂后，还可降低水化热，在一定程度上可补偿混凝土的温差收缩。一般大体积混凝土施工中均将UEA混凝土外加剂与高效缓凝减水剂复合使用，可收到较好的效果。

武汉某大厦基础大体积混凝土施工中，为更好的检验掺入不同的外加剂对混凝土性能的综合影响，作了大量的试验，外加剂采用UEA微膨胀剂，JM2Ⅱ高效减水剂，TMS微膨胀剂，MC25高效减水剂和CAS微膨胀剂，得出的试验结果如表2和表3所示：

     从表中试验结果可以看出，在混凝土中掺用复合外加剂后，混凝土的抗压强度和坍落度均比没有掺入外加剂的基准混凝土有显著的提高，从表2 可以看出当采用52.5级普通硅酸盐水泥，在混凝土配合比相同的情况下，掺入不同的混凝土外加剂其混凝土的抗压强度和坍落度均有较大增长，特别是掺入UEA微膨胀剂和JM2Ⅱ高效减水剂后，其3d的混凝土抗压强度达到38.9MPa，坍落度达到18.5cm，由此可见掺入复合混凝土外加剂后不仅可以提高混凝土的坍落度，减少水泥用量和用水量，而且可大大提高早期的混凝土抗压强度和抗拉强度。

在从表3可以看出，当采用62.5级普通硅酸盐水泥，不掺外加剂时，基准混凝土的抗压强度3d、7d、28d分别为38.1MPa、42.8MPa、47.2MPa ，但掺入MC25高效减水剂后和UEA 微膨胀剂(或CAS微膨胀剂) 混凝土的抗压强度和坍落度均有较大的提高。特别是掺入MC25( 1.5 %) 和CAS(16 %) ，混凝土的抗压强度3d、7d、28d分别达到48.3MPa、57.8MPa、69.3MPa，其抗压强度的增长较基准混凝土和掺用其他品种外加剂的混凝土均要高，所以在混凝土中掺入这两种外加剂效果明显，可作为施工时配制混凝土的参考。

4 　基础大体积混凝土应用外加剂实例  

武汉市某工程结构形式为钢筋混凝土框筒结构，采用<1000反循环钻孔灌注桩，箱形基础，地上28层，地下一层，抗震设防烈度7 度，抗震等级为二级，基础承台板厚度分别为1m、2m、2.5m、3 m不等，其中中心筒承台板(J23)浇筑混凝土面积484m³，一次浇筑混凝土最多为1320m³。

4.1 　混凝土配合比和外加剂使用情况

该工程地下室底板混凝土设计标号C40，采用华新52.5级矿渣硅酸盐水泥、中砂(巴河产)， M =2.7，5～40连续级配，外加剂采用UEA微膨胀剂和FDN/SP高效缓凝减水剂，混凝土坍落度控制在14～18cm，混凝土初凝时间不小于4h，采用商品混凝土施工，抗渗等级S8，UEA微膨胀剂由河南驻马店中原科技实业有限公司生产，高效减水剂由铁道部大桥局谷桥集团生产，其具体配合比情况见表4。

4.2 　保温测温情况

底板混凝土浇筑时按6～7月考虑，武汉平均气温为30℃，3m厚底板混凝土表面覆盖物，经计算需两层麻袋，麻袋下覆盖塑料薄膜一层，其计算厚度3.2cm。其计算数据如下：52.5级矿渣硅酸盐水泥，水化热4.9kJ/kg；混凝土的浇筑温度为24.06℃；外界平均温度为30℃，混凝土3天的绝热温升为39.1℃，混凝土中心的最高温度经计算为63.2℃，混凝土的表面温度为41.11℃。且在混凝土内部埋设由<38mm钢管，通入循环水，以降低混凝土表面和内部温度差。

地下室底板核心区部分共设测温点7处，每处分别3个测温孔，按上、中、下埋设，上为混凝土表面温度，中为混凝土的温度，下为距底板300mm处的温度。在混凝土浇筑之前埋设由38镀锌钢管，下端用4mm厚的铁板封严，并与承台钢筋焊接固定，镀锌钢管高出混凝土板面5cm，管口用木塞封闭，以防水进入，测温采用电子测温仪，测温仪必须伸入管底，混凝土浇筑24h后开始测温，第一天到第四天，每24h测温一次，第五天到第8d每4h测一次。第八天向后根据具体情况确定不定时测温。当混凝土中心的温度与混凝土表面温度、混凝土表面温度与大气温差超过25℃时，应立即采取措施。表5是基础上、中、下部逐渐升、降温度变化表(取其平均值计算)。

　  从表5中可以看出，温度变化总体情况较好，除第3天和第4天少数点温差超过25℃时，其余均在25℃范围之内，经过及时采取措施后，趋向正常。

5 　小结

在大体积混凝土施工中掺入混凝土外加剂，可大大改善混凝土工作性能，提高混凝土强度，增强混凝土的密实性，减少收缩、徐变和提高混凝土抗渗性，同时由于水泥用量的减少和混凝土微膨胀剂及高效缓凝减水剂的双掺应用，可推迟或延缓水泥水化热的作用，增强混凝土的抗裂性能，防止大体积混凝土出现升温阶段的表面裂缝和降温阶段的收缩裂缝。