摘要：通過對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，證實(shí)大體積補(bǔ)償收縮混凝土能夠有效補(bǔ)償溫度收縮和干裂，抗裂性能優(yōu)于普通混凝土。
　　關(guān)鍵詞：補(bǔ)償收縮,大體積混凝土,溫度收縮
　　引言
　　我國(guó)現(xiàn)階段的建筑結(jié)構(gòu)正向著大體積、超長(zhǎng)超寬方向發(fā)展。同時(shí)我國(guó)水泥生產(chǎn)大致有以下幾個(gè)特點(diǎn)：熟料中C3S含量增多，大多超過50％、粉磨過細(xì)等�；炷�土的收縮率已經(jīng)從0.04%～0.06%增加到0.06%～0.08%。影響混凝土開裂的因素有很多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，荷載裂縫幾率占20％，變形裂縫占80％。其中變形裂縫主要包括化學(xué)收縮，干燥收縮，溫度收縮，塑性收縮以及自收縮和碳化收縮。而大體積混凝土中混凝土的干燥收縮、溫度收縮在混凝土收縮變形中占有比例增大。由于混凝土導(dǎo)溫系數(shù)較差，散熱很慢，混凝土中心溫度將會(huì)很高。因此大體積混凝土中將會(huì)產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力和以及降溫過程中的變形，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度或者降溫過程中的變形超過混凝土極限延伸率，將會(huì)引起混凝土開裂。通過吳中偉院士提出的混凝土冷縮和干縮聯(lián)合補(bǔ)償模式，即
　　當(dāng)|ε－S－ST|≤SK＋CT時(shí)能達(dá)到控制裂縫的目的。其中ε為鋼筋混凝土限制膨脹率，S為混凝土干縮值，ST為混凝土最大降溫冷縮值，SK為混凝土極限延伸率，ST為混凝土徐變。
　　采用補(bǔ)償收縮混凝土能夠聯(lián)合補(bǔ)償干縮和溫度收縮，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)自防水、無縮設(shè)計(jì)快速施工等特點(diǎn)，是一種比較理想解決方案。
　　一、 工程概況
　　南水北調(diào)中線干線工程惠南莊泵站位于北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)惠南莊村東，上游為北拒馬河暗渠，泵站后接雙排DN4000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）壓力輸水管道至大寧調(diào)節(jié)池，是南水北調(diào)中線工程總干渠唯一一座大型加壓泵站，是北京段實(shí)現(xiàn)管涵輸水，小流量自流，大流量加壓揚(yáng)水的控制性綜合工程，也是南水北調(diào)工程的標(biāo)志性建筑物。惠南莊泵站為大（Ⅰ）型Ⅰ級(jí)工程，設(shè)計(jì)流量60m3/s，泵站總裝機(jī)容量58.4MW。主體混凝土方量大約10萬方，共有30塊底板，其中前池底板厚度在1.6～2米之間，主廠房底板厚度為3米，長(zhǎng)度大多超過25米。本文以F6塊底板為例進(jìn)行混凝土抗裂分析。
　　三、施工配合比
　　3.1原材料檢驗(yàn)
　　3.1.1水泥
　　工程采用太行P.O42.5級(jí)水泥。品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果如表3.1，由結(jié)果可以看出該水泥細(xì)度很小，導(dǎo)致混凝土水化熱過快，溫峰提前。水泥超強(qiáng)幅度較大，28天強(qiáng)度達(dá)到60MPa，將導(dǎo)致混凝土彈性模量增長(zhǎng)過快，脆性增大，對(duì)混凝土抗裂性不利。
　　表3.1太行P.O42.5水泥的品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果
　　                             　　
　　表3.2太行P.O42.5水泥的化學(xué)分析（％）

　　3.1.2膨脹劑
　　本項(xiàng)目選用北京中巖特種工程材料公司生產(chǎn)的ZY高效混凝土抗?jié)B防裂膨脹劑，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果列于表3.3。膨脹劑的品質(zhì)檢測(cè)按照J(rèn)C476－2001《混凝土膨脹劑》進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果列于表3.4。檢測(cè)結(jié)果表明，ZY高效混凝土抗?jié)B防裂膨脹劑各項(xiàng)性能良好，具有堿含量低，摻量低，限制膨脹率比較高，膨脹穩(wěn)定期短（內(nèi)摻6％的膨脹穩(wěn)定期為7天左右）等特點(diǎn)。根據(jù)游寶坤等人的研究，為使摻加膨脹劑能夠完全補(bǔ)償混凝土的絕對(duì)體積的減小，膨脹劑與水泥中的SO3含量不能低于4.79％。按膨脹劑單方摻量13％計(jì)算，膠凝材中SO3含量達(dá)到5.97％，完全能夠補(bǔ)償水泥水化收縮，同時(shí)還能夠提供一定膨脹能補(bǔ)償混凝土其他性能收縮。按質(zhì)量比計(jì)算，膠凝材料中Al2O3/SO3＝1，能夠提供足夠的Al2O3以產(chǎn)生鈣礬石。
　　表3.3ZY膨脹劑的化學(xué)分析（％）
　                   　　
　　表3.4ZY膨脹劑的性能指標(biāo)（內(nèi)摻6％）

         
　　　注：B法為使用非基準(zhǔn)水泥檢測(cè)，本項(xiàng)目采用太行前景P.O42.5水泥進(jìn)行檢測(cè)。
　　3.1.3摻和料
　　本項(xiàng)目使用元寶山Ⅰ級(jí)粉煤灰。由于工程采用的骨料是活性骨料，因此采取選用低堿原材料、摻加25％的元寶山Ⅰ級(jí)粉煤灰以及優(yōu)化混凝土配合比控制混凝土總堿量等技術(shù)措施后，能夠達(dá)到預(yù)防惠南莊泵站混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的目的。摻和料的加入能使混凝土限制膨脹率降低，但是能夠降低混凝土膨脹落差，起到降低成本、改善工作性、降低混凝土水化熱等好處。
　　3.1.4骨料
　　試驗(yàn)采用北拒馬河的河砂和碎卵石，細(xì)骨料經(jīng)檢驗(yàn)細(xì)度模數(shù)2.43，屬于中砂。粗細(xì)骨料經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)軌驖M足DL/T5144－2001的要求。
　　3.2配合比
　　工程配合比由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院設(shè)計(jì)，采用的配合比如表3.5.膨脹劑采用外摻法等質(zhì)量取代總膠凝材用量，粉煤灰等質(zhì)量取代剩余膠凝材。坍落度控制在7～9范圍內(nèi)�？刂苹炷�土含氣量在4.5～5.5％范圍內(nèi)，以保證砼抗凍等耐久性要求。
　　表3.5二級(jí)配抗凍抗?jié)B膨脹混凝土配合比

                       
　　注：1＃（C9030W6F150）為微膨脹混凝土，限制膨脹率1.5/萬～2.5/萬，2＃（C9035W6F150）為加強(qiáng)膨脹混凝土，限制膨脹率3.5/萬～4.5/萬。
　　四、混凝土施工狀況
　　由于混凝土最高溫度發(fā)生在3～8d齡期內(nèi)，而隨著混凝土溫度降低，溫度應(yīng)力逐漸增大，因此以28d混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)混凝土進(jìn)行抗裂性分析是科學(xué)的。
　　F6塊底板長(zhǎng)52.8米，寬為11米，底板厚為2米，于2006年9月10日至9月13日澆筑，一次成型�；炷�土采用1.5方強(qiáng)制攪拌機(jī)，拌和時(shí)間120s。采用混凝土攪拌車運(yùn)輸，布料機(jī)入倉(cāng)，采用分層澆筑。養(yǎng)護(hù)方式為人工灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14天。澆筑期間大氣溫度14～31度，混凝土出機(jī)溫度21～26度，含氣量及抗壓強(qiáng)度如表表4.1
　　表4.1F6塊底板混凝土坍落度、含氣量及抗壓強(qiáng)度

                        
　　　　五、混凝土抗裂性分析
　　采用吳中偉院士提出的混凝土冷縮和干縮聯(lián)合補(bǔ)償模式，即|ε－S－ST|≤SK＋CT來分析這塊底板的抗裂性能，因此要求首先得到現(xiàn)場(chǎng)混凝土的限制膨脹率、干縮值、極限延伸率和混凝土徐變。
　　5.1求混凝土極限延伸率
　　由于混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度存在一般關(guān)系式：ft=0.23fcu2/3，根據(jù)混凝土28d齡期抗壓強(qiáng)度可得其抗拉強(qiáng)度值，計(jì)算結(jié)果如下：fcu=34.2
　　ft=0.23×34.22/3=2.40
　　fcu：混凝土抗壓強(qiáng)度
　　ft：混凝土抗拉強(qiáng)度
　　F6塊底板沿長(zhǎng)度方向配筋率為μ＝0.99％，鋼筋直徑d=28mm，混凝土抗拉強(qiáng)度采用28d計(jì)算強(qiáng)度Rf=2.53。根據(jù)游寶坤等研究成果，極限延伸率采用以下經(jīng)驗(yàn)公式：
　　Sk=0.5Rf(1+μ/d)×10-4×(1+0.5)=2.4310-4
　　Sk－極限延伸率
　　μ－配筋率，×100
　　d－鋼筋直徑，mm
　　Rf－混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa
　　5.2求溫度變形
　　經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，混凝土入倉(cāng)溫度平均為22.3度，混凝土中心最高溫度為53.4度，溫度為31.1度。混凝土線膨脹系數(shù)在7～14×10-6/℃范圍內(nèi)，因此本文采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值10×10-6/℃。由于受到鋼筋和基礎(chǔ)約束，約束系數(shù)為R＝0.6，計(jì)算產(chǎn)生的最大冷縮變形值為：
　　St=10×10-6×ΔT×R=1.87×10-4
　　5.3混凝土干燥收縮率
　　混凝土干縮會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，使構(gòu)件開裂。因此混凝土的干縮對(duì)混凝土及鋼筋混凝土的性能影響很大，在計(jì)算薄壁結(jié)構(gòu)或大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力時(shí)，均需考慮混凝土的干縮變形。
　　5.4混凝土限制膨脹率
　　當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到3～5MPa時(shí)拆模，測(cè)量初始長(zhǎng)度，然后將試件浸入（20±2）℃水中養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定3d,7d,14d水中的長(zhǎng)度以及28d,42d空氣中的長(zhǎng)度。由于配合比同時(shí)摻加了粉煤灰，膨脹劑和高效減水劑，能有效降低混凝土膨脹落差。測(cè)得水中14d限制膨脹率為2.1/萬。
　　5.5最終變形值
　　根據(jù)吳中偉院士提出的混凝土冷縮和干縮聯(lián)合補(bǔ)償模式，即|ε－S－ST|=1.27×10-4（2.43×10-4＝SK＋CT）說明只要加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，就能達(dá)到控制混凝土不開裂。
　　5.6現(xiàn)場(chǎng)情況
　　經(jīng)過長(zhǎng)期檢測(cè)，內(nèi)外溫差超過30度，未發(fā)現(xiàn)可見的裂縫。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，鋼筋處于受拉狀態(tài)。說明補(bǔ)償收縮混凝土能夠補(bǔ)償大體積混凝土的溫差收縮和干縮變形，有效阻止裂縫的產(chǎn)生。
　　六、結(jié)束語
　　1、補(bǔ)償收縮混凝土能夠聯(lián)合補(bǔ)償混凝土的溫度收縮和干燥收縮，對(duì)大體積混凝土來說有很積極的意義。但是摻加膨脹劑后混凝土養(yǎng)護(hù)要求更加嚴(yán)格，這是因?yàn)榕蛎浽川D―鈣礬石的生成過程需要大量的水，如果養(yǎng)護(hù)不當(dāng)將會(huì)使混凝土干縮更加嚴(yán)重。因此在施工過程中，制定嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)制度將是十分重要的。
　　2、由于補(bǔ)償收縮混凝土能夠使鋼筋產(chǎn)生一定值的預(yù)應(yīng)力，使得混凝土在內(nèi)外溫差大于25度時(shí)仍然不會(huì)開裂，說明補(bǔ)償收縮混凝土能夠有效補(bǔ)償混凝土的溫差收縮。但是依然要限制混凝土入倉(cāng)溫度，過高的內(nèi)部溫度將會(huì)使混凝土的熱脹與混凝土的自身膨脹發(fā)生重疊，將會(huì)使對(duì)混凝土表層和底層產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，對(duì)該處混凝土很不利。因此要在保證混凝土經(jīng)濟(jì)方便的條件下，盡可能降低混凝土入倉(cāng)溫度及采取其他降溫措施。
　　3、補(bǔ)償收縮混凝土對(duì)混凝土配筋率要求比較嚴(yán)格，與補(bǔ)償收縮混凝土相適應(yīng)的配筋率能夠更加有效地防止裂縫產(chǎn)生。在混凝土結(jié)構(gòu)突變部位及孔洞周邊應(yīng)增加箍筋和加強(qiáng)筋，以保證混凝土膨脹時(shí)能夠張拉鋼筋，儲(chǔ)存混凝土的膨脹能，從而防止混凝土干縮裂縫的產(chǎn)生。
　　4、配合比同時(shí)摻加了粉煤灰，膨脹劑和高效減水劑，能夠有效降低混凝土膨脹落差。同時(shí)由于鈣礬石有吸水膨脹的作用，在水分充足的情況下能夠使混凝土早期產(chǎn)生的微裂紋自動(dòng)愈合，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)自防水有利。