低熱硅酸鹽水泥改善大體積混凝土抗裂性能研究

1、低熱硅酸鹽水泥改善大體積混凝土抗裂性能研究第4l卷第l8期2021年9月人民長江YangtzeRiverVo1.41.No.18Sep.,2021文章編號:10014179(2021)18007303低熱硅酸鹽水泥改善大體積混凝土抗裂性能研究韓建國,呂鵬飛,陽運霞,吳勇(1.四川嘉華企業(yè)(集團)股份,四川樂山614003;2.國電大渡河深溪溝水電,四川漢源625300)摘要:總結分析了大體積混凝土易產(chǎn)生裂縫的原因及應對措施,指出使用低熱硅酸鹽水泥可有效改善大體積混凝土的抗裂性能.選取低熱硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥開展試驗比照分析,從水化熱,抗壓強度,混凝土收縮膨脹等方面闡述了低熱硅酸鹽水泥有利

2、于提高混凝土抗裂能力的原因.并通過瀑布溝水電站工程和深溪溝水電站工程的實例,說明了將低熱水泥應用于水工大體積混凝土是可行的,且具有很好效果.關鍵詞:低熱硅酸鹽水泥;大體積混凝土;抗裂性能;水化熱中圖法分類號:TV43文獻標志碼:A大體積混凝土廣泛應用于水電,核電,橋梁,隧洞,國防建筑物等重要工程,這些工程由于工程量大,施工復雜,投資大,一旦發(fā)生質(zhì)量問題,后果嚴重.而目前大體積混凝土由于施工中的各種原因易產(chǎn)生裂縫,嚴重危害工程質(zhì)量,是大體積混凝土施工的技術難點.本文結合四川大渡河深溪溝水電站工程,就大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因及現(xiàn)有的抗裂措施進行分析,并結合低熱硅酸鹽水泥的自身性能特點,對采用

3、低熱硅酸鹽水泥配制大體積混凝土減少裂縫危害的成效作初步探討.1大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的原因及處理措施1.1出現(xiàn)裂縫的原因(1)溫度應力產(chǎn)生的裂縫.混凝土在硬化期間經(jīng)歷從低溫到高溫再到低溫的溫度變化過程,水泥產(chǎn)生大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在混凝土外表引起拉應力.后期在降溫過程中,由于受到根底或老混凝土的約束,又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應力.氣溫的降低也會在混凝土外表引起很大的拉應力,當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時,就會出現(xiàn)裂縫.(2)混凝土塑性塌落引起的裂縫.(3)混凝土加水拌和后,水泥中的堿性物質(zhì)與骨料中活性氧化硅等起反響,析出的膠狀堿一硅膠從周圍介質(zhì)中吸水膨漲,體積增大3倍,從而使混凝土漲

4、裂產(chǎn)生裂縫.(4)許多混凝土雖然內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢,但外表濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化,如養(yǎng)護不當,時干時濕,外表干縮變形受到內(nèi)部混凝土體的約束,也往往產(chǎn)生裂縫.(5)構件超載產(chǎn)生的裂縫,例如,構件在超出設計的均布荷載或集中荷載作用下產(chǎn)生內(nèi)力彎矩,出現(xiàn)垂直于構件縱軸的裂縫,構件在較大剪力作用下,產(chǎn)生斜裂縫,并向上,下延伸.(6)當結構的根底出現(xiàn)不均勻沉陷,就有可能產(chǎn)生裂縫,隨著沉陷的進一步開展,裂縫會進一步擴大.(7)當鋼筋混凝土處于不利環(huán)境中,例如,侵蝕性水,由于混凝土保護層厚度有限,特別是當混凝土密實性不良時,環(huán)境中的氯離子等和溶于水中的氧會使混凝土中的鋼筋生銹,生成氧化鐵,氧化

5、鐵的體積比原來金屬的體積大得多,鐵銹體積膨脹,對周圍混凝土產(chǎn)生擠壓,使混凝土脹裂.(8)有的混凝土雖然設計抗裂強度高,但由于原收稿日期:20210730作者簡介:韓建國,男,工程師,主要從事水泥及外加劑研發(fā)工作.Email:hanjg1975163.con74人民長江材料質(zhì)地不均勻,水灰比不穩(wěn)定以及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象,同一塊體混凝土中其抗拉強度存在不均勻現(xiàn)象,存在易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位.1.2處理措施控制溫度應力方面:(1)針對原因1,3,從改善骨料級配人手,如加引氣劑或塑化劑,用干硬性混凝土,摻混合料等措施以減少混凝土中的水泥用量.(2)針對原因1,拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻以

6、降低混凝土的澆筑溫度.(3)針對原因1,2,熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱.(4)針對原因1,在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫.(5)針對原因1,規(guī)定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行外表保溫,以免混凝土外表發(fā)生急劇的溫度梯度.(6)針對原因1,對于施工中長期暴露的混凝土澆筑塊外表或薄壁結構,在寒冷季節(jié)采取保溫措施.改善約束方面:(1)合理地分縫分塊;(2)防止根底過大起伏;(3)合理地安排施工工序,防止過大的高差和側面長期暴露;(4)改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養(yǎng)護,防止外表干縮.從以上幾種裂縫產(chǎn)生的原因分析可以看出,如果大體積混凝土具有足夠高的抗拉強度和抗壓強度抵抗溫度

7、應力及其他外力,混凝土本身不產(chǎn)生或少產(chǎn)生水泥水化熱,就可以減少大體積混凝土產(chǎn)生潛在裂縫的可能性.低熱硅酸鹽水泥具有水化熱低,標準稠度用水量低,自身體積變化小等特點,符合降低大體積混凝土裂縫的要求,下面就從這3個方面做初步探討.2低熱水泥對混凝土抗裂性能改善原因分析低熱硅酸鹽水泥對混凝土抗裂性能的改善可以從3個方面分析.(1)水化熱方面.低熱硅酸鹽水泥是通過提高硅酸鹽水泥中硅酸二鈣(C:S)的含量,從而降低水化熱.從表1可以看出,水泥礦物水化熱最高的是cA,最小的是c:s,低熱硅酸鹽水泥國家標準?中熱硅酸鹽水泥,低熱硅酸鹽水泥,低熱礦渣硅酸鹽水泥?(GB2002003)中要求低熱硅酸鹽水泥3d水

8、化熱低于230kJ/kg,7d水化熱低于260kJ/kg,而同標號的中熱硅酸鹽水泥3d水化熱低于251kJ/kg,7d水化熱低于293kJ/kg.因此,為了控制低熱硅酸鹽水泥具有較低的水化熱,通常提高硅酸二鈣(CS)含量到40%以上,且使鋁酸三鈣(cA)含量低于6.O%.以四川嘉華公司生產(chǎn)的低熱水泥為例,其硅酸二鈣(CS)內(nèi)控指標要求在45%以上,鋁酸三鈣(CA)含量在4.0%,礦物組成要求遠高于低熱硅酸鹽水泥國家標準要求,以確保其更低的水化熱.表1各熟料礦物的水化熱常數(shù)kJ/kg(2)抗壓強度方面.通過對大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因分析可以發(fā)現(xiàn),如果大體積混凝土有足夠的抗折強度,抗壓強度抵抗溫

9、度應力,干縮體積變形等的影響,也可以減少大體積混凝土的裂縫.將低熱硅酸鹽水泥(嘉華)42.5(代號:P.LH)和普通硅酸鹽水泥(金頂)42.5(代號:PC)做水泥膠砂抗壓強度比照試驗,試驗按國家標準?水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)?(GB/T176711999)進行,試驗結果見表2.表2低熱硅酸鹽水泥強度試驗結果(抗折/抗壓強度)MPa品種3d7d28d90d180d360dP.LH4.5/21.55.9/30.787/59.310.5/80.6¨.1/88.911.3/90.0PC6.4/38.77.6/50.383/61.59.0/69.69.6/70.59.5/74.4以P.

10、LH和PC為基準配制混凝土做兩組配合比相同的強度比照試驗,試驗按照?普通混凝土力學性能試驗方法標準?(GB/T500812002)進行,試驗結果見表3.表3以低熱硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥為基準的混凝土強度開展比照水泥品種配合比.mm鑿,凝結時間/抗壓強度/MPa水泥用量w/c坍落度盟:(m一)初凝葵凝ld3d7d2gd90dlSOd360d從表2,3可以看出,低熱硅酸鹽水泥早期強度(3,7,28d)低于普通硅酸鹽水泥早期強度,但后期強度超過普通硅酸鹽水泥,低熱硅酸鹽水泥配制的混凝土早期抗壓強度(1,3,7,28d)低于普通硅酸鹽水泥配第18期韓建國,等:低熱硅酸鹽水泥改善大體積混凝土抗裂性能

11、研究75制的混凝土早期抗壓強度,但后期強度(90,180,360d)高于普通混凝土強度.無論從水泥抗壓強度還是混凝土抗壓強度來看,低熱硅酸鹽水泥的后期強度都持續(xù)增長,能夠到達甚至超過普通硅酸鹽水泥的抗壓強度.強度緩慢開展符合低熱硅酸鹽水泥中硅酸二鈣水化速度較慢的規(guī)律,有利于防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫.(3)體積膨脹收縮.大體積混凝土體積膨脹收縮也是造成混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因,造成大體積混凝土體積膨脹收縮的原因除了溫度變化的因素外,另兩個重要因素是體積干縮和自身膨脹系數(shù).分別使用P.LH和PC開展水泥膠砂干縮比照試驗,試驗按?水泥膠砂干縮試驗方法?JC/T6032004進行,試驗結果見表4.表4

12、水泥膠砂干縮率試驗%從表4可以看出,低熱水泥的干縮率低于普通水泥,各齡期的干縮率為普通水泥的50%70%,而且低熱水泥的干縮穩(wěn)定期較短,28d后的干縮率根本無變化.因此,用低熱硅酸鹽水泥配制的混凝土其干縮賬率要小于普通水泥配制的混凝土.其原因是硅酸二鈣水化所需的結晶水較其他礦物要少,表現(xiàn)為水泥需水量低,流動性能好.同時,由于低熱硅酸鹽水泥用水量低,這也減少了混凝土干縮的可能性.3工程實例(1)瀑布溝水電站.瀑布溝水電站大壩為礫石土心墻堆石壩,大壩由心墻防滲料區(qū),上下游反濾料區(qū),上下游過渡料區(qū),上下游堆石料區(qū)和上下游護坡塊石料區(qū)等組成.大壩填筑總量達2424.25萬m,設計壩頂高程856In,凈

13、垂直壩高186In,壩頂寬14In,大壩防滲墻采用低熱硅酸鹽水泥,自壩體施工2a來,沒有發(fā)現(xiàn)溫度裂縫.(2)深溪溝水電站.深溪溝水電站位于涼山州甘洛縣和雅安市漢源縣境內(nèi),電站壩高101m,壩頂長226In,為防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫,針對該工程主體混凝土施工強度高,質(zhì)量要求高的特點,吸取和總結導流洞的施工經(jīng)驗,在設計的優(yōu)化下,對大壩流道以下采用低熱硅酸鹽水泥澆筑.澆筑前對低熱硅酸鹽水泥在摻入外加劑和不摻人外加劑兩種情況下檢驗其標準稠度,初凝,終凝,水化熱,膠砂強度和安定性.試驗結果說明,低熱硅酸鹽水泥各項指標均滿足設計要求,且摻入外加劑和不摻人外加劑時,其水化熱均低于中熱水泥.大壩主體從202

14、1年開始澆筑至今,2a來沒有發(fā)現(xiàn)溫度裂縫.4結論(1)水泥水化反響產(chǎn)生的體積膨脹是引起大體積混凝土溫度裂縫的一個重要因素.(2)低熱硅酸鹽水泥較普通硅酸鹽水泥,具有低水化熱,低干縮膨脹,后期強度持續(xù)開展的特點,可以彌補普通硅酸鹽水泥的缺乏.(編輯:鄭毅)Studyonimprovingcrackresistanceofmassiveconcretebylow-heatPortlandcementHANJianguo,LUPengi,YANGYunxia,WUYong.(1.SichuanJiahuaEnterprise(Group)Co.Ltd,Leshan614003,China;2.She

15、nxOUBranch,GuodianDaduRiverHydropowerDevelopmentCo.Ltd.,Hanyuan625300,China)Abstract:Wesummarizethecausesandcountermeasuresofmassiveconcretecracking,andproposethatcrackresistanceofmassiveconcretecanbeeffectivelyimprovedbylowheatPolandcement.WeconductexperimentandcomparativeanalysisonlowheatPolandcementandtheordinarycement,anddiscussthecausesofimprovingcrackresistanceofmassiveconcretebythelowheatcementfromtheaspectsofhydrationheat,compressivestrength.shrinkageandexpan