大体积补偿收缩混凝土与延迟钙矾石生成

　　工业建筑中的大型设备基础、高层建筑的基础和底层柱等承受荷载较大的部分，往往都采用大体积混凝土浇注。近年来，随着建筑物高度和体积的不断加，大体积混凝土的强度等级、体积和厚度也随之加。例如，上海金茂大厦，其底板为厚4m、体积13500m3的C50R56大体积混凝土；佛山国际商业中心的底板，强度等级C30，中心部位厚4m，边缘厚3m，混凝土方量达8000m3；北京航华科贸中心写字楼主楼基础混凝土底板25~5.2m，―次浇筑量7800m3；北京东方广场的基础底板为C35~C40R60的大体积补偿收缩混凝土，局部厚达5.1m.混凝土的强度等级提高，使其胶凝材料用量也必须加，经常达到400kg/m3以上。而且，现在还流行大体积混凝土底板不留后浇带，连续一次浇筑完成的做法。由于混凝土是热的不良导体，集中大量地浇筑大体积高强度混凝土，混凝土内部水泥水化放热时间相对集中，热量不易散发，导致温升很大。

　　大体积混凝土内部的*高温度，实际上是由浇注温度、水泥水化热引起的绝热温升和混凝土的散热速率三部分所决定。在这三部分中，由水泥水化热引起的绝热温升是主要因素（当气温为15~20C时，在初期升温阶段约占总温升的65 ~70%）。综合大量的工程实测结果可知，当底板厚度小于1m时，混凝土内部温度不会超过60C当底板厚度大于1.5~2m后，混凝土内部温度将在浇筑后的二至三天内达到70C~80C以上。例如，上海88层的金茂大厦主楼超深基础底板混凝土内部*高温度在浇注后52小时达97.5C北京住总大厦1. 8m厚的C40混凝土底板浇筑后两天，混凝土内部温度即达82C.福州台湾大酒店厚1.8m的基础底板，浇注三天后实测的中心温度达73.1C北京航华科贸中心写字楼主楼基础混凝土底板虽然使用矿渣硅酸盐水泥，并掺入20%的粉煤灰，浇注4天后，实测内部*高温度达75C深圳侨光广场I区底板混凝土1.1万m3，厚度为1. 3.0m，内部温度*高分别达到67C79C、82C上海江苏大厦25m厚底板的混凝土中心*高温度达822C深圳妈湾电厂汽轮发电机底板一次浇筑的混凝土*高温度为78C可见，一次浇筑的大体积混凝土内部*高温度大于70 C的工程实例相当普遍。

　　大体积钢筋混凝土除了必须满足强度、刚度、整体性等要求以外，还存在如何控制由于失水和温度变化引起的收缩开裂的问题，工程上的措施之一是掺加膨胀剂来补偿收缩。适量膨胀剂的掺入，不但可以明显地减少混凝土的收缩，而且由于混凝土自身的膨胀作用使处于限制状态下的混凝土密实性得以提高，其抗渗性也得到显著改善。80年代后期以来，膨胀剂在我国混凝土中的应用与日俱。目前膨胀剂的年产量己超过25万吨，累计产量超过150万吨。膨胀剂发展的初期主要用于刚性结构自防水，然后逐渐推广到大体积结构混凝土防裂渗、超长结构无缝设计施工以及高性能混凝土等Q〕。

　　广泛使用的U型膨胀剂以无水硫铝酸钙（C4A3S）或硫酸铝（Al2（S4）3）为早期膨胀源，明矾石为中期膨胀源，在混凝土的水化硬化过程中生成大量膨胀性的钙矾石，对混凝土的收缩起到有效的补偿。掺有膨胀剂的具有防渗抗裂功能的补偿收缩混凝土在中国建筑工程中己得到非常广泛的应用。20年来，用膨胀剂配制的补偿收缩混凝土用量估计达到3500万立方米，数量之多为各国之冠。但是除大量成功的工程实例外，不成功的例子也随之加。例如使用膨胀剂对工程防裂无效，甚至反而开裂更甚，导致后期强度倒缩等。如何正确使用膨胀剂，是当前建筑施工企业急需解决的问题，近年来己受到一些学者的关注〔2‘3〕。

　　称DEF）的研究*初始于80年代初期对高温蒸养的预制混凝土制品（如铁路轨枕等）的过早开裂破坏现象UEA膨胀剂和硅酸盐水泥的化学组成的研究〔4.研究结果证实，水泥水化早期由C3A和SO3反应生成的初始钙矾石（AFt）在高温蒸养（一般> 70C）条件下不稳定，转变为单硫盐、S42、Ca2+、Al3+被C-S-H凝胶吸附。在混凝土制品的使用过程中，这些离子或单硫盐会重新生成钙矾石。这种在己硬化的水泥石中延迟生成的钙矾石具有体积膨胀性，产生的膨胀应力如果超出水泥石的应力极限，将使其开裂。DEF是一种影响混凝土结构耐久性的因素。

　　在掺加膨胀剂的补偿收缩混凝土中，硫含量可达5%以上，在水化过程中所生成的大量钙矾石，如果大体积混凝土内部温度超过70C，则可能发生分解并在内部温度降低后，在硬化混凝土内部再次生成，产生膨胀应力，使混凝土结构存在隐患。因此必须对大体积补偿收缩混凝土内部延迟钙矾石生成的可能性及其影响因素予以研究。

　　在我们对补偿收缩砂浆所做的前期工作中己经证实〔5，在大体积补偿收缩混凝土内部温度超过70C后，有可能发生延迟钙矾石生成。它对混凝土性能的影响是多方面的。在初龄期表现为膨胀能的损失，温度收缩不能被补偿，掺加膨胀剂的设计目的不能达到；在长龄期则表现为延迟膨胀，可能导致混凝土开裂。

　　为了进一步证实在大体积补偿收缩混凝土内部延迟钙矾石生成的可能性，进行了混凝土试验。

　　2实验实验所用膨胀剂为中国建筑材料科学研究院生产的硫铝酸盐型UEA混凝土膨胀剂，性能满足C476- 1998混凝土膨胀剂的要求。水泥为冀东水泥厂生产的盾石牌P0-525普通硅酸盐水泥。两种材料的化学表2补偿收缩混凝土试件的组成、早期养护条件与强度温度17d养护湿度混凝土10. 9，表观密度2600kg/m3，堆积密度1370kg/m3.石为5 ~25mm石灰岩碎石，堆积密度1520kg/m3.粉煤灰（FA）为元宝山一级粉煤灰，磨细矿渣粉（SL）为首钢产，比表面积400m2/kg. 8组混凝土，其胶凝材料总量为371kg/m3（混凝土灰比、胶凝材料组成和28天抗压强度见表2.对于每一配比，各成型测量限制变形率的混凝土试件400mm）三条，配筋率0.785%.试件成型后，在室内放置24h后拆模，然后在不同条件（表2）下养护7d.模拟大体积混凝土内部温度变化（temperaturematchconditioningTMC）的温度变化曲线见试件在48h后升温到70C在70C以上保按照GB119-88混凝土外加剂应用技术规范规定的“膨胀混凝土的膨胀率及干缩率的试验方法”，分别在1、3、7、14、28、60、90d龄期测量混凝土块的限制变形量。

　　3结果与分析48和0.43的补偿收缩混凝土试件限制膨胀率的经时变化的对比。常温养护的补偿收缩混凝土试件混凝土1和混凝土2的膨胀率随龄期延长而稳步发展，7d时达到峰值，14d后缓慢下降。由于能够保持较为充分的水分供应（RH> 90%）膨胀率的落差小于0.02%，半年后还微有回涨。混凝土的限制膨胀率长期保持较为合适的正值，使混凝土内部能够建立预压应力，膨胀剂能够正常充分地发挥作用，补偿混凝土收缩。TMC养护中的混凝土由于受热和膨胀剂水化的共同作用，在3d左右出现*大膨胀值，7d后结束TMC养护，试件温度降回室温，混凝土膨胀率有显著的回落，其差值均大于0.04%.如此大的膨胀率落差对于初龄期、抗拉强度还不高的混凝土是极其有害的。当然在实际工程中，混凝土内部温度变化不可能如此剧烈，这种极端的情况是不会发生的。我们关心的是在TMC养护结束后，长期常温养护时混凝土的变形率发展情况。

　　48的混凝土1、3、4组混凝土试件中，经过TMC养护的补偿收缩混凝土试件混凝土3的膨胀率7d时远远低于未经过TMC养护的补偿收缩混凝土混凝土4.由粉末X射线衍射半定量分析和扫描电镜微观形貌观察的结果可知，在水化初期生成的钙矾石在TMC养护期间部分分解了。这导致了试件的早期膨胀能损失，因此不能有效地补偿混凝土的温度收缩。在标准条件下养护半年后，试件逐渐重新开始膨胀，粉末X射线衍射半定量分析结果则显示硬化浆体内钙矾石的量也同步加，即出现了延迟钙矾石生成的现象。有意思的是普通混凝土试件混凝土1经过高温后，其限制变形率的发展趋势与混凝土3相近，也出现了后期膨胀值的加。这类似于高温蒸养混凝土制品中发生的延迟钙矾石生成现象。到1年龄期时，混凝土3和混凝土1都回涨了大约0.03%，这将在硬化混凝土中产生巨大的应力，可能对结构产生危害。

　　混凝土25.6组补偿收缩混凝土试件限制膨胀率的经时变化43的混凝土试件混凝土2、5、6中，经过TMC养护的补偿收缩混凝土试件混凝土5也发生了早期膨胀能的损失；而后期虽然有膨胀的趋势，但膨胀率长不如混凝土3和混凝土1那样明显，回涨率小于0.02%.同样，经过高温的普通混凝土（混凝土2）也有后期膨胀的趋势。这个差别可能是由于不同的水灰比导致的胶凝材料水化程度和硬化浆体密实程度的差异所造成的。后期在硬化混凝土中有控制地产生微弱的膨胀，对于补偿混凝土长期干燥收缩是有益的。对此应该进行深入的研究。

　　还显示了掺入粉煤灰或矿渣后的补偿收缩混凝土试件（混凝土7和混凝土8）的限制变形经时变化曲线。掺入这两种掺和料后，试件早期虽然也损失了膨胀能，未能达到设计要求的补偿温度收缩的目的，但后期重新膨胀的趋势明显小于混凝土1和混凝土3，从而抑制了由于初期养护期间高温所导致的后期延迟膨胀。说明掺加掺和料在一定程度上可以抑制DEF的发生。

　　4结论无论是否掺有UEA膨胀剂，混凝土中过高的水化温升将使水化初期生成的钙矾石分解，存在延迟钙矾石生成的可能性。延迟钙矾石生成在水化初期表现为补偿收缩混凝土的膨胀能损失，不能达到补偿温度收缩的目的；后期表现为混凝土的延迟膨胀。这两者都可能对混凝土结构产生危害，必须对此给予必要的关注。

　　降低水胶比，掺加粉煤灰和矿渣等矿物掺和料虽不能避免混凝土中早期膨胀能的损失，但有利于抑制DEF引起的后期膨胀。