大体积混凝土延迟钙矾石反应预防和控制措施

余黄昏等

摘 要：文章主要以大体积混凝土施工为例来介绍高温情况下大体积混凝土施工的各项温控措施。通过这些措施保证混凝土的施工质量，避免产生温度裂缝和降低发生延迟钙矾石反应的风险。

关键词：大体积混凝土；温度控制；延迟钙矾石反应

中图分类号：TM623；TU528 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0149-04

1 延迟钙矾石反应

1.1 延迟钙矾石反应原理

延迟钙矾石反应（Delayed Ettingite Formation简称DEF）指的是早期混凝土经受高温处理后，已经形成的钙矾石部分或全部分解，后期温度降低后，在硬化混凝土内部重新生成钙矾石晶体的过程。即水泥水化早期产物C—A—H（水化铝酸钙）和硫酸根离子结合产生的结晶物水化硫铝酸钙（简称AFt），AFt在温度高于70 ℃时不稳定， 易分解，转变为SO42-、 Ca2+、Al3+，被C-S-H凝胶吸附。在硬化混凝土后期这些离子或单硫盐会重新生成钙矾石。

1.2 延迟钙矾石反应的特性

钙矾石具有体积膨胀性（水泥中CaO、Al2O3和CaSO4水化形成钙矾石能使固相体积增大约120%），故延迟钙矾石生成在水化初期可补偿收缩混凝土的膨胀能损失，而后期的分解和重生成时，可能产生更大的收缩或者膨胀，若产生的应力超过混凝土的内部应力极限时，则可能导致混凝土胀裂破坏，形成混凝土裂缝，影响混凝土耐久性和工程质量。

1.3 延迟钙矾石反应的必要条件

从DEF发生的原理和条件上看，在混凝土原材料化学性能和混凝土中心温度的大小及升温和降温速率是决定DEF反应及反应强度的必要条件。因此对混凝土结构尺寸大、存在大量具有侵蚀作用的物质（如：SO42-、Na+、Mg2+、Cl-），且施工环境温度高的混凝土结构施工时，必须采取有效措施控制或预防大体积混凝土DEF反应的发生来保证混凝土的施工质量，以保证工程质量。

本文通过以某工程筏基混凝和内安全壳预应力混凝土施工为例，结合同步DEF反应研究性验证试验结果，来制定大体积混凝土DEF发生的控制和预防措施。

2 大体积混凝土施工实例

2.1 某工程筏基施工

工程筏基为半径27.8 m、高3.8 m的圆形钢筋混凝土基础，混凝土强度等级为C40/50，暴露等级XC3，钢筋总量约2 100 t，理论混凝土量9 237 m3。采用斜向推移法进行一次整体浇筑施工。施工时间为2009年10月26日，浇筑持续时间为85 h50 min。同时，对混凝土内部温度进行监测，其监测频率为：混凝土浇筑阶段、升温阶段1 h一次，降温阶段2 h一次，21 d后4 h一次。本次测温探头共布置98个，监测到的最高中心温度为69.2 ℃。养护1个月后组织相关人员进行现场检查，并未发现明显裂纹，混凝土表观质量良好。现具体介绍该混凝土从配合比设计到生产各个阶段实施措施。

2.1.1 原材料和配合比的设计原则

为了降低混凝土中心最高温度，在配合比设计时采用了中低热、28 d强度高达65 MPa的硅酸盐水泥；Ⅰ级F类粉煤灰；外加剂为高效新型聚羧酸外加剂，减水率≥25%，矿渣粉满足S95级要求；骨料为核岛负挖岩石母岩破碎而成。设计理念：在满足强度、施工性能、耐久性要求前提下尽量降低水泥用量，并将预选的配合比进行水化热试验，选用最低者。配合比确定后进行现场模拟试验，以验证其强度、施工性、绝热温升等，为HRA大体积混凝土浇筑提供指导性技术参数。

2.1.2 模拟试验

经过前期的混凝土试验（研究性试验，适用性试验和可行性试验），大体积混凝土模拟试验数据汇总表，见表1。初步确定几个混凝土配合比，为了验证其用于大体积混凝土施工的可行性和取得混凝土中心温度值，先后进行了4次模拟试验，结合试验过程中混凝土可泵性及泵送流畅性、混凝土和易性、保坍性能及施工性、胶凝材料水化试验结果等综合因素，最终确定用于HRA筏基大体积混凝土配合比，C40/50混凝土配合比，见表2。

2.1.3 混凝土生产控制措施

①原材料温度控制。

为保证能够生产出具有良好施工性能且出机温度低的混凝土，首先应从混凝土原材料进场、存储及使用上均进行严格把控，杜绝使用不合格混凝土原材料生产混凝土。

水泥：保证水泥使用时温度低于50 ℃。

骨料：根据不同粒径和种类，采用专用的存储仓分区存储，并采取遮阳措施和保证环境通风，避免骨料在烈日下暴晒，保证温度稳定，同时达到控制和稳定骨料含水率的目的。为生产阶段加冰量留出较大余量。

外加剂：作为改善混凝土性能的重要组成成分之一，其质量变化将会对混凝土性能产生重大影响。故需对外加剂进场和存储进行严格控制，避免外加剂变质影响使用。

②混凝土生产阶段温度控制。

混凝土搅拌时，搅拌用水为4 ℃以下冷水和适量冰屑混合成的冰水混合物，加冰量宜尽量控制混凝土具有较低出机温度，具体加冰量根据气温状况调整，但不超过实际加水量的85%， 具体用量根据下列公式计算确定：

③运输阶段温度控制。

采用带自转滚筒式混凝土罐车运输，最大装载量为9 m3，罐车滚筒外壁包裹隔热保温材料，同时选择合适路线，尽量缩短运输时间，避免受环境影响造成温度升高。

2.1.4 混凝土施工

①泵管保温。

泵送浇筑时，高温时段（一般在9：00～17：00）需用泡沫管包裹垂直和斜向泵送管，用冰套管包裹水平段泵送管，并在冰套管外加一层泡沫保温管，以降低高温环境在泵送浇筑时对混凝土温度造成影响，冰套管内冰完全融化时应及时更换套管内的冰屑，根据天气情况及时换冰。

②现场保温。

提前将装有冰屑的编织袋，按照一定的间隔放置在施工范围内，以降低施工环境温度，施工前现场应洒水充分润湿，但须保证混凝土浇筑时基层无积水。现场为避免阳光直接照射，施工前在钢筋上铺帆布遮阳，随施工进度逐步揭开。

③布料和振捣。

根据混凝土浇筑速度以及初凝时间估算混凝土沿浇筑方向设置浇筑带，合理布置混凝土布料机工作区域，以保证混凝土施工连续性，避免形成冷缝。并采用斜向推移法布料施工，严格控制混凝土的流动范围，布料厚度≤40 cm，最顶层的布料厚度控制在20 cm。混凝土振捣以其表面呈水平不再显著下沉，表面泛浆稳定，无气泡冒出。每个振捣点依次振捣，避免漏振和少振现象情况发生。为保证混凝土的密实和拆模后的混凝土表观质量必须进行二次振捣，即在靠近模板边和筏基表面混凝土初凝前进行二次振捣，时间控制在一次振捣完成后约2 h内。

2.1.5 混凝土养护

养护方法采用保温保湿法进行养护，同时搭设防风保温棚（混凝土浇筑48 h内必须搭设完成），为调节棚内温度和提供内部照明，在棚的内部安装有碘钨灯。养护时间根据降温速率和混凝土里表温差确定。其中，混凝土上表面养护覆盖麻袋片和土工布（厚度根据降温情况确定），带模养护部分在模板外侧增加和固定保温层，必要时安装水管进行保温保湿养护。部分位置养护水无法覆盖时，需采用人工方式加水保湿。加水以湿润保湿层为原则，不可表面积水。

2.1.6 筏基混凝土的监控

升温阶段为浇筑完成之后3 d以内，混凝土内部各测温点总体处于升温阶段，故必须做好保温保湿养护工作；降温初期为进入降温阶段的10 d以内，应保证混凝土内外温差≤25 ℃的前提下，逐渐减少中心区表面的覆盖，提高中心降温速率，但降温速率不大于2.5 ℃/d；降温后期为养护的最后一个阶段，应加强中心区的散热速度，并控制内外温差≤25 ℃。

2.2 取得的效果

随着混凝土龄期延长，其强度不断增加，抗裂能力也随之不断增强。根据混凝土养护过程中温度变化，在监测过程按照双控原则，即应变控制和应力控制，以便实时观测混凝土内部应力应变变化情况和表观质量，并根据监测结果，及时调整养护措施。

3 DEF反应验证试验

为验证HRA筏基大体积混凝土施工时混凝土内部是否产生DEF反应，采用法国LCPC试验方法进行同步验证试验。

3.1 混凝土的热处理制度和干湿循环处理制度

按照要求制定试验模型后，依据法国LCPC试验方法和采用施工现场的已有现场大体积混凝土浇筑模拟试验的温度曲线，制定C40/50混凝土的热处理制度和干湿循环制度（环境要求：

①在（38±2） ℃、湿度< 30 %的环境室对试件干燥7 d。

②（20±2） ℃的温度下水中浸泡7 d，对于每个试件，操作者须保证容器中水位令试件完全浸泡）。

其中，C40/50混凝土热处理最高恒温温度为70 ℃、75 ℃、80 ℃。

3.2 动弹性模量测试

当材料的微观结构发生改变，会影响通过材料的声波，使其发生变化。材料的动弹性模量通过脉冲速度或共振频率来测量。当其他的条件都相同时，如果材料的动弹性模量发生较大的变化，反应出材料的微观结构发生了改变。当拉伸应力超过

了材料的抗拉强度，膨胀或者破坏就会发生。当材料中有裂纹或者微裂纹存在时，就会阻碍声波的直线传播，使得动弹性模量减小。故本实验通过测量试样的动弹性模量用来研究混凝土中DEF诱导膨胀对于其内部结构破坏作用。

3.3 验证试验结果

混凝土DEF试验各阶段数据曲线如图1所示，变形值见表3。试验结果表明，所有混凝土试件的质量与动弹性模量在干湿循环阶段震荡式波动明显，随后二者随着试验周期的延长均缓慢增加，动弹性模量持续缓慢的增加表明混凝土内部结构越来越致密，无内部结构损伤破坏发生。

3.4 验证试验结论

依据试验结果可以得到如下结论：

用于试验的C40/50在内部温度（70～80 ℃）条件下， 4个试件的总平均纵向变形率的波动范围为0.002375%～0.0031875%。上述变形率均小于0.04%，且在12个月内任一试件的纵向变形率不超过0.06%。从第3月开始测量，4个试件的月平均纵向变形伸展率变差的波动范围为0.001687%～0.003813%，数值小于标准规定的0.004%。质量、动弹性模量持续缓慢的增加表明混凝土内部结构越来越致密，无内部结构损伤破坏发生。即延迟钙矾石对混凝土内部结构的破坏作用并未发生或未产生影响。

总之，根据上述试验结果及LCPC的标准规定，该工程C40混凝土没有发生延迟钙矾石（DEF）生成的可能性。

4 DEF反应预防和控制措施

综合该筏基混凝土施工的成功经验，通过控制混凝土中心最高温度和降温速率来控制DEF反应的发生，其效果明显，使大体积混凝土施工质量得到提高，大大减少了后期混凝土裂缝等缺陷的修补成本。为有效控制大体积混凝土DEF反应的发生，建议具体预防和控制措施有以下几个方面。

4.1 原材料要求

在满足相关技术要求和大体积混凝土特殊要求的情况下，尽量使用低水化热水泥，同时严格控制水泥碱含量。选择优质骨料，不得使用发生或具有潜在碱集料反应的骨料，同时应检查Al2O3和SO3含量。所有使用的外加剂和掺和料均应严格控制有害物质。严格控制进场原材料质量。

4.2 配合比

在满足混凝土强度性能，施工性能以及耐久性等要求时，应尽可能降低水泥用量，掺加如矿渣粉、粉煤灰等代替部分水泥，并控制水胶比，选择合理骨料级配和砂率，并使用高性能外加剂，降低单方混凝土用水量。

4.3 混凝土生产和运输

4.3.1 原材料

对所有原材料进行分别存储，避免阳光直晒，特别是对水泥和骨料，必要时候对水泥存储罐设置冷却循环系统进行降温，保证水泥在使用时温度低于50 ℃，骨料存储必须有遮阳措施，并保证通风，降低骨料含水率并使其保持稳定。

4.3.2 拌和水

采用冷水进行混凝土生产，当环境温度较高（一般超过30 ℃时），加入冰屑，以控制混凝土具有较低的出机温度。混凝土出机温度≤30 ℃，一般以25 ℃作为内控值。

4.3.3 混凝土生产

严格控制混凝土各原材料称量误差，选择合理的搅拌工艺，如投料顺序和搅拌时间。

4.3.4 运输

对混凝土运输车，应在滚筒外部包裹保温材料，同时选择最优运输路线，避免混凝土运输过程中混凝土温度升高。

4.4 混凝土施工

4.4.1 选择合适的施工方案

选择合理的施工方案，包括振捣时间、布料厚度和高度、浇筑方向等。

入模温度不得高于30 ℃。采用泵送施工时，对泵管进行裹冰并加保温套处理，尽量降低混凝土泵送过程中温度升高；混凝土浇筑前，现场应提前用编织袋装冰屑，在施工范围内间隔一定距离分散放置，同时在钢筋上铺帆布遮阳（随施工进度逐步揭开），以降低施工环境温度。

二次振捣，以增加混凝土密实度，减少内部孔隙，降低内部毛细管作用。

4.4.2 温度监测和应力应变监测

在混凝土内部埋设测温探头和应力应变监测系统，制定温度监测时间表，并按照要求进行监测。并根据监测结果及时调整养护措施，以控制里表温差和降温速率。

4.4.3 混凝土养护

混凝土浇筑施工后应及时进行保温保湿养护，要求整个浇筑体完整，不得出现养护盲区。必要时候设置保温棚（要求浇筑完成48 h内搭设完成），并在棚内设置碘钨灯，以便控制混凝土的降温速率和里表温差。

参考文献：

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