温控膨胀剂在大体积混凝土裂缝控制中的应用

柳光，孔令臣，高平原，江云安

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

温控膨胀剂在大体积混凝土裂缝控制中的应用

柳光，孔令臣，高平原，江云安

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

文章以重力式码头方块和卸荷板大体积混凝土结构为研究对象，通过测温和对比试验对温控膨胀剂在大体积混凝土裂缝防治方面进行研究，试验其温度控制及防裂效果。提出在常规条件下大体积混凝土中HST-A2高性能温控膨胀剂的标准掺入量和施工中应采取的关键技术措施，实现了基本消除大体积混凝土裂缝的目标。

大体积混凝土结构；裂缝控制；温控膨胀剂；测温

1 工程概况

大体积混凝土施工[1]主要特点是体积大，一般实体最小尺寸≥1 m，受多种因素的影响表面极易产生裂缝，严重时会影响结构的耐久性、安全性以及使用功能。

营口港鲅鱼圈港区72号、73号泊位工程，码头墙身为重力式方块（素混凝土结构）和卸荷板（钢筋混凝土）结构，二者均属于大体积混凝土，其中体积最大的是四层块D1，尺寸：（6 000～8 000）mm×4 320 mm×3 600 mm，混凝土方量达110.26 m3。施工中对方块和卸荷板的裂缝控制已经取得了一定成果，体积稍小且混凝土强度相对低的二层小块已基本无裂缝产生，但强度较高的四层块和卸荷板，特别在高温季节，混凝土裂缝发生概率相对较大，且较难控制，所以本课题的研究对象选定为四层块和卸荷板，对从预制到养护结束阶段的大体积混凝土裂缝进行控制和研究。

2 研究方案和施工技术措施

2.1 HST-A2高性能温控膨胀剂原理

HST-A2高性能温控膨胀剂是一种控温型混凝土膨胀剂，它以大体积混凝土为应用对象，在限制收缩得到补偿的同时，可以大大降低冷缩应力。其中引入了无机有机结合的固态温控组分，与通常的相变材料或缓凝剂不同，它首先进行吸热反应，降低水化热温升，抑制水泥的早期水化速度，而后，水泥水化速度逐步恢复，吸收的热量在降温阶段又逐渐释放，与未掺加HST-A2相比，绝热温升[1]能降低8%～12%，且到达温峰的时间延迟3～5 h。

2.2 研究方案

第1阶段：大体积混凝土掺加温控膨胀剂的对比试验，共分两种对比方案：对比一：对四层块的混凝土水化热、中心温度和裂缝的产生情况进行理论计算，再通过实践测温数据和裂缝效果与理论计算结果进行对比分析；对比二：对四层块组与卸荷板组从预制到养护结束的裂缝控制效果进行对比分析。第2阶段：分析第1阶段试验成果，确定最优配合比以及施工方案和措施，最后预制1块四层块检验本次温控膨胀剂应用于大体积混凝土裂缝控制的最终成果并总结经验。

2.3 施工技术措施

从混凝土配制、浇筑到养护期结束的全过程中采取相应技术措施来保证混凝土质量和控制裂缝的产生，其中关键技术措施体现在以下3点：

1）掺加缓凝型减水剂。在对比试验中，对2块四层块均未掺加缓凝型减水剂，而2块卸荷板中均掺加了缓凝型减水剂，通过对比来验证掺加缓凝剂的必要性。

2）掺加10～50 kg块石（考虑到卸荷板为钢筋混凝土，所以未掺加块石）。首先，块石的质量、埋放间距等完全符合现行规范[2]要求，另外，块石使用前进行了严格的筛分处理，尽量保证其大小均匀，并用淡水清洗干净。

3）自动循环水养护。在四层块和卸荷板顶部安装自动循环水养护系统，通过养护系统的分流作用，分别向顶面的4个马腿孔内注水，注满后马腿内水温接近混凝土内部温度，再通过满水溢流逐渐漫湿覆盖在整个构件表面的无纺布，保证构件处于24 h全湿润的自养状态。同时，养护时间严于现行规范[3]规定，延长到28 d。

3 大体积混凝土掺加温控膨胀剂的对比试验

3.1 对比试验对象

方块组：D1-81（掺加HST-A2）和D1-82（未掺加HST-A2），且均未掺加缓凝型高效减水剂。

卸荷板组：E1-72（掺加HST-A2）和E1-73（未掺加HST-A2），且均掺加了缓凝型高效减水剂。

3.2 理论计算

3.2.1 大体积混凝土水化热和中心温度计算

本次理论计算对象为方块组，计算公式[4]：

计算出掺加了HST-A2的方块在t=3 d时内部最高温度为65.58℃，不掺加HST-A2的方块在t=3 d时最高温度为71.95℃，考虑降温系数则为36.07℃及39.59℃。

3.2.2 自约束裂缝控制计算

1）按掺入膨胀剂计算

混凝土3 d的最大拉应力[4-5]：

混凝土3 d的抗拉强度[4-5]：

ft（t）=0.8ft（lg t）2/3=0.699 N/mm2

2）按不掺膨胀剂计算

同理计算出σt=0.85 N/mm2，ft（t）=0.699 N/mm2。

通过理论计算，掺加温控膨胀剂的混凝土最大拉应力σt小于该龄期内的抗拉强度，即σt= 0.65 N/mm2＜ft（t）=0.699 N/mm2，所以混凝土不会出现表面裂缝。而不掺温控膨胀剂的混凝土最大拉应力σt大于该龄期内的抗拉强度值，即σt= 0.85 N/mm2>ft（t）=0.699 N/mm2，混凝土则有可能出现表面裂缝。

3.3 两组大体积混凝土的试验对比

本阶段分别对四层块组和卸荷板组从预制到养护结束混凝土的测温数据和裂缝产生情况进行对比分析，温控传感器在混凝土中布设情况见图1。

图1 温控传感器布设Fig.1Arrangement of temperature sensor

1）测温数据对比

通过对2组对比试验块的混凝土测温，最终得到了方块测温曲线（见图2）和卸荷板测温曲线（见图3）。

图2 D1-81和D1-82混凝土中心和表层测温曲线图Fig.2Temperature curves of concrete center and surface for D1-81 and D1-82

图3 E1-72和E1-73混凝土中心和表层测温曲线图Fig.3Temperature curves of concrete center and surface for E1-72 and E1-73

2）裂缝情况对比

①掺加了温控膨胀剂的四层块D1-81，从预制到养护结束，表面基本无裂缝产生。

②未掺加温控膨胀剂的四层块D1-82，预制后3～5 d，一侧面中部和阴榫位置均产生了细微裂缝。

3.4 对比试验结果

1）经过测温检测，D1-81在t=3 d时内部达到最高温度67.87℃，与理论计算的最高温度65.68℃相差2.29℃；同样，D1-82在t=3 d时实际最高温度为72.99℃，与理论计算的最高温度71.95℃相差1.04℃。同时，D1-82在第3～5 d时，一侧面中部和阴榫位置产生了细微裂缝，而D1-81表面始终基本无裂缝产生，此结论与自约束裂缝控制计算结果相同，由此证明了本次理论计算与实践检验成果基本吻合。

2）D1-81和E1-72的中心温度曲线始终被D1-82和E1-73的中心温度曲线包裹在下面，即同一时刻的温度值始终小于未掺加HST-A2的对象，特别在方块组的对比中更加明显，数据显示，D1-81的中心最高温度较D1-82的中心最高温度低5.1℃，且后期降温阶段最高温差达9℃，由此说明掺加了温控膨胀剂使得方块和卸荷板中心温度得到了一定控制。

3）通过对比得知，同在升温阶段，2块卸荷板的升温速率要小于2块四层块的升温速率，说明在卸荷板中掺加的缓凝型高效减水剂起到了一定作用，所以在最终的试验阶段坚持使用缓凝型高效减水剂。

4）试验中，四层块经过了28 d养护期后中心温度降低到与表层温度基本相当，即水化热基本释放完全，而卸荷板是14 d养护期，所以14 d时，混凝土内表仍存在一定温差，但温差＜20℃，选择此时终止测温试验符合规范要求，亦在证明养护时间越长对混凝土结构越有利。

3.5 最终成果检验试验

通过对大体积混凝土的测温对比试验，掌握了大体积混凝土内部温度变化规律，认知了裂缝防治措施的必要性，所以最后预制1块四层块，确定最优配比，并辅助以最佳的28 d潮湿养护等条件，来检验最终成果。

1）经过前期试验总结，确定了本次预制四层块D1-125的最优配合比见表1。

表1 D1-125混凝土配合比Table 1Concrete proportioning of D1-125

2）本阶段对D1-125从预制到养护结束（2015年7月21日—2015年8月18日）过程中，完善一切裂缝控制技术措施，并辅助以最佳循环水养护28 d条件，通过实践检验，表面基本无裂缝产生，内在和观感质量均达到合格标准。

4 结语

4.1 成果总结

本次课题研究验证了在方块和卸荷板大体积混凝土中掺加HST-A2高性能温控膨胀剂后，混凝土水化热和裂缝均得到一定控制，特别对混凝土的中心温度控制明显，中心温度峰值较未掺加HST-A2的试验块低5.1℃，且在混凝土后期降温过程中起到了收缩补偿的作用，混凝土里表温差[6]小于25℃，也符合规范要求。经过实践证明，对于大体积混凝土裂缝的控制，掺加温控膨胀剂是核心，但关键还要辅助以一套切实可行的技术措施做保障，特别是如下几点：

1）制定合理、最优的混凝土原材料配比，特别控制好温控膨胀剂和缓凝型高效减水剂的掺量，防止过掺或少掺影响混凝土的性能。

2）严格控制大体积混凝土的坍落度值，特指临界入模时间点的混凝土坍落度值，大体积混凝土一般为素混凝土或配筋较低的钢筋混凝土，所以建议混凝土坍落度应控制在10～40 mm。

3）大体积混凝土浇筑中宜掺加10～50 kg块石。首先，块石的质量、埋放间距等必须严格按照现行规范要求执行，其次，块石使用前应进行严格的筛分处理，尽量保证其大小均匀，并用淡水充分清洗表面。

4）要特别注重大体积混凝土的潮湿养护。根据需要尽量控制养护时间到28 d，同时，大体积混凝土前期升温阶段的潮湿养护尤为重要，为了防止温度梯度过大导致温度应力裂缝的产生，该阶段务必采取切实有效的降温措施，而在降温阶

段应根据实际情况进行一定的保温控制。总之，

温控是大体积混凝土裂缝控制的关键所在，只有清晰地掌握大体积混凝土温度变化规律，才能有效地解决大体积混凝土裂缝问题。

4.2 大体积混凝土中掺加温控膨胀剂的成本分析

与以往传统的未掺加温控膨胀剂且采用人工洒水养护施工工艺相对比，若采用掺加HST-A2

的新工艺施工，结合顶面自动循环注水养护措施，

从温控膨胀剂成本、胶凝材料成本、养护用人工成本、养护用水成本、设备投入摊销等方面，最终测算得1 m3混凝土需增加投入40.8元。虽然增加了成本投入，但最终混凝土裂缝能够基本消除保证了工程实体质量，且整个养护施工基本自动化，大大降低了施工中人为因素的影响和水资源的浪费，所以说本课题的研究对大体积混凝土施工具有一定的指导意义。

[1]GB 50496—2009，大体积混凝土施工规范[S]. GB 50496—2009,Code for construction of mass concrete[S].

[2]JTS 202—2011，水运工程混凝土施工规范[S]. JTS 202—2011,Specifications for concrete construction of port and waterway engineering[S].

[3]JTS 202-2—2011，水运工程混凝土质量控制标准[S]. JTS 202-2—2011,Quality control standard of concrete for port and waterway engineering[S].

[4]江正荣.建筑施工计算手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

JIANG Zheng-rong.Handbook of construction[M].2nd ed.Beijing: China Architecture&Building Press,2007.

[5]王元战.港口与海岸水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2013.

WANG Yuan-zhan.Hydraulic structures of port and coastal[M]. Beijing:China Communications Press,2013.

[6]全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会，港口与航道工程管理与实务[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2015.

The National Level Construction Qualification Exam Book Compilation Committee.Management and practice of port and Waterway Engineering[M].4th ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2015.

Application of temperature controlled expansion agent in the control of mass concrete cracks

LIU Guang,KONG Ling-chen,GAO Ping-yuan,JIANG Yun-an
（No.1 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Taking the mass block and unloading-board concrete structure of gravity wharf as the research object,through temperature measurement and contrast test,we have made a research in preventing the cracks of mass concrete structure by using temperature controlling expending agent.Through exploring its control ability in temperature and cracks preventment of mass concrete,we have come up with the optimal dose of HST-A2 temperature controlling expending agent in normal mass concrete construction condition and key technical measures to be taken in construction.The goal of eliminating the mass concrete cracks has achieved basically.

mass concrete structure;cracks preventment;temperature controlled expending agent;temperature measurement

U656.111；U654.18

B

2095-7874（2017）06-0057-04

10.7640/zggwjs201706013

2016-12-14

2017-02-20

柳光（1979—），男，江西萍乡人，高级工程师，副总经理，交通土建工程专业。E-mail：byqxmb@163.com