补偿收缩混凝土的抗裂性能分析
摘要：通过对补偿收缩混凝土的各项性能参数进行分析计算，证实大体积补偿收缩混凝土能够有效补偿温度收缩和干裂，抗裂性能优于普通混凝土。
关键词：补偿收缩,大体积混凝土,温度收缩
引言
我国现阶段的建筑结构正向着大体积、超长超宽方向发展。同时我国水泥生产大致有以下几个特点：熟料中C3S含量增多，大多超过50％、粉磨过细等。混凝土的收缩率已经从0.04%～0.06%增加到0.06%～0.08%。影响混凝土开裂的因素有很多，据统计，荷载裂缝几率占20％，变形裂缝占80％。其中变形裂缝主要包括化学收缩，干燥收缩，温度收缩，塑性收缩以及自收缩和碳化收缩。而大体积混凝土中混凝土的干燥收缩、温度收缩在混凝土收缩变形中占有比例增大。由于混凝土导温系数较差，散热很慢，混凝土中心温度将会很高。因此大体积混凝土中将会产生很大的温度应力和以及降温过程中的变形，当温度应力超过混凝土的抗拉强度或者降温过程中的变形超过混凝土极限延伸率，将会引起混凝土开裂。通过吴中伟院士提出的混凝土冷缩和干缩联合补偿模式，即
当|ε－S－ST|≤SK＋CT时能达到控制裂缝的目的。其中ε为钢筋混凝土限制膨胀率，S为混凝土干缩值，ST为混凝土最大降温冷缩值，SK为混凝土极限延伸率，ST为混凝土徐变。
采用补偿收缩混凝土能够联合补偿干缩和温度收缩，同时具有结构自防水、无缩设计快速施工等特点，是一种比较理想解决方案。
一、 工程概况
南水北调中线干线工程惠南庄泵站位于北京市房山区大石窝镇惠南庄村东，上游为北拒马河暗渠，泵站后接双排DN4000预应力钢筒混凝土管（PCCP）压力输水管道至大宁调节池，是南水北调中线工程总干渠唯一一座大型加压泵站，是北京段实现管涵输水，小流量自流，大流量加压扬水的控制性综合工程，也是南水北调工程的标志性建筑物。惠南庄泵站为大（Ⅰ）型Ⅰ级工程，设计流量60m3/s，泵站总装机容量58.4MW。主体混凝土方量大约10万方，共有30块底板，其中前池底板厚度在1.6～2米之间，主厂房底板厚度为3米，长度大多超过25米。本文以F6块底板为例进行混凝土抗裂分析。
三、施工配合比
3.1原材料检验
3.1.1水泥
工程采用太行P.O42.5级水泥。品质检验结果如表3.1，由结果可以看出该水泥细度很小，导致混凝土水化热过快，温峰提前。水泥超强幅度较大，28天强度达到60MPa，将导致混凝土弹性模量增长过快，脆性增大，对混凝土抗裂性不利。
3.1.2膨胀剂
本项目选用北京中岩特种工程材料公司生产的ZY高效混凝土抗渗防裂膨胀剂，化学成分检测结果列于表3.3。膨胀剂的品质检测按照JC476－2001《混凝土膨胀剂》进行，检测结果列于表3.4。检测结果表明，ZY高效混凝土抗渗防裂膨胀剂各项性能良好，具有碱含量低，掺量低，限制膨胀率比较高，膨胀稳定期短（内掺6％的膨胀稳定期为7天左右）等特点。根据游宝坤等人的研究，为使掺加膨胀剂能够完全补偿混凝土的绝对体积的减小，膨胀剂与水泥中的SO3含量不能低于4.79％。按膨胀剂单方掺量13％计算，胶凝材中SO3含量达到5.97％，完全能够补偿水泥水化收缩，同时还能够提供一定膨胀能补偿混凝土其他性能收缩。按质量比计算，胶凝材料中Al2O3/SO3＝1，能够提供足够的Al2O3以产生钙矾石。
注：B法为使用非基准水泥检测，本项目采用太行前景P.O42.5水泥进行检测。
3.1.3掺和料
本项目使用元宝山Ⅰ级粉煤灰。由于工程采用的骨料是活性骨料，因此采取选用低碱原材料、掺加25％的元宝山Ⅰ级粉煤灰以及优化混凝土配合比控制混凝土总碱量等技术措施后，能够达到预防惠南庄泵站混凝土发生碱骨料反应的目的。掺和料的加入能使混凝土限制膨胀率降低，但是能够降低混凝土膨胀落差，起到降低成本、改善工作性、降低混凝土水化热等好处。
3.1.4骨料
试验采用北拒马河的河砂和碎卵石，细骨料经检验细度模数2.43，属于中砂。粗细骨料经检验能够满足DL/T5144－2001的要求。
3.2配合比
工程配合比由中国水利水电科学研究院设计，采用的配合比如表3.5.膨胀剂采用外掺法等质量取代总胶凝材用量，粉煤灰等质量取代剩余胶凝材。坍落度控制在7～9范围内。控制混凝土含气量在4.5～5.5％范围内，以保证砼抗冻等耐久性要求。
注：1＃（C9030W6F150）为微膨胀混凝土，限制膨胀率1.5/万～2.5/万，2＃（C9035W6F150）为加强膨胀混凝土，限制膨胀率3.5/万～4.5/万。
四、混凝土施工状况
由于混凝土最高温度发生在3～8d龄期内，而随着混凝土温度降低，温度应力逐渐增大，因此以28d混凝土各项性能指标对混凝土进行抗裂性分析是科学的。
F6块底板长52.8米，宽为11米，底板厚为2米，于2006年9月10日至9月13日浇筑，一次成型。混凝土采用1.5方强制搅拌机，拌和时间120s。采用混凝土搅拌车运输，布料机入仓，采用分层浇筑。养护方式为人工洒水养护，养护时间为14天。浇筑期间大气温度14～31度，混凝土出机温度21～26度，含气量及抗压强度如表表4.1 五、混凝土抗裂性分析
采用吴中伟院士提出的混凝土冷缩和干缩联合补偿模式，即|ε－S－ST|≤SK＋CT来分析这块底板的抗裂性能，因此要求首先得到现场混凝土的限制膨胀率、干缩值、极限延伸率和混凝土徐变。
5.1求混凝土极限延伸率
由于混凝土抗压强度与抗拉强度存在一般关系式：ft=0.23fcu2/3，根据混凝土28d龄期抗压强度可得其抗拉强度值，计算结果如下：fcu=34.2
ft=0.23×34.22/3=2.40
fcu：混凝土抗压强度
ft：混凝土抗拉强度
F6块底板沿长度方向配筋率为μ＝0.99％，钢筋直径d=28mm，混凝土抗拉强度采用28d计算强度Rf=2.53。根据游宝坤等研究成果，极限延伸率采用以下经验公式：
Sk=0.5Rf(1+μ/d)×10-4×(1+0.5)=2.4310-4
Sk－极限延伸率
μ－配筋率，×100
d－钢筋直径，mm
Rf－混凝土抗拉强度，MPa
5.2求温度变形
经过现场检测，混凝土入仓温度平均为22.3度，混凝土中心最高温度为53.4度，温度为31.1度。混凝土线膨胀系数在7～14×10-6/℃范围内，因此本文采用经验数值10×10-6/℃。由于受到钢筋和基础约束，约束系数为R＝0.6，计算产生的最大冷缩变形值为：
St=10×10-6×ΔT×R=1.87×10-4
5.3混凝土干燥收缩率
混凝土干缩会产生拉应力，使构件开裂。因此混凝土的干缩对混凝土及钢筋混凝土的性能影响很大，在计算薄壁结构或大体积混凝土结构表面的应力时，均需考虑混凝土的干缩变形。
5.4混凝土限制膨胀率
当混凝土抗压强度达到3～5MPa时拆模，测量初始长度，然后将试件浸入（20±2）℃水中养护，分别测定3d,7d,14d水中的长度以及28d,42d空气中的长度。由于配合比同时掺加了粉煤灰，膨胀剂和高效减水剂，能有效降低混凝土膨胀落差。测得水中14d限制膨胀率为2.1/万。
5.5最终变形值
根据吴中伟院士提出的混凝土冷缩和干缩联合补偿模式，即|ε－S－ST|=1.27×10-4（2.43×10-4＝SK＋CT）说明只要加强早期养护，就能达到控制混凝土不开裂。
5.6现场情况
经过长期检测，内外温差超过30度，未发现可见的裂缝。同时根据监测数据，钢筋处于受拉状态。说明补偿收缩混凝土能够补偿大体积混凝土的温差收缩和干缩变形，有效阻止裂缝的产生。
六、结束语
1、补偿收缩混凝土能够联合补偿混凝土的温度收缩和干燥收缩，对大体积混凝土来说有很积极的意义。但是掺加膨胀剂后混凝土养护要求更加严格，这是因为膨胀源――钙矾石的生成过程需要大量的水，如果养护不当将会使混凝土干缩更加严重。因此在施工过程中，制定严格的养护制度将是十分重要的。
2、由于补偿收缩混凝土能够使钢筋产生一定值的预应力，使得混凝土在内外温差大于25度时仍然不会开裂，说明补偿收缩混凝土能够有效补偿混凝土的温差收缩。但是依然要限制混凝土入仓温度，过高的内部温度将会使混凝土的热胀与混凝土的自身膨胀发生重叠，将会使对混凝土表层和底层产生一定的拉应力，对该处混凝土很不利。因此要在保证混凝土经济方便的条件下，尽可能降低混凝土入仓温度及采取其他降温措施。
3、补偿收缩混凝土对混凝土配筋率要求比较严格，与补偿收缩混凝土相适应的配筋率能够更加有效地防止裂缝产生。在混凝土结构突变部位及孔洞周边应增加箍筋和加强筋，以保证混凝土膨胀时能够张拉钢筋，储存混凝土的膨胀能，从而防止混凝土干缩裂缝的产生。
4、配合比同时掺加了粉煤灰，膨胀剂和高效减水剂，能够有效降低混凝土膨胀落差。同时由于钙矾石有吸水膨胀的作用，在水分充足的情况下能够使混凝土早期产生的微裂纹自动愈合，对混凝土结构自防水有利。