超大体积混凝土用外加剂的选用探讨

郑 捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200065）

超大体积混凝土用外加剂的选用探讨

郑 捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200065）

鉴于超大体积混凝土所具有的特殊性以及整体一次性浇筑的施工特点，必须对混凝土配制中的关键材料──外加剂进行选用研究，本文提出了高性能外加剂需要具备的八个方面功能特征。

超大体积混凝土；高性能外加剂；选用；研究

1 前言

随着城市超高层建筑技术的发展，超长、超宽、超厚、配筋率高的超大体积基础底板混凝土工程日益增多，在施工上采取整体一次性连续浇筑的方法已在不少典型工程中得到实施，并且取得良好的技术经济效果。超大体积混凝土已经不仅仅涉及到混凝土材料而是与施工技术紧密相连。它与一般的大体积混凝土相比有其特殊性，同时作为现代混凝土重要组成的外加剂也不仅仅起到减水剂的作用，而是作为搅拌站与施工现场之间保持混凝土性能一致性的架桥作用，以及超大体积混凝土能否达到整体性、一次性、连续性浇筑的关键作用。由此可见，在超大体积混凝土施工中如何选用外加剂并开展研究是很有必要的。

2 超大体积混凝土工程的特殊性

通常对大体积混凝土的定义是指混凝土结构物实体最小尺寸大于或等于1m时，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土称为大体积混凝土。对于超大体积混凝土目前尚未有明确的定义，但从近年来国内外有影响的超大体积基础混凝土工程（见表1）的有关数据可知整体一次性连续浇筑的最大体量似有增加的趋势。

表1中典型的超大体积混凝土工程整体一次性连续浇筑最大量都超过1万m3，这些工程地处城市繁华地带，交通拥堵又给混凝土的连续施工造成了很大困难。为了确保混凝土浇灌的连续性和时效性，混凝土必须在容许时间间隔内完成浇筑,否则该作业段的混凝土不能成为整体,而人为形成施工缝。为此混凝土的初终凝时间必须准确设定，而且必须使得混凝土的凝结时间延迟尽可能小。其次，超大体积混凝土基础底板的钢筋用量大，配筋率高，这些工程上的特点又要求混凝土必须具有大流动、高流态的性能。第三，超大体积混凝土由于其深基础的特点，地下水的渗透以及地下水中各种结晶、分解、复合类的腐蚀对混凝土的耐久性提出了更高的要求。第四，超大体积混凝土内部水化热较一般大体积混凝土更不易散发，为了防止温度应力引发的裂缝除了采取相应措施外，所采用的外加剂必须具有一定的减缩作用。因此针对超大体积混凝土整体一次性连续浇筑的特点进行外加剂的选用研究是确保工程质量，提高混凝土耐久性的前提。

3 高性能外加剂的功能特征

对于超大体积混凝土工程中使用的外加剂其物理化学性能除了必须符合国家及行业标准外还应具备适应超大体积混凝土配制和整体一次性连续施工的特殊要求，因此高性能外加剂需在以下八个方面进行研究与探索。

3.1 能大幅度减少单位用水量，同时混凝土具有大流动度

根据表1典型工程基础超大体积混凝土的设计强度来看，基本在C40以上，而且底板的钢筋用量巨大，配筋率高，混凝土具有大流动、高流态的特征，以弥补振捣棒不易伸入而造成的振捣质量问题。个别工程如迪拜塔底板混凝土采用了C80高强自密实混凝土，要求在保持良好流动性的同时，不沉降分层，自行充填，形成致密结构。又如台北101大楼基础底板的施工面积达8349m2，基础钢筋上下共设置8层，都为双向布筋。最上两层布筋为D35@200，中间两层都为D25@400，最下层共四皮均为D36@200，钢筋密集程度可见一斑。在配合比设计时常以坍落度和扩展度作为衡量混凝土流动性的二个性能指标。坍落度用来表征混凝土的和易性和施工性，而扩展度则表达了混凝土在无障碍物情况下的可塑性和流动性，因此在超大体积混凝土配制中坍落度和扩展度作为流动度的表征是不可缺少的。为了能大幅度减少单位用水量又能使混凝土具有高流动性，外加剂的减水率应在18%以上。

表1 超大体积混凝土工程

3.2 能显著改善混凝土的可塑性，减少混凝土泌水和沉降量

混凝土的可塑性包括流动性、粘聚性和保水性。通过外加剂的作用混凝土拌合物既能产生流动又能在混凝土施工过程中其组成材料之间有一定的粘聚力，不致产生分层和离析现象，而保水性是指混凝土在运输、施工中具有一定的保水能力，避免产生水分的分泌，形成混凝土内部透水的孔隙，影响混凝土的密实性。外加剂的功能应该能使混凝土产生良好的可塑性，即混凝土的流动性、粘聚性和保水性缺一不可。 而混凝土的沉降实际上是由混凝土中的骨料、外掺料、水泥粒子之间的比重差引起的。混凝土的沉降可区分为施工中所发生的即时沉降和浇灌后的压实沉降两种，即时沉降是由包含有空气的间隙水的压缩引起的，作为基准，施加263kN/m2（相当于对混凝土施加10m的液压作用）压力的话，1%的空气量在间隙水中溶化。因此，空气含量多的混凝土其即时沉降也大。对于压实沉降，混凝土中的间隙水由于自重而排出所发生的沉降，为此控制好混凝土的含气量可以降低混凝土的沉降量。所以采用高性能外加剂配制的混凝土在一定时间内应能控制混凝土含气量的经时损失或经时增加，进而能减少混凝土泌水和沉降量。

3.3 能减少坍落度经时损失，提高混凝土的匀质性

由于城市发展和环保的需要，一般混凝土搅拌站大多设置在城市环线以外，预拌混凝土从出厂到浇筑要经过运输和施工现场等候的过程，因此在1～2小时内坍落度经时损失必须控制在2.5cm范围内。此外在不同的气候条件下混凝土的坍落度有不同程度的损失，当损失较小时对混凝土施工不会造成影响，但当坍落度损失较大时，混凝土的流动性将受到影响，不但不利于混凝土的泵送，而且影响到混凝土品质的匀质性。因此有效控制混凝土的坍落度损失，对于超大体积混凝土施工来说是很重要的，所以能有效控制混凝土的坍落度损失是顺利完成超大体积混凝土整体一次性连续浇筑的关键。

3.4 能缩短凝结延迟时间，提高施工效率

在国内采取整体一次性连续浇筑的超大体积混凝土工程，一般都配备大量的混凝土泵车和搅拌运输车。这是为了在短时间内完成既定施工目标，保证混凝土施工的连续性而采取的施工组织措施。如在上海环球金融中心主楼基础超大体积混凝土施工中，就组织了近350辆搅拌车，19台泵车,仅以42小时就完成了28900m3混凝土的浇筑。在中央电视台新址主楼基础超大体积混凝土施工中，共组织了20台泵车仅以54小时就完成了39000m3混凝土的浇筑。由此可见在超大体积混凝土工程中既要准确设定混凝土的初终凝时间又要缩短初终凝的延迟时间，以便后续作业可以及时开展。为此作为高性能外加剂的性能要求之一，不仅初终凝时间必须控制在适当范围，而且其凝结延迟的时间要尽可能短，有利于提高分批浇筑的施工效率。

3.5 能增强混凝土的抗渗透能力，改善混凝土的耐久性

作为超高层建筑的基础工程，超大体积混凝土必须提高其抗渗透的能力。渗透性的含义有三个方面，第一是对水的抗渗透能力，众所周知超高层建筑的主楼基础都属深基坑，如中央电视台新址基础底板结构最深处达13.4m，大部分厚度在10.8m以上。又如上海中心基础底板厚度达6m，地下水的渗透是不容忽视的。第二是对水中氯离子的抗渗透能力，在沿海地区由于氯离子的侵蚀将导致钢筋锈蚀，同时产生的膨胀使保护层开裂，最终导致整个结构的破坏。第三是对来自地下水腐蚀的抵抗能力，由于环境污染的原因，地下水的有害物质较为复杂，一般分为结晶类腐蚀和分解类腐蚀，而且建筑物所处的腐蚀环境受到气候、土层特性、干湿交替、冰冻情况的影响，其腐蚀等级也不同，因此提高混凝土的抗渗透能力有利于改善混凝土的耐久性。高性能外加剂所具有的高减水率使得混凝土在低水胶比条件下能达到大流动度，并且单位用水量的减少促使了混凝土进一步密实，从而增强了抗渗透能力。

3.6 能减小混凝土收缩变形，防止有害裂缝产生

近年来混凝土结构物的耐久性问题受到了应有的重视，但超大体积混凝土的基础底板及其他结构部位的裂缝问题一直困扰着工程技术人员。特别是随着水泥细度的增大，超细掺合料的应用，都将增加混凝土的自收缩。对超大体积混凝土来说，因水化热导致混凝土内部缺水以及内外温差等因素产生的裂缝常常采用外部控制的方法，如采取粉煤灰和矿粉的双掺技术及应用膨胀剂等，但都存在一定的局限性。我国目前使用的大部分外加剂均增大混凝土的收缩，混凝土外加剂（GB 8076—2008）规定收缩率比不大于135%，因此外加剂本身如何降低收缩率比，进一步起到减缩的作用，是高性能外加剂的发展方向。从目前减缩剂应用情况来看，单独使用减缩剂时，在减小收缩的同时混凝土强度受到较大影响，一般降低10%左右，同时减缩剂本身的价格以及关键技术也制约了工程的推广应用。随着外加剂技术的发展，部分厂家新近推出的外加剂产品已将减缩成分复合在高性能外加剂中，通过改变化学结构，使高性能外加剂在保持原有功能的同时具有减缩效应，因此通过外加剂自身的作用减小超大体积混凝土的收缩变形，加之外掺矿渣微粉和粉煤灰，为防止超大体积混凝土因温度应力而产生的裂缝问题开辟了新的技术途径。因此高性能外加剂自身不仅应具有较小的收缩率比，而且对混凝土在保持性能不受影响的前提下具有一定的减缩功能。

3.7 能改善碳化、冻融及气候作用对混凝土劣化的影响

混凝土的碳化是指空气中的CO2与混凝土的碱性物质发生作用，引起混凝土碱度下降使钢筋保护层溶解，导致钢筋腐蚀。而冻融及气候因素都将对混凝土的动态弹性模量造成损失。除了与混凝土所处环境、气候特点有很大关系以外，也与混凝土材料的组成、配合比有关。为了提高混凝土抗碳化、抗冻融的能力，高性能外加剂应该根据超大体积混凝土所处的严重冰冻、冰冻及微冰冻不同环境情况以及不同的设计强度，规定适当的空气含量值与变动范围。大量研究表明，混凝土的碳化与混凝土的渗透性密切相关，因此从外加剂角度来讲，应充分利用分子结构的静电斥力和空间位阻作用，对水泥产生较强的分散作用，使得混凝土内部的水化反应充分，从而提高混凝土的密实度，增强混凝土抗劣化的能力。

3.8 能使混凝土内部结构致密，使混凝土抵御机械磨损和化学侵害

混凝土组成材料经搅拌、运输、泵送至施工部位，其间经历了搅拌机、运输车、泵送管道的机械磨损以及大气、土壤中酸性物质的侵害。高性能外加剂配制的混凝土在抵抗机械磨损和化学物质侵入方面也应该较普通外加剂更具优势。为了改善混凝土的流动性，提高混凝土的耐久性，在配制上除了使用力学强度更高的粗骨料以及能充填水泥粒子之间的掺合料以外，在高性能外加剂的结构设计上应该是一种新的聚合物结构，能使混凝土具有很好的坍落度保持性，极强的分散性以及较高的早期强度，使得在早期混凝土就具有抵抗化学侵害的能力和减少材料传递、搅拌等过程中各种机械造成的损耗。

4 结语

超大体积混凝土的配制和施工是一项系统工程，涉及到预拌混凝土材料的采购、试验、生产、运输及现场泵送、施工、养护等诸多方面。本文仅就超大体积混凝土配制、施工中的外加剂选用问题，结合超大体积混凝土的特殊性进行了分析研究，提出了高性能外加剂必须具备的功能特征。鉴于外加剂在现代混凝土工程中占有越来越重要的地位，对不同要求的超大体积混凝土工程开展外加剂选用研究是非常必要的。

[1]青垣英夫.台北国际金融センタ─（ TAIPEI 101）プロジェクトにおけるマット基础コンクリ─トの施工と高所压送 [J].コンクリ─ト工学 2005 (4).

[2]余成行.大掺量粉煤灰混凝土在中央电视台新台址工程中的应用 [J].混凝土， 2006(8)：88-91,96.

[3]肖俊华.未来世界建筑之最──阿联酋百吉迪拜大楼[J].工业建筑 2006（11）：119-122.

郑捷（1948-），男，高级工程师

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