摘要：通過對補償收縮混凝土的各項性能參數進行分析計算，證實大體積補償收縮混凝土能夠有效補償溫度收縮和干裂，抗裂性能優于普通混凝土。
　　關鍵詞：補償收縮,大體積混凝土,溫度收縮
　　引言
　　我國現階段的建筑結構正向著大體積、超長超寬方向發展。同時我國水泥生產大致有以下幾個特點：熟料中C3S含量增多，大多超過50％、粉磨過細等。混凝土的收縮率已經從0.04%～0.06%增加到0.06%～0.08%。影響混凝土開裂的因素有很多，據統計，荷載裂縫幾率占20％，變形裂縫占80％。其中變形裂縫主要包括化學收縮，干燥收縮，溫度收縮，塑性收縮以及自收縮和碳化收縮。而大體積混凝土中混凝土的干燥收縮、溫度收縮在混凝土收縮變形中占有比例增大。由于混凝土導溫系數較差，散熱很慢，混凝土中心溫度將會很高。因此大體積混凝土中將會產生很大的溫度應力和以及降溫過程中的變形，當溫度應力超過混凝土的抗拉強度或者降溫過程中的變形超過混凝土極限延伸率，將會引起混凝土開裂。通過吳中偉院士提出的混凝土冷縮和干縮聯合補償模式，即
　　當|ε－S－ST|≤SK＋CT時能達到控制裂縫的目的。其中ε為鋼筋混凝土限制膨脹率，S為混凝土干縮值，ST為混凝土最大降溫冷縮值，SK為混凝土極限延伸率，ST為混凝土徐變。
　　采用補償收縮混凝土能夠聯合補償干縮和溫度收縮，同時具有結構自防水、無縮設計快速施工等特點，是一種比較理想解決方案。
　　一、 工程概況
　　南水北調中線干線工程惠南莊泵站位于北京市房山區大石窩鎮惠南莊村東，上游為北拒馬河暗渠，泵站后接雙排DN4000預應力鋼筒混凝土管（PCCP）壓力輸水管道至大寧調節池，是南水北調中線工程總干渠唯一一座大型加壓泵站，是北京段實現管涵輸水，小流量自流，大流量加壓揚水的控制性綜合工程，也是南水北調工程的標志性建筑物�；菽锨f泵站為大（Ⅰ）型Ⅰ級工程，設計流量60m3/s，泵站總裝機容量58.4MW。主體混凝土方量大約10萬方，共有30塊底板，其中前池底板厚度在1.6～2米之間，主廠房底板厚度為3米，長度大多超過25米。本文以F6塊底板為例進行混凝土抗裂分析。
　　三、施工配合比
　　3.1原材料檢驗
　　3.1.1水泥
　　工程采用太行P.O42.5級水泥。品質檢驗結果如表3.1，由結果可以看出該水泥細度很小，導致混凝土水化熱過快，溫峰提前。水泥超強幅度較大，28天強度達到60MPa，將導致混凝土彈性模量增長過快，脆性增大，對混凝土抗裂性不利。
　　表3.1太行P.O42.5水泥的品質檢驗結果
　　                             　　
　　表3.2太行P.O42.5水泥的化學分析（％）

　　3.1.2膨脹劑
　　本項目選用北京中巖特種工程材料公司生產的ZY高效混凝土抗滲防裂膨脹劑，化學成分檢測結果列于表3.3。膨脹劑的品質檢測按照JC476－2001《混凝土膨脹劑》進行，檢測結果列于表3.4。檢測結果表明，ZY高效混凝土抗滲防裂膨脹劑各項性能良好，具有堿含量低，摻量低，限制膨脹率比較高，膨脹穩定期短（內摻6％的膨脹穩定期為7天左右）等特點。根據游寶坤等人的研究，為使摻加膨脹劑能夠完全補償混凝土的絕對體積的減小，膨脹劑與水泥中的SO3含量不能低于4.79％。按膨脹劑單方摻量13％計算，膠凝材中SO3含量達到5.97％，完全能夠補償水泥水化收縮，同時還能夠提供一定膨脹能補償混凝土其他性能收縮。按質量比計算，膠凝材料中Al2O3/SO3＝1，能夠提供足夠的Al2O3以產生鈣礬石。
　　表3.3ZY膨脹劑的化學分析（％）
　                   　　
　　表3.4ZY膨脹劑的性能指標（內摻6％）

         
　　　注：B法為使用非基準水泥檢測，本項目采用太行前景P.O42.5水泥進行檢測。
　　3.1.3摻和料
　　本項目使用元寶山Ⅰ級粉煤灰。由于工程采用的骨料是活性骨料，因此采取選用低堿原材料、摻加25％的元寶山Ⅰ級粉煤灰以及優化混凝土配合比控制混凝土總堿量等技術措施后，能夠達到預防惠南莊泵站混凝土發生堿骨料反應的目的。摻和料的加入能使混凝土限制膨脹率降低，但是能夠降低混凝土膨脹落差，起到降低成本、改善工作性、降低混凝土水化熱等好處。
　　3.1.4骨料
　　試驗采用北拒馬河的河砂和碎卵石，細骨料經檢驗細度模數2.43，屬于中砂。粗細骨料經檢驗能夠滿足DL/T5144－2001的要求。
　　3.2配合比
　　工程配合比由中國水利水電科學研究院設計，采用的配合比如表3.5.膨脹劑采用外摻法等質量取代總膠凝材用量，粉煤灰等質量取代剩余膠凝材。坍落度控制在7～9范圍內�？刂苹炷�土含氣量在4.5～5.5％范圍內，以保證砼抗凍等耐久性要求。
　　表3.5二級配抗凍抗滲膨脹混凝土配合比

                       
　　注：1＃（C9030W6F150）為微膨脹混凝土，限制膨脹率1.5/萬～2.5/萬，2＃（C9035W6F150）為加強膨脹混凝土，限制膨脹率3.5/萬～4.5/萬。
　　四、混凝土施工狀況
　　由于混凝土最高溫度發生在3～8d齡期內，而隨著混凝土溫度降低，溫度應力逐漸增大，因此以28d混凝土各項性能指標對混凝土進行抗裂性分析是科學的。
　　F6塊底板長52.8米，寬為11米，底板厚為2米，于2006年9月10日至9月13日澆筑，一次成型�；炷�土采用1.5方強制攪拌機，拌和時間120s。采用混凝土攪拌車運輸，布料機入倉，采用分層澆筑。養護方式為人工灑水養護，養護時間為14天。澆筑期間大氣溫度14～31度，混凝土出機溫度21～26度，含氣量及抗壓強度如表表4.1
　　表4.1F6塊底板混凝土坍落度、含氣量及抗壓強度

                        
　　　　五、混凝土抗裂性分析
　　采用吳中偉院士提出的混凝土冷縮和干縮聯合補償模式，即|ε－S－ST|≤SK＋CT來分析這塊底板的抗裂性能，因此要求首先得到現場混凝土的限制膨脹率、干縮值、極限延伸率和混凝土徐變。
　　5.1求混凝土極限延伸率
　　由于混凝土抗壓強度與抗拉強度存在一般關系式：ft=0.23fcu2/3，根據混凝土28d齡期抗壓強度可得其抗拉強度值，計算結果如下：fcu=34.2
　　ft=0.23×34.22/3=2.40
　　fcu：混凝土抗壓強度
　　ft：混凝土抗拉強度
　　F6塊底板沿長度方向配筋率為μ＝0.99％，鋼筋直徑d=28mm，混凝土抗拉強度采用28d計算強度Rf=2.53。根據游寶坤等研究成果，極限延伸率采用以下經驗公式：
　　Sk=0.5Rf(1+μ/d)×10-4×(1+0.5)=2.4310-4
　　Sk－極限延伸率
　　μ－配筋率，×100
　　d－鋼筋直徑，mm
　　Rf－混凝土抗拉強度，MPa
　　5.2求溫度變形
　　經過現場檢測，混凝土入倉溫度平均為22.3度，混凝土中心最高溫度為53.4度，溫度為31.1度�；炷�土線膨脹系數在7～14×10-6/℃范圍內，因此本文采用經驗數值10×10-6/℃。由于受到鋼筋和基礎約束，約束系數為R＝0.6，計算產生的最大冷縮變形值為：
　　St=10×10-6×ΔT×R=1.87×10-4
　　5.3混凝土干燥收縮率
　　混凝土干縮會產生拉應力，使構件開裂。因此混凝土的干縮對混凝土及鋼筋混凝土的性能影響很大，在計算薄壁結構或大體積混凝土結構表面的應力時，均需考慮混凝土的干縮變形。
　　5.4混凝土限制膨脹率
　　當混凝土抗壓強度達到3～5MPa時拆模，測量初始長度，然后將試件浸入（20±2）℃水中養護，分別測定3d,7d,14d水中的長度以及28d,42d空氣中的長度。由于配合比同時摻加了粉煤灰，膨脹劑和高效減水劑，能有效降低混凝土膨脹落差。測得水中14d限制膨脹率為2.1/萬。
　　5.5最終變形值
　　根據吳中偉院士提出的混凝土冷縮和干縮聯合補償模式，即|ε－S－ST|=1.27×10-4（2.43×10-4＝SK＋CT）說明只要加強早期養護，就能達到控制混凝土不開裂。
　　5.6現場情況
　　經過長期檢測，內外溫差超過30度，未發現可見的裂縫。同時根據監測數據，鋼筋處于受拉狀態。說明補償收縮混凝土能夠補償大體積混凝土的溫差收縮和干縮變形，有效阻止裂縫的產生。
　　六、結束語
　　1、補償收縮混凝土能夠聯合補償混凝土的溫度收縮和干燥收縮，對大體積混凝土來說有很積極的意義。但是摻加膨脹劑后混凝土養護要求更加嚴格，這是因為膨脹源――鈣礬石的生成過程需要大量的水，如果養護不當將會使混凝土干縮更加嚴重。因此在施工過程中，制定嚴格的養護制度將是十分重要的。
　　2、由于補償收縮混凝土能夠使鋼筋產生一定值的預應力，使得混凝土在內外溫差大于25度時仍然不會開裂，說明補償收縮混凝土能夠有效補償混凝土的溫差收縮。但是依然要限制混凝土入倉溫度，過高的內部溫度將會使混凝土的熱脹與混凝土的自身膨脹發生重疊，將會使對混凝土表層和底層產生一定的拉應力，對該處混凝土很不利。因此要在保證混凝土經濟方便的條件下，盡可能降低混凝土入倉溫度及采取其他降溫措施。
　　3、補償收縮混凝土對混凝土配筋率要求比較嚴格，與補償收縮混凝土相適應的配筋率能夠更加有效地防止裂縫產生。在混凝土結構突變部位及孔洞周邊應增加箍筋和加強筋，以保證混凝土膨脹時能夠張拉鋼筋，儲存混凝土的膨脹能，從而防止混凝土干縮裂縫的產生。
　　4、配合比同時摻加了粉煤灰，膨脹劑和高效減水劑，能夠有效降低混凝土膨脹落差。同時由于鈣礬石有吸水膨脹的作用，在水分充足的情況下能夠使混凝土早期產生的微裂紋自動愈合，對混凝土結構自防水有利。