低收縮抗裂混凝土性能研究及應用

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[摘要]試驗研究了基準與采用水化速率與膨脹歷程協同調控技術制備的抗裂混凝土水化放熱、體積變形等性能。結果表明，抗裂混凝土早期水化放熱速率顯著降低，1d絕熱溫升值降低約63.0%，7d值則接近基準，42d自生膨脹體積變形超過200με，抗裂性能有效提升。將抗裂混凝土技術應用于蘇州市某隧道工程，監測結果表明，隧道側墻結構最高溫升較采用對比技術時降低約4.3℃，溫升階段膨脹增大超過60%，溫降階段收縮減小約36.7%，裂縫控制效果顯著。

[關鍵詞]收縮開裂；抗裂混凝土；協同調控；絕熱溫升；自生體積變形

隨著經濟發展和城市人口劇增，在道路下方修建下穿隧道已成為解決交通擁堵的重要方式之一[1]。城市下穿隧道采用明挖現澆法施工時，受所處環境、結構形式及施工工藝等因素影響，容易在施工期即出現嚴重的開裂現象，工程調研結果表明，地下工程混凝土施工期收縮引起的開裂約占裂縫總量的80%以上[2-3]。為加快施工周轉與效率，近半個世紀水泥細度增加超過1倍，水化速率顯著加快，短期內熱量聚集導致結構溫升與自收縮劇增，導致這一問題在現代混凝土結構中更為突出[4-6]。蘇州市新建某隧道工程全長2860m，其中暗埋段2520m，東西兩側敞開段分別175m與165m，標準段按兩孔一管廊結構設計，凈寬13.1m，管廊寬1.8m，雙向六車道。隧道主體結構底板、側墻和頂板厚度分別為1.0m~1.5m、0.9m~1.2m及0.9m~1.3m，混凝土設計強度等級C35P8，分段澆筑長度20m~30m。由上述設計參數并結合類似工程經驗可知，本工程隧道主體結構尺寸大，混凝土施工期溫度收縮與自收縮疊加引起的開裂及滲漏風險較為突出，必須予以足夠重視[7-9]。有鑒于此，工程參建單位通過試驗研究，提出采用水化速率與膨脹歷程協同調控技術制備低收縮抗裂混凝土并應用于實體結構，取得了良好效果。

1試驗研究

1.1試驗原材料。試驗研究采用的混凝土原材料如下：無錫天山水泥有限公司P•O42.5水泥，比表面積377m2/kg；常熟蘇虞天潤粉煤灰有限公司F類Ⅱ級煤灰，比表面積455m2/kg；浙江五龍新材料股份有限公司聚羧酸減水劑；江蘇蘇博特新材料股份有限公司HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑；細度模數為2.6的中砂；5mm~10mm與10mm~26.5mm按2:8比例混合的二級配石子。HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑根據不同實體結構混凝土溫度、收縮與力學性能發展規律，設計水泥水化調控材料與多元鈣鎂膨脹材料組成協同調控結構混凝土溫度場并匹配其收縮歷程，減小收縮拉應力及其引起的開裂風險[10-12]。采用X射線熒光半定量法測定水泥與粉煤灰氧化物含量見表1，依據GB/T23439—2017《混凝土膨脹劑》與GB/T12959—2008《水泥水化熱測試方法》測定抗裂劑關鍵性能指標見表2。1.2混凝土配合比。工程提供的基準配合比主要根據工作性、強度要求確定，但存在膠凝材料用量多，水膠比偏高，使用礦粉等問題，不利于控制水化熱，抑制早期變形開裂，已有研究表明，摻入少量礦粉并不降低水化放熱反而增大混凝土自收縮[12]，為此綜合技術與經濟性原則優化配合比設計，在降低膠凝材料用量與水膠比、單摻粉煤灰的基礎上，將抗裂劑取代部分膠凝材料制備抗裂混凝土，從材料上最大程度降低開裂風險。具體配合比基本參數見表3，其中A1是基準混凝土配合比，A2是抗裂混凝土配合比。1.3試驗方法。膠凝材料水化放熱試驗采用美國TA公司生產的TAM-AIR等溫微量熱儀，測試溫度為30℃，按配合比中膠凝材料的比例稱取物料，加水后采用機械攪拌器先慢后快分別各攪拌1min停止，稱取漿體適量放入試驗塑料瓶中，放入相應通道內系統開始采集數據?；炷两^熱溫升試驗依據標準DL/T5150—2001《水工混凝土試驗規程》開展。自生體積變形測試采用Φ100mm×400mm內壁光滑PVC管試模，混凝土澆筑后放入恒溫（32±0.5）℃的試驗室，表面覆蓋塑料薄膜，約2h~3h后揭開塑料薄膜安裝接觸式測試釘頭，初凝后用石蠟將表面密封處理，在試件架上用精度1μm的千分表測試，終凝開始定期讀數?；炷凉ぷ餍詼y試依據GB50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，混凝土力學性能依據GB50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，混凝土耐久性能測試依據GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標準》進行。1.4試驗結果與分析。1.4.1膠凝材料水化放熱與絕熱溫升如表3所示配合比的混凝土膠凝材料水化放熱速率與放熱總量試驗結果如圖1所示，由圖可見，與純水泥放熱曲線相比，摻入礦物摻和料在一定程度上降低了膠凝材料放熱量與放熱速率峰值，但減小幅度有限，因摻和料早期水化程度較小，7d放熱量仍低于純水泥約6.7%。在此基礎上摻類型CaOSiO2020年第6期（總第209期）入抗裂劑進一步顯著降低最大放熱速率2.69×10-3W/g,，延緩峰值出現時間約10h，1d放熱量降低率59.6%，7d降低率小于2.5%，基本不影響放熱總量，且放熱速率曲線平緩，放熱更加均勻，更有利于內部熱量散失，減少溫度應力集中，降低開裂風險。在膠凝材料熱學性能研究基礎上，為表征混凝土放熱歷程，測試了如表3所示配合比混凝土的絕熱溫升，試驗結果如圖2所示。由圖可見，基準混凝土A1與抗裂混凝土A2澆筑成型后分別約0.35d與0.71d左右進入快速水化放熱期，溫升值迅速增長，約3.21d與5.36d基本進入溫升穩定期，在此放熱期間，抗裂混凝土水化溫升增長持續時間顯著較長，早期絕熱溫升值始終小于普通混凝土，1d絕熱溫升值降低率63.0%，3d絕熱溫升值降低率為17.9%，7d絕熱溫升相差幅度低于0.3%，可見摻加抗裂劑能顯著地抑制早期水化溫升速率，對7d絕熱溫升值基本沒有影響，具有持續水化放熱特性，在非絕熱實體結構中能有效降低溫升值與降溫速率。1.4.2自生體積變形性能混凝土收縮變形產生約束拉應力超過其瞬時抗拉強度就會開裂，體積穩定性能是影響開裂關鍵要素之一，測試了如表3所示配合比混凝土的自生體積變形，試驗結果如圖3所示。由圖可見，普通混凝土成型后持續收縮，7d與28d體積變形分別為-95με與-165.4με，而抗裂混凝土在補償自收縮后始終處于微膨脹狀態，4d達到最大變形248.02με，隨后體積變形開始減小，7d與28d變形值243.8με與217.1με，抗裂混凝土從4d到42d最大變形減小約32με，普通混凝土同齡期收縮約105με，通過膨脹歷程優化設計，抗裂混凝土實現了全過程補償收縮，顯著降低結構開裂風險。1.4.3工作、力學與耐久性能按表3中配合比制備混凝土工作、力學與耐久性能測試結果見表5與表6，結果可知，混凝土保水性能良好，粘聚性、流動性及粘度滿足現場泵送施工要求，含氣量＜2.5%，1h坍落度經時損失＜20mm，容重偏差滿足設計規范要求2%以內，因抗裂劑中水化溫升抑制材料對放熱速率調控影響，終凝時間延長2.63h，7d抗壓強度比普通混凝土低2.5MPa，28d強度基本沒有影響，滿足試配強度富裕值，抗裂劑的微膨脹特性細化了水化微觀孔隙，降低了56d電通量與氯離子擴散系數，抗侵蝕滲透能力進一步提升。

2工程實施效果對比分析

選取該隧道工程暗埋段首段南、北兩側側墻，長、寬、高均為20.5m、0.9m和4.8m，使用表3中A2配合比進行施工，抗裂劑分別采用HME-V及某市售品牌，對比實施效果。為保證施工質量，拌合物坍落度控制在180mm±20mm，以300mm~500mm厚度分層澆筑，混凝土下落高差不超2.0m，根據澆筑高度提升泵管。振搗過程遵循“快插慢拔”原則，插入深度需穿透下一層，保證層間混凝土均質性，加強邊角處振搗，時間控制在30s~40s，防止過振或漏振。拆模時間根據溫度監測結果確定，溫峰值過后24h拆除模板，拆模后及時做好保溫保濕養護不少于14d。在開裂風險較高的墻體中部中心預埋正弦式應變計對結構混凝土溫度、應變歷程進行原位、實時在線監測，以評估抗裂混凝土技術應用效果，同時設置環境溫度測點。主要監測結果如圖4所示。由圖4（a）溫度歷程監測結果可知，側墻混凝土入模溫度均在20℃左右，較日均氣溫高約5.0℃。凝結后水泥等膠凝材料水化放熱，結構混凝土快速升溫，與某市售品牌抗裂劑相比，摻加HME-V的混凝土中心最高溫升降低約4.3℃，溫峰后水泥水化速率減緩，表面散熱速率超過水泥水化放熱速率，側墻結構中心溫度開始下降，5d時間內平均降溫速率較前者減小約0.36℃/d。由圖4（b）體積變形監測結果可知，摻加HME-V的側墻結構混凝土溫升階段最大膨脹變形約560με，較某市售品牌高約210με，有利于膨脹預壓應力的存儲；溫降階段收縮變形則減小了約130με，降低率為36.7%，由混凝土溫峰降低，溫降收縮減小以及膨脹組分在該階段的補償收縮共同作用引起。上述結構混凝土溫度場與體積變形雙重調控效果可顯著抑制其早期收縮開裂風險，拆模后對墻體裂縫的持續觀測結果也證實了這一點，澆筑結束后迄今半年時間內未見開裂滲漏，而對比段于澆筑后9d時即出現數條豎向、平行、等間距分布的裂縫并在回填土后有滲漏現象。

3結語

（1）相較普通混凝土，抗裂混凝土1d絕熱溫升值降低率達63.0%，7d值則相近，即水泥水化速率調控技術在有效抑制混凝土早期水化放熱的同時，基本不影響放熱總量。（2）抗裂混凝土自生體積變形始終處于微膨脹狀態，最大膨脹變形約244με，出現在4d時，從4d至42d相較基準混凝土收縮減小了73με，即仍有膨脹補償收縮作用產生?？沽鸦炷恋墓ぷ?、力學與耐久性能與基準混凝土差異不大或略有提升。（2）將抗裂混凝土技術應用于某隧道工程試驗段側墻結構中，并進行了與某市售抗裂劑品牌應用效果的對比監測，結果表明，抗裂混凝土中心最高溫升降低了約4.3℃，溫升階段膨脹變形增加了約210με，溫降階段收縮變形減小了約130με，顯著改善了混凝土抗裂性能，關于實體結構裂縫的施工期觀測結果與此吻合。

作者:任景陽 徐文 張堅 李歡歡 單位:1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 2.東南大學材料科學與工程學院 3.上海城建物資有限公司