低收缩抗裂混凝土性能研究及应用

[摘要]试验研究了基准与采用水化速率与膨胀历程协同调控技术制备的抗裂混凝土水化放热、体积变形等性能。结果表明，抗裂混凝土早期水化放热速率显著降低，1d绝热温升值降低约63.0%，7d值则接近基准，42d自生膨胀体积变形超过200με，抗裂性能有效提升。将抗裂混凝土技术应用于苏州市某隧道工程，监测结果表明，隧道侧墙结构最高温升较采用对比技术时降低约4.3℃，温升阶段膨胀增大超过60%，温降阶段收缩减小约36.7%，裂缝控制效果显著。

[关键词]收缩开裂；抗裂混凝土；协同调控；绝热温升；自生体积变形

随着经济发展和城市人口剧增，在道路下方修建下穿隧道已成为解决交通拥堵的重要方式之一[1]。城市下穿隧道采用明挖现浇法施工时，受所处环境、结构形式及施工工艺等因素影响，容易在施工期即出现严重的开裂现象，工程调研结果表明，地下工程混凝土施工期收缩引起的开裂约占裂缝总量的80%以上[2-3]。为加快施工周转与效率，近半个世纪水泥细度增加超过1倍，水化速率显著加快，短期内热量聚集导致结构温升与自收缩剧增，导致这一问题在现代混凝土结构中更为突出[4-6]。苏州市新建某隧道工程全长2860m，其中暗埋段2520m，东西两侧敞开段分别175m与165m，标准段按两孔一管廊结构设计，净宽13.1m，管廊宽1.8m，双向六车道。隧道主体结构底板、侧墙和顶板厚度分别为1.0m~1.5m、0.9m~1.2m及0.9m~1.3m，混凝土设计强度等级C35P8，分段浇筑长度20m~30m。由上述设计参数并结合类似工程经验可知，本工程隧道主体结构尺寸大，混凝土施工期温度收缩与自收缩叠加引起的开裂及渗漏风险较为突出，必须予以足够重视[7-9]。有鉴于此，工程参建单位通过试验研究，提出采用水化速率与膨胀历程协同调控技术制备低收缩抗裂混凝土并应用于实体结构，取得了良好效果。

1试验研究

1.1试验原材料。试验研究采用的混凝土原材料如下：无锡天山水泥有限公司P•O42.5水泥，比表面积377m2/kg；常熟苏虞天润粉煤灰有限公司F类Ⅱ级煤灰，比表面积455m2/kg；浙江五龙新材料股份有限公司聚羧酸减水剂；江苏苏博特新材料股份有限公司HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂；细度模数为2.6的中砂；5mm~10mm与10mm~26.5mm按2:8比例混合的二级配石子。HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂根据不同实体结构混凝土温度、收缩与力学性能发展规律，设计水泥水化调控材料与多元钙镁膨胀材料组成协同调控结构混凝土温度场并匹配其收缩历程，减小收缩拉应力及其引起的开裂风险[10-12]。采用X射线荧光半定量法测定水泥与粉煤灰氧化物含量见表1，依据GB/T23439—2017《混凝土膨胀剂》与GB/T12959—2008《水泥水化热测试方法》测定抗裂剂关键性能指标见表2。1.2混凝土配合比。工程提供的基准配合比主要根据工作性、强度要求确定，但存在胶凝材料用量多，水胶比偏高，使用矿粉等问题，不利于控制水化热，抑制早期变形开裂，已有研究表明，掺入少量矿粉并不降低水化放热反而增大混凝土自收缩[12]，为此综合技术与经济性原则优化配合比设计，在降低胶凝材料用量与水胶比、单掺粉煤灰的基础上，将抗裂剂取代部分胶凝材料制备抗裂混凝土，从材料上最大程度降低开裂风险。具体配合比基本参数见表3，其中A1是基准混凝土配合比，A2是抗裂混凝土配合比。1.3试验方法。胶凝材料水化放热试验采用美国TA公司生产的TAM-AIR等温微量热仪，测试温度为30℃，按配合比中胶凝材料的比例称取物料，加水后采用机械搅拌器先慢后快分别各搅拌1min停止，称取浆体适量放入试验塑料瓶中，放入相应通道内系统开始采集数据。混凝土绝热温升试验依据标准DL/T5150—2001《水工混凝土试验规程》开展。自生体积变形测试采用Φ100mm×400mm内壁光滑PVC管试模，混凝土浇筑后放入恒温（32±0.5）℃的试验室，表面覆盖塑料薄膜，约2h~3h后揭开塑料薄膜安装接触式测试钉头，初凝后用石蜡将表面密封处理，在试件架上用精度1μm的千分表测试，终凝开始定期读数。混凝土工作性测试依据GB50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，混凝土力学性能依据GB50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，混凝土耐久性能测试依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》进行。1.4试验结果与分析。1.4.1胶凝材料水化放热与绝热温升如表3所示配合比的混凝土胶凝材料水化放热速率与放热总量试验结果如图1所示，由图可见，与纯水泥放热曲线相比，掺入矿物掺和料在一定程度上降低了胶凝材料放热量与放热速率峰值，但减小幅度有限，因掺和料早期水化程度较小，7d放热量仍低于纯水泥约6.7%。在此基础上掺类型CaOSiO2020年第6期（总第209期）入抗裂剂进一步显著降低最大放热速率2.69×10-3W/g,，延缓峰值出现时间约10h，1d放热量降低率59.6%，7d降低率小于2.5%，基本不影响放热总量，且放热速率曲线平缓，放热更加均匀，更有利于内部热量散失，减少温度应力集中，降低开裂风险。在胶凝材料热学性能研究基础上，为表征混凝土放热历程，测试了如表3所示配合比混凝土的绝热温升，试验结果如图2所示。由图可见，基准混凝土A1与抗裂混凝土A2浇筑成型后分别约0.35d与0.71d左右进入快速水化放热期，温升值迅速增长，约3.21d与5.36d基本进入温升稳定期，在此放热期间，抗裂混凝土水化温升增长持续时间显著较长，早期绝热温升值始终小于普通混凝土，1d绝热温升值降低率63.0%，3d绝热温升值降低率为17.9%，7d绝热温升相差幅度低于0.3%，可见掺加抗裂剂能显著地抑制早期水化温升速率，对7d绝热温升值基本没有影响，具有持续水化放热特性，在非绝热实体结构中能有效降低温升值与降温速率。1.4.2自生体积变形性能混凝土收缩变形产生约束拉应力超过其瞬时抗拉强度就会开裂，体积稳定性能是影响开裂关键要素之一，测试了如表3所示配合比混凝土的自生体积变形，试验结果如图3所示。由图可见，普通混凝土成型后持续收缩，7d与28d体积变形分别为-95με与-165.4με，而抗裂混凝土在补偿自收缩后始终处于微膨胀状态，4d达到最大变形248.02με，随后体积变形开始减小，7d与28d变形值243.8με与217.1με，抗裂混凝土从4d到42d最大变形减小约32με，普通混凝土同龄期收缩约105με，通过膨胀历程优化设计，抗裂混凝土实现了全过程补偿收缩，显著降低结构开裂风险。1.4.3工作、力学与耐久性能按表3中配合比制备混凝土工作、力学与耐久性能测试结果见表5与表6，结果可知，混凝土保水性能良好，粘聚性、流动性及粘度满足现场泵送施工要求，含气量＜2.5%，1h坍落度经时损失＜20mm，容重偏差满足设计规范要求2%以内，因抗裂剂中水化温升抑制材料对放热速率调控影响，终凝时间延长2.63h，7d抗压强度比普通混凝土低2.5MPa，28d强度基本没有影响，满足试配强度富裕值，抗裂剂的微膨胀特性细化了水化微观孔隙，降低了56d电通量与氯离子扩散系数，抗侵蚀渗透能力进一步提升。

2工程实施效果对比分析

选取该隧道工程暗埋段首段南、北两侧侧墙，长、宽、高均为20.5m、0.9m和4.8m，使用表3中A2配合比进行施工，抗裂剂分别采用HME-V及某市售品牌，对比实施效果。为保证施工质量，拌合物坍落度控制在180mm±20mm，以300mm~500mm厚度分层浇筑，混凝土下落高差不超2.0m，根据浇筑高度提升泵管。振捣过程遵循“快插慢拔”原则，插入深度需穿透下一层，保证层间混凝土均质性，加强边角处振捣，时间控制在30s~40s，防止过振或漏振。拆模时间根据温度监测结果确定，温峰值过后24h拆除模板，拆模后及时做好保温保湿养护不少于14d。在开裂风险较高的墙体中部中心预埋正弦式应变计对结构混凝土温度、应变历程进行原位、实时在线监测，以评估抗裂混凝土技术应用效果，同时设置环境温度测点。主要监测结果如图4所示。由图4（a）温度历程监测结果可知，侧墙混凝土入模温度均在20℃左右，较日均气温高约5.0℃。凝结后水泥等胶凝材料水化放热，结构混凝土快速升温，与某市售品牌抗裂剂相比，掺加HME-V的混凝土中心最高温升降低约4.3℃，温峰后水泥水化速率减缓，表面散热速率超过水泥水化放热速率，侧墙结构中心温度开始下降，5d时间内平均降温速率较前者减小约0.36℃/d。由图4（b）体积变形监测结果可知，掺加HME-V的侧墙结构混凝土温升阶段最大膨胀变形约560με，较某市售品牌高约210με，有利于膨胀预压应力的存储；温降阶段收缩变形则减小了约130με，降低率为36.7%，由混凝土温峰降低，温降收缩减小以及膨胀组分在该阶段的补偿收缩共同作用引起。上述结构混凝土温度场与体积变形双重调控效果可显著抑制其早期收缩开裂风险，拆模后对墙体裂缝的持续观测结果也证实了这一点，浇筑结束后迄今半年时间内未见开裂渗漏，而对比段于浇筑后9d时即出现数条竖向、平行、等间距分布的裂缝并在回填土后有渗漏现象。

3结语

（1）相较普通混凝土，抗裂混凝土1d绝热温升值降低率达63.0%，7d值则相近，即水泥水化速率调控技术在有效抑制混凝土早期水化放热的同时，基本不影响放热总量。（2）抗裂混凝土自生体积变形始终处于微膨胀状态，最大膨胀变形约244με，出现在4d时，从4d至42d相较基准混凝土收缩减小了73με，即仍有膨胀补偿收缩作用产生。抗裂混凝土的工作、力学与耐久性能与基准混凝土差异不大或略有提升。（2）将抗裂混凝土技术应用于某隧道工程试验段侧墙结构中，并进行了与某市售抗裂剂品牌应用效果的对比监测，结果表明，抗裂混凝土中心最高温升降低了约4.3℃，温升阶段膨胀变形增加了约210με，温降阶段收缩变形减小了约130με，显著改善了混凝土抗裂性能，关于实体结构裂缝的施工期观测结果与此吻合。

作者:任景阳 徐文 张坚 李欢欢 单位:1.江苏苏博特新材料股份有限公司 2.东南大学材料科学与工程学院 3.上海城建物资有限公司