倪玉祥 ，陸安群 ，王建軍

（1.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022）

0 引言

隨著我國人口數(shù)量的持續(xù)增長和城市化進(jìn)程的加快，地下混凝土工程結(jié)構(gòu)建設(shè)占據(jù)城市建設(shè)的比重日趨增加，高層建筑地下室、地鐵、隧道、人防工程等均需建造各種超長地下室結(jié)構(gòu)[1]。由于地下水環(huán)境的特殊性和剛性防水要求，混凝土裂縫控制對(duì)于地下工程質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響?；炷烈坏╅_裂出現(xiàn)裂縫，就大大增加了混凝土的滲透性，嚴(yán)重影響地下工程的防水防腐等耐久性能[2]。圖1為某地下工程的工程底板、側(cè)墻混凝土拆模后出現(xiàn)的開裂及滲水現(xiàn)象。在地下空間結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫控制中，側(cè)墻混凝土由于其結(jié)構(gòu)形式的特殊性，養(yǎng)護(hù)措施等難以到位，易在施工階段就出現(xiàn)因溫降收縮、自收縮及約束等原因而產(chǎn)生貫穿性裂縫，給工程的耐久性和質(zhì)量帶來了極大的隱患[3]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，地下室底板、頂板出現(xiàn)裂縫數(shù)量約占裂縫總數(shù)的10%，而地下室側(cè)墻開裂的工程占被調(diào)查工程總數(shù)的85%以上，地下側(cè)墻混凝土早期裂縫已成為裂縫控制的關(guān)鍵和難點(diǎn)[4]。

圖1 某地下室工程的底板和側(cè)墻混凝土的抗裂及滲水現(xiàn)象

利用膨脹劑在水化過程中產(chǎn)生適量的膨脹補(bǔ)償水泥基材料的收縮，是解決大面積、大體積和超長結(jié)構(gòu)混凝土裂滲問題的有效技術(shù)途徑[5]。目前普遍采用鈣礬石類膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土，用于防裂、抗?jié)B的地下側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)；其作用機(jī)理在于與水泥中的成分發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，從而產(chǎn)生膨脹[5-6]。但以鈣礬石作為單一膨脹源的膨脹劑，存在膨脹速率慢、膨脹效能低、水化產(chǎn)物不穩(wěn)定、高溫易分解、水化需水量大、對(duì)養(yǎng)護(hù)濕度要求較高等問題[7-9]。氧化鈣-硫鋁酸鈣類高效膨脹劑是近年來補(bǔ)償混凝土收縮和裂縫控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，相比傳統(tǒng)鈣礬石類膨脹劑，對(duì)外界環(huán)境濕度要求低、水化需水量小、膨脹效能大，更適用于以用水量低、結(jié)構(gòu)致密為顯著特征的C50以上高性能混凝土的要求[10]。

本文主要研究不同養(yǎng)護(hù)條件下氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑對(duì)某地下室側(cè)墻用C50混凝土變形性能及抗?jié)B性能的影響，為氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑在地下空間側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：盤固水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；粉煤灰：鎮(zhèn)江華能電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰；砂：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.68；骨料：5~25 mm連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA系聚羧酸高性能減水劑；膨脹劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的HME-Ⅳ混凝土高效膨脹劑（以下簡稱膨脹劑），為氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》Ⅱ型品要求。水泥和膨脹劑的主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥和膨脹劑的主要化學(xué)成分 %

1.2 配合比

C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比如表2所示。膨脹劑采用內(nèi)摻方式，分別為膠凝材料總質(zhì)量的6%、8%、10%、12%。通過減水劑等外加劑控制混凝土的坍落度在160~200 mm，含氣量2.0%~4.0%。

表2 摻膨脹劑的C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同恒溫養(yǎng)護(hù)條件下C50混凝土的限制膨脹測(cè)試

混凝土限制膨脹參照GB/T 23439—2017進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)配比成型6條帶φ10 mm鋼筋限制器的100 mm×100 mm×300 mm限制膨脹混凝土試件，用于測(cè)試20、40℃水養(yǎng)條件下混凝土的限制膨脹率。試件在溫度為（20±2）℃，抗壓強(qiáng)度3~5 MPa脫模，測(cè)完初長后分別立即放入（20±2）℃、（40±2）℃的恒溫水槽內(nèi)。待到規(guī)定齡期測(cè)試長度。

40℃水養(yǎng)條件的混凝土試件在測(cè)完初長后立即放入（40±2）℃的恒溫養(yǎng)護(hù)水槽內(nèi)養(yǎng)護(hù)，到測(cè)試齡期后取出放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±1）℃、相對(duì)濕度＞95%]中自然冷卻至室溫（冷卻時(shí)間約3 h，不可澆水急冷）。冷卻后的試件在標(biāo)準(zhǔn)干養(yǎng)室[溫度（20±1）℃、相對(duì)濕度（60±5）%]中測(cè)量長度，測(cè)試完立即放回原養(yǎng)護(hù)溫度水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至下一測(cè)試齡期。

1.3.2 不同恒溫養(yǎng)護(hù)條件下C50混凝土的自生體積變形

混凝土自生體積變形參照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。將混凝土密封試件分別放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±1）℃、相對(duì)濕度（60±5）%]和高溫養(yǎng)護(hù)室[溫度（40±1）℃、相對(duì)濕度（75±5）%]內(nèi)，待到規(guī)定齡期進(jìn)行長度測(cè)試。

恒溫20℃混凝土自生體積變形的零點(diǎn)選取混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±1）℃、相對(duì)濕度（60±5）%]的初凝時(shí)間；恒溫40℃混凝土自生體積變形的零點(diǎn)選取混凝土在高溫養(yǎng)護(hù)室[溫度（40±1）℃、相對(duì)濕度（75±5）%]的初凝時(shí)間。

1.3.3 側(cè)墻結(jié)構(gòu)C50混凝土的變形性能測(cè)試

采用南瑞集團(tuán)NZS-15G2型差動(dòng)電阻式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)50cm厚側(cè)墻C50混凝土的變形和溫度歷程，應(yīng)變計(jì)埋置于墻的長、寬和高的中心位置。

1.3.4 摻膨脹劑C50混凝土的抗?jié)B性能測(cè)試

抗?jié)B性試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土澆筑于鋼模約束的圓臺(tái)體中，至養(yǎng)護(hù)齡期28 d后拆模進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量膨脹劑對(duì)C50混凝土限制膨脹率的影響

20℃、40℃水養(yǎng)護(hù)條件下，分別摻0、6%、8%、10%和12%膨脹劑的C50混凝土的限制膨脹率如圖2所示。

圖2 不同膨脹劑摻量下C50混凝土的水養(yǎng)限制膨脹變形

由圖2可見，20℃水養(yǎng)護(hù)條件下，隨著氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑摻量的增加，C50混凝土的限制膨脹率增大。40℃水養(yǎng)護(hù)條件下，試件在3d內(nèi)迅速膨脹，6%~12%膨脹劑摻量下膨脹均發(fā)生在10d前，但膨脹持續(xù)時(shí)間隨膨脹劑摻量的增加而延長。

圖3為扣除基準(zhǔn)C50混凝土變形后，由不同摻量膨脹劑產(chǎn)生的混凝土水養(yǎng)限制膨脹變形。

圖3 扣除基準(zhǔn)C50混凝土變形后不同摻量膨脹劑產(chǎn)生的水養(yǎng)限制膨脹變形

對(duì)比20℃和40℃時(shí)的最終限制膨脹率發(fā)現(xiàn)，2種溫度下由摻膨脹劑產(chǎn)生的最終限制膨脹率有較大差別。2種養(yǎng)護(hù)溫度下，最終限制膨脹率均隨著膨脹劑摻量的增加而增大，20℃水中養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，摻6%、8%、10%、12%膨脹劑的C50混凝土產(chǎn)生的最大膨脹變形率分別為 142×10-6、257×10-6、319×10-6、379×10-6。40℃水中養(yǎng)護(hù)至 28 d時(shí)，摻 6%、8%、10%、12%膨脹劑的C50混凝土產(chǎn)生的最大膨脹變形率分別為51×10-6、188×10-6、298×10-6、432×10-6。

20℃水中養(yǎng)護(hù)14 d，內(nèi)摻8%膨脹劑的C50混凝土限制膨脹率達(dá)到267×10-6，已符合JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中墻體結(jié)構(gòu)部位的限制膨脹率設(shè)計(jì)取值。

2.2 不同摻量膨脹劑對(duì)C50混凝土自生體積變形的影響

不同溫度密封養(yǎng)護(hù)條件下，不同膨脹劑摻量的C50混凝土自生體積變形測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同膨脹劑摻量下C50混凝土的自生體積變形

由圖4可見，在20℃密封養(yǎng)護(hù)條件下，膨脹持續(xù)時(shí)間隨膨脹劑摻量的增加而延長，6%摻量時(shí)膨脹持續(xù)至5 d，8%摻量時(shí)膨脹持續(xù)至10 d，10%摻量時(shí)膨脹持續(xù)至15 d，12%摻量時(shí)膨脹持續(xù)至20 d左右，此后基本不變；而40℃密封養(yǎng)護(hù)條件下，膨脹劑在1 d內(nèi)即迅速膨脹，6%~12%摻量下膨脹均僅發(fā)生在3 d之前，此后基本不變。說明溫度由20℃升至40℃使得膨脹劑水化膨脹速率顯著加快，在極短時(shí)間內(nèi)即水化膨脹完全。

由膨脹劑產(chǎn)生的最終膨脹量隨著膨脹劑摻量的增加而增大，20℃密封養(yǎng)護(hù)下，摻8%膨脹劑的C50混凝土產(chǎn)生96×10-6的最大膨脹，摻10%膨脹劑的C50混凝土產(chǎn)生227×10-6的最大膨脹。

2.3 不同摻量膨脹劑對(duì)C50混凝土抗?jié)B性能的影響

摻膨脹劑的C50混凝土澆筑于鋼模約束的圓臺(tái)中，并置于20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)。用逐級(jí)加壓法測(cè)試抗?jié)B性能，摻膨脹劑混凝土及基準(zhǔn)C50混凝土在水壓加至1.2 MPa時(shí)，試件表面均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。采用滲水高度法測(cè)試摻膨脹劑的C50混凝土抗?jié)B性能，試驗(yàn)水壓力恒定在1.2 MPa。表3為28 d齡期C50混凝土的抗?jié)B性能。

表3 約束條件下不同膨脹劑摻量C50混凝土的滲水高度

由表3可見，與未摻膨脹劑的C50ref混凝土相比，摻入膨脹劑的C50混凝土平均滲水高度均有不同程度的降低。膨脹劑摻量在0～12%范圍內(nèi)，隨著膨脹劑摻量增加，C50混凝土的抗?jié)B性能明顯提升。

2.4 摻8%膨脹劑某地下室側(cè)墻C50混凝土的變形

摻8%膨脹劑地下室側(cè)墻C50混凝土的變形和溫度歷程如圖5所示。

圖5 某地下室側(cè)墻C50混凝土的變形和溫度歷程

由圖5可見，以初凝為零點(diǎn)，C50ref基準(zhǔn)混凝土溫升階段產(chǎn)生97×10-6的膨脹變形，溫升速率為15.4℃/d，溫峰值31.4℃，自澆筑起的最大溫升12.1℃，18 d齡期產(chǎn)生-48×10-6變形；摻8%膨脹劑的C50混凝土溫升階段產(chǎn)生184×10-6膨脹變形，溫峰值31.5℃，自澆筑起的最大溫升12.1℃，18 d齡期產(chǎn)生41.68×10-6變形。摻8%膨脹劑的地下室側(cè)墻C50混凝土18 d齡期內(nèi)的處于膨脹狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）20℃水養(yǎng)護(hù)條件下，隨著氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑的摻量增加，C50混凝土的限制膨脹率增大。20℃密封養(yǎng)護(hù)下，在C50混凝土中，8%膨脹劑產(chǎn)生96×10-6的最大膨脹，10%膨脹劑產(chǎn)生227×10-6的最大膨脹。20℃水中養(yǎng)護(hù)14 d，內(nèi)摻8%膨脹劑的C50混凝土的限制膨脹率達(dá)到267×10-6，已符合JGJ/T 178—2009中墻體結(jié)構(gòu)部位的限制膨脹率設(shè)計(jì)取值。

（2）與未摻膨脹劑的C50混凝土相比，摻入膨脹劑的C50混凝土的平均滲水高度均有不同程度的降低。約束條件下，膨脹劑摻量在0~12%范圍內(nèi)，隨著膨脹劑摻量增加，C50混凝土的抗?jié)B性能明顯提升。

（3）摻8%膨脹劑的地下室側(cè)墻C50混凝土溫升階段產(chǎn)生184×10-6膨脹變形，溫峰值31.5℃，自澆筑起的最大溫升12.1℃，18 d齡期產(chǎn)生41×10-6變形。摻8%膨脹劑的地下室側(cè)墻C50混凝土18 d齡期內(nèi)處于膨脹狀態(tài)。