李明,林慶雄
(中交三航局第三工程有限公司,江蘇 南京210000)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快, 地下混凝土結(jié)構(gòu)工程建設(shè)占據(jù)城市建設(shè)的比重日益增加,地鐵、隧道、 綜合管廊等均需建造各種超長(zhǎng)地下結(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)量至關(guān)重要。 研究表明,普通C40 混凝土滲透系數(shù)約10-7cm/s[2]。 普通地下結(jié)構(gòu)滲透深度不超過10 cm,不開裂時(shí)C40 混凝土完全滿足剛性防水要求。 然而, 一旦出現(xiàn)裂縫,混凝土的滲透系數(shù)呈數(shù)量級(jí)增加[3]。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),1 m 高水壓下,僅需2 min 左右時(shí)間水即可從裂縫處滲穿1 m 厚混凝土。 已公開報(bào)道的資料表明,由于收縮開裂等原因,地下隧道工程存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。治理滲漏水問題時(shí)間長(zhǎng)、難度大,并嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性能[4]。
采取有效措施控制混凝土開裂,是隧道工程建設(shè)的重大技術(shù)需求。本文結(jié)合南京橫江大道紫創(chuàng)路隧道工程,研究了溫控防滲抗裂劑對(duì)C40 混凝土強(qiáng)度、變形、熱學(xué)性能及耐久性能的影響,監(jiān)測(cè)了抗裂劑在某段側(cè)墻的應(yīng)用效果,為隧道工程的裂縫控制提供技術(shù)支撐。
利用膨脹組分在水化過程中產(chǎn)生適量膨脹補(bǔ)償混凝土收縮是解決大體積和超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)混凝土裂滲問題的有效技術(shù)途徑??沽褎┦墙陙硌a(bǔ)償混凝土收縮和裂縫控制領(lǐng)域的研究熱點(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,可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土收縮的分階段、全過程補(bǔ)償。
HME-V 混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑是鈣質(zhì)、鎂質(zhì)及水化熱調(diào)控組分多元復(fù)合,具有溫度調(diào)控作用的高效抗裂劑。 與傳統(tǒng)緩凝劑相比,抗裂劑采用了新型的水泥水化調(diào)控技術(shù),其主要影響水泥水化加速期水化放熱速率,能大幅度降低水化速率峰值(圖1),延長(zhǎng)水化放熱過程,充分利用結(jié)構(gòu)的散熱條件,為結(jié)構(gòu)散熱贏得寶貴時(shí)間,能大幅度地緩解水化集中放熱程度, 削弱溫峰和溫降過程,降低溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)。 在降低混凝土結(jié)構(gòu)溫升的基礎(chǔ)上,抗裂劑還復(fù)合了不同活性MgO 等膨脹組分,可實(shí)現(xiàn)密封條件下硬化混凝土分階段、全過程收縮抑制[5]。
圖1 緩凝劑與水化熱調(diào)控材料的區(qū)別
南京橫江大道紫創(chuàng)路隧道工程位于南京市江北新區(qū),毗鄰南京長(zhǎng)江五橋。隧道鄰近長(zhǎng)江,地下水豐富。 南京屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,“夏熱冬寒”的特殊氣候,給混凝土后期養(yǎng)護(hù)帶來很大困難。 根據(jù)紫創(chuàng)路隧道設(shè)計(jì)圖紙,側(cè)墻混凝土采用自防水結(jié)構(gòu)形式,添加抗裂劑作為一種有效措施。 工程中涉及大體積混凝土施工,需要防止混凝土在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生早期收縮及溫升,造成收縮率過大,引起開裂,破壞混凝土耐久性。
水泥采用P·O 42.5 水泥; 粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰;礦粉采用S95 級(jí)礦粉;砂采用天然河砂,砂細(xì)度模數(shù)為 2.61;骨料為(5~25) mm 連續(xù)級(jí)配的碎石;減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-10 聚羧酸高性能減水劑;抗裂劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的HME-Ⅴ混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑(簡(jiǎn)稱“抗裂劑”)。 水泥的化學(xué)成分見表1。
表1 水泥化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 wt.%
C40 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, 以膠凝材料總量計(jì)摻量為4.6%、8%。通過減水劑等外加劑控制混凝土的坍落度在(180~220) mm。摻入抗裂劑后,混凝土的和易性良好,凝結(jié)時(shí)間相近,均屬于正常范圍內(nèi)。
3.3.1 不同恒溫養(yǎng)護(hù)條件下C40 混凝土的限制膨脹測(cè)試
表2 摻膨脹劑的C40 強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比
混凝土限制膨脹測(cè)試參照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》和JGJ 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 進(jìn)行。 每個(gè)配比成型6 條帶10 mm 鋼筋限制器的(100×100×300)mm 限制膨脹混凝土試件, 用于測(cè)定20 ℃、40 ℃水養(yǎng)條件下混凝土的限制膨脹率。 試件在溫度為(20±1) ℃,抗壓強(qiáng)度(3~5) MPa 脫模,測(cè)完初長(zhǎng)后分別放在不同溫度的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù),進(jìn)行限制膨脹率的測(cè)試。
3.3.2 摻抗裂劑的C40 混凝土的絕熱溫升
絕熱溫升試驗(yàn)參照GB 50496—2009 《大體積混凝土施工規(guī)范》的試驗(yàn)方法。 混凝土絕熱溫升采用舟山市博遠(yuǎn)科技開發(fā)有限公司BY-ATC/JR 型絕熱溫升測(cè)定儀測(cè)試。
3.3.3 C40 混凝土的力學(xué)性能
混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。
3.3.4 C40 混凝土的耐久性能
C40 混凝土耐久性能的測(cè)試試驗(yàn)參照GB/T50082—2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的試驗(yàn)方法。
3.3.5 側(cè)墻C40 混凝土現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司自主研發(fā)的“混凝土應(yīng)變無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”分別對(duì)紫創(chuàng)路隧道某段側(cè)墻進(jìn)行了變形和溫度監(jiān)測(cè)。側(cè)墻長(zhǎng)30 m,厚度1.2 m。 監(jiān)測(cè)位置位于側(cè)墻的中心位置。
表3 為摻加抗裂劑混凝土不同配合比混凝土的試驗(yàn)結(jié)果。 從表中可以看出,20 ℃情況下,限制膨脹率分別為 0.019%、0.035%,28 d 與 14 d 限制膨脹量差值分別為0.007%、0.008%。 40 ℃情況下,限制膨脹率分別為0.028%、0.040%,28 d 與14 d限制膨脹量差值分別為0.011%、0.015%。摻入抗裂劑后,C40 混凝土的限制膨脹率滿足JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的抗裂性要求,滿足對(duì)墻體結(jié)構(gòu)的限制膨脹率設(shè)計(jì)取值。
表3 摻抗裂劑的C40 混凝土的限制膨脹率 %
摻入抗裂劑的混凝土14 d 限制膨脹率得到顯著提高。 同時(shí),28 d 與14 d 限制膨脹量差值約為未摻加抗裂劑混凝土配合比的4~5 倍。 混凝土摻加抗裂劑可以更好地抵抗混凝土的收縮變形, 混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)降低。同時(shí),可全過程補(bǔ)償混凝土收縮變形。 養(yǎng)護(hù)溫度越高,限制膨脹率越高,抵抗開裂的能力越強(qiáng),對(duì)于大體積混凝土、高強(qiáng)度以及夏季高溫施工下的混凝土變形,有更好的補(bǔ)償收縮作用。
1~3 d 混凝土絕熱溫升變化速度較快,3 d 之后速度逐漸變緩,約6 d 之后混凝土絕熱溫升逐漸趨于穩(wěn)定值。
圖2 基準(zhǔn)及摻抗裂劑的C40 混凝土的絕熱溫升
由圖2 可知,C30 基準(zhǔn)混凝土9 d 的絕熱溫升約50.5 ℃,摻39 kg/m3抗裂劑的C50 混凝土9.3 d的絕熱溫升約44.1 ℃。 抗裂劑能很好地放緩膠材水化放熱歷程,有效地降低膠凝材料中水泥早期水化放熱速率,延緩水化歷程,大幅度緩解水泥水化集中放熱、水化產(chǎn)物的膨脹性能。
摻抗裂劑的C40 混凝土抗壓強(qiáng)度滿足C40 混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求,且摻HME-V 混凝土(溫控、防滲) 高效抗裂劑并未降低C40 混凝土的抗壓強(qiáng)度(表 4)。
表4 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗壓強(qiáng)度
4.4.1 抗?jié)B性能
基準(zhǔn)混凝土與摻入抗裂劑的C40 混凝土相比,抗裂劑對(duì)C40 混凝土的抗?jié)B性能有明顯提高,相同試驗(yàn)水壓力下有效降低了滲水高度,抗?jié)B性能檢測(cè)結(jié)果見表5。
表5 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B性
4.4.2 抗氯離子侵蝕
摻入抗裂劑的C40 混凝土低于基準(zhǔn)混凝土,表明抗裂劑提升了C40 混凝土的抗氯離子侵蝕性能,檢測(cè)結(jié)果見表6。
表6 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B透性能
此段混凝土的抗裂劑摻量是8%。 由圖3 可知,初凝后混凝土中心位置的溫升達(dá)40 ℃。 溫升階段,厚度方向膨脹變形達(dá)776 με,長(zhǎng)度方向膨脹變形達(dá)403 με。 混凝土溫升階段,厚度方向和長(zhǎng)度方向膨脹變形隨溫度呈直線增長(zhǎng),厚度方向的單位膨脹變形為 20.83 με/℃, 長(zhǎng)度方向的單位膨脹變形為10.11 με/℃。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,抗裂劑在側(cè)墻結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了有效膨脹變形。
圖3 某段C40P8 混凝土的側(cè)墻中心位置溫度-變形監(jiān)測(cè)結(jié)果(30 m 長(zhǎng)、1.2 m 厚)
觀察采用上述抗裂劑并進(jìn)行溫度-變形監(jiān)測(cè)的紫創(chuàng)路隧道某段C40P8 側(cè)墻混凝土外觀, 未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫及滲漏。
(1)添加抗裂劑的C40 混凝土14 d 水養(yǎng)限制膨脹率均能夠達(dá)到0.015%, 已經(jīng)滿足補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)取值,能夠在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生約(0.2~0.7)MPa的膨脹應(yīng)力。 14 d~28 d 水養(yǎng)條件的限制膨脹率持續(xù)增長(zhǎng), 表明添加抗裂劑能夠補(bǔ)償混凝土早期自收縮, 而且能夠補(bǔ)償混凝土的溫降收縮和后期拆模后的干燥收縮, 但7 d~28 d 內(nèi)水養(yǎng)條件下的限制膨脹增長(zhǎng)幅度明顯低于7 d 內(nèi)的膨脹變形, 表明混凝土在28 d 以后的膨脹會(huì)趨于收斂, 不存在安定性問題。
(2)摻入蘇博特制備的HME-V 混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑能較好地降低混凝土膠凝材料的早期水化反應(yīng)速率,降低溫升。 結(jié)合抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析,摻入HME-V 型混凝土抗裂劑能夠抑制混凝土早期溫升且不影響混凝土后期強(qiáng)度。 相比基準(zhǔn)C40 混凝土,摻入抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子滲透性能得到大幅度提高。
(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,抗裂劑在隧道某段側(cè)墻結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了有效膨脹變形。對(duì)采用上述抗裂劑某段C40P8 側(cè)墻混凝土外觀觀測(cè),未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫及滲漏。