謝彪，徐文，王育江，張堅(jiān)，吳玲正

（1.東南大學(xué)，江蘇南京 211103；2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211103；3.深中通道管理中心，廣東中山 528400）

0 前言

身處海洋環(huán)境的大體積混凝土一旦出現(xiàn)開裂問題，海水的侵蝕會(huì)加速鋼筋混凝土劣化。國內(nèi)對于海洋大體積混凝土的裂縫控制主要是以鋪設(shè)冷卻水管及混凝土控溫等技術(shù)進(jìn)行大體積混凝土控裂施工，通過降低混凝土入模溫度、混凝土溫峰值、減小混凝土里表溫差及環(huán)境溫差等方法抑制混凝土溫度裂縫的形成，其中GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》對大體積混凝土溫控施工做出了詳細(xì)的規(guī)定。但大量工程統(tǒng)計(jì)表明，對于某些強(qiáng)約束、自收縮較大的結(jié)構(gòu)，即使進(jìn)行了極其嚴(yán)格的溫控措施，混凝土結(jié)構(gòu)面依然會(huì)或多或少的出現(xiàn)裂縫，而這些裂縫的存在將會(huì)導(dǎo)致海工大體積混凝土劣化加劇，對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不利。

混凝土開裂是復(fù)雜的多因素耦合作用過程，在大體積混凝土控裂設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位通常僅是考慮溫降作用引起的收縮開裂，但實(shí)際過程往往要復(fù)雜得多[1-2]?；炷恋拈_裂通?？梢钥偨Y(jié)為混凝土的收縮受到約束時(shí)（既有內(nèi)約束也有外約束），其產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于極限抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)開裂[3-5]?；炷恋膽?yīng)變變形大小是混凝土開裂與否的重要參數(shù)，當(dāng)然引起混凝土應(yīng)變的驅(qū)動(dòng)力包括溫度應(yīng)力、干縮變形、自收縮和碳化收縮等，對于某些大體積且約束較大的部位，各種收縮變形是相互疊加的，單純的溫控措施往往很難達(dá)到混凝土控裂的目的。

采用由特殊工藝制備的抗裂劑，通過降低膠凝材料早期水化放熱速率以及分階段全過程補(bǔ)償混凝土收縮變形的雙重調(diào)控技術(shù)，能有效延緩水泥水化放熱、降低大體積混凝土的溫峰值；同時(shí)，由全過程微膨脹性能補(bǔ)償混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而到達(dá)混凝土控裂的目的?？傮w上可以簡化溫控措施（不布置冷卻水管）、加快施工進(jìn)度、降低工程成本，對于大體積混凝土控裂施工具有重要意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：海螺P·Ⅱ42.5S水泥；砂：細(xì)度模數(shù)為2.6的贛江Ⅱ區(qū)中砂，含泥量小于2.0%；碎石：5～25 mm連續(xù)級配，粒形良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石；粉煤灰：諫壁Ⅰ級粉，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的F類Ⅰ級要求；礦粉：唐山S95級礦渣粉，比表面積不大于500 m3/kg；減水劑：江蘇蘇博特減縮型高性能聚羧酸減水劑，減水率26.3%，固含量20%；抗裂劑：由氧化鈣、輕燒氧化鎂及水化熱調(diào)控材料復(fù)合而成，江蘇蘇博特新材料股份有限公司；拌合水：自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本工程為身處海洋環(huán)境的隧道側(cè)墻結(jié)構(gòu)，側(cè)墻厚度達(dá)1.5 m，分段澆筑長度20 m，屬于典型的海工大體積混凝土，因側(cè)墻結(jié)構(gòu)澆筑在底板之上，側(cè)墻大體積混凝土在溫降階段會(huì)受到先澆底板的約束，導(dǎo)致側(cè)墻內(nèi)應(yīng)力集中，在混凝土內(nèi)約束及底板外約束的作用下，混凝土容易開裂。

針對上述情況，該海工大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C28d45、C56d50，抗裂混凝土設(shè)計(jì)原則為低溫升，并具有一定微膨脹性，具有收縮補(bǔ)償作用。實(shí)際配合比參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的設(shè)計(jì)原則及GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》、JTS 202-2—2011《水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，經(jīng)綜合考量，混凝土設(shè)計(jì)配合比如表1所示。

表1 大體積混凝土的配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗裂劑對高性能減水劑和混凝土強(qiáng)度的影響

內(nèi)摻抗裂劑，使其取代8%的膠凝材料（取代34 kg/m3礦粉），混凝土水膠比均為0.34，減水劑摻量以占膠凝材料質(zhì)量百分比計(jì)，具體摻量根據(jù)混凝土拌合物坍落度為200 mm進(jìn)行確定，其它材料種類及用量不變。混凝土的性能如表2所示。

表2 摻減縮型聚羧酸減水劑和高效抗裂劑混凝土的性能

對比1#（普通混凝土）、2#（抗裂混凝土）試驗(yàn)組可知，摻入抗裂劑后，為保持相同混凝土流動(dòng)性，減水劑摻量需稍微增加，這可能是由于抗裂劑粉體對聚羧酸分子有一定的吸附作用，使拌合時(shí)的有效減水劑量降低，可通過減水劑摻量進(jìn)行調(diào)整，但總體對于混凝土的工作性影響不大。從強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，1#、2#混凝土的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，摻抗裂劑組7 d及28 d的強(qiáng)度比未摻抗裂劑略低，但56 d強(qiáng)度高于1#對比組。這是由于抗裂劑具有水化熱調(diào)控作用，在保證總放熱量基本不變的前提下，延緩早期水泥水化放熱速率。因此，2#摻抗裂劑的混凝土早期抗壓強(qiáng)度低于1#，但隨著水化的持續(xù)進(jìn)行，2#混凝土56 d抗壓強(qiáng)度略高于1#。

2.2 抗裂劑對海工混凝土氯離子滲透系數(shù)的影響

在海工大體積混凝土中，除了溫降和自收縮等原因引起的混凝土開裂破壞外，鋼筋混凝土由于受到氯離子侵蝕而引起的劣化破壞也是需要重點(diǎn)關(guān)注的方面[6-8]，其中氯離子滲透系數(shù)是直接反應(yīng)混凝土抗氯離子滲透性能的重要參數(shù)。按表1配合比，根據(jù)RCM法進(jìn)行氯離子滲透系數(shù)測試，2組混凝土試件1#、2#的氯離子滲透系數(shù)分別為2.9、1.8×10-12cm/s。

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入抗裂劑后，混凝土的氯離子滲透系數(shù)較未摻時(shí)減小，說明摻抗裂劑能提高混凝土的抗氯離子滲透性能。這主要是由于抗裂劑的膨脹作用可以影響骨料和水泥砂漿的結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)、硬化水泥漿體孔結(jié)構(gòu)，改善混凝土漿體孔徑分布，減少連續(xù)孔，進(jìn)而降低混凝土的孔隙率，使得結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高[9-11]，從而提高海工混凝土的抗氯離子滲透性能，防止氯離子對鋼筋混凝土的侵蝕破壞。

2.3 抗裂劑的水化熱調(diào)控作用

大體積混凝土抗裂研究中，配合比除應(yīng)滿足強(qiáng)度等級外，還應(yīng)該盡可能的降低混凝土絕熱溫升值。具有較低絕熱溫升的大體積混凝土，在溫降過程中溫降幅度更小，混凝土自身受到的溫度應(yīng)力也就越小，對整體結(jié)構(gòu)抗裂性能的提升有利。本工程通過抗裂劑的水化調(diào)控作用，延緩水泥水化速率，使膠凝材料放熱量在更長的時(shí)間內(nèi)釋放，同時(shí)利用結(jié)構(gòu)敞開面的自身散熱，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)體工程結(jié)構(gòu)最高溫峰值的降低，從而降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)。為對比抗裂劑的水化熱調(diào)控效果，按表1配合比（下同）進(jìn)行普通混凝土與抗裂混凝土絕熱溫升對比試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

圖1 抗裂混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，抗裂混凝土不同階段的絕熱溫升均明顯低于普通混凝土，具體特征溫升統(tǒng)計(jì)值如表3所示。

表3 混凝土絕熱溫升特征值 ℃

由表3可見，抗裂劑對水泥水化放熱調(diào)控作用明顯。3 d時(shí)普通混凝土絕熱溫升42.16 ℃，而抗裂混凝土絕熱溫升僅為28.56 ℃，極大的延緩早期水泥水化放熱速率；9 d時(shí)普通混凝土絕熱溫升為45.35 ℃，而抗裂混凝土絕熱溫升為42.24。結(jié)合圖1分析可知，普通混凝土絕熱溫升已基本持平，抗裂混凝土絕熱溫升仍有一定的上升趨勢，抗裂劑的水化調(diào)控作用僅僅是將放熱歷程延長，而對最終總放熱量影響不大，這也與表2所示早期強(qiáng)度略微降低、后期強(qiáng)度逐漸趕超的發(fā)展規(guī)律相符合。

2.4 抗裂劑對海工混凝土膨脹歷程調(diào)控作用

在許多收縮膨脹性能測試標(biāo)準(zhǔn)中，往往能發(fā)現(xiàn)測試方法基本與實(shí)際工況條件是無法完全匹配的，試驗(yàn)測試的收縮膨脹值僅能反映產(chǎn)品的性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。但值得一提的是，實(shí)際的施工工況是復(fù)雜的，混凝土溫度場更是變化的，為了解恒溫實(shí)驗(yàn)室條件下測試的收縮膨脹指標(biāo)是否合適指導(dǎo)施工應(yīng)用，對海工混凝土在實(shí)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變變形規(guī)律進(jìn)行研究，通過模擬實(shí)際溫度場，測試普通海工混凝土和抗裂海工混凝土的變溫變形規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 變溫變形試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見，在變溫條件下，混凝土應(yīng)變變形先增大后減小，變形最大值出現(xiàn)在3 d的溫峰處，其中普通混凝土最大應(yīng)變值262.5 με，而抗裂混凝土最大應(yīng)變值為600.0 με，這說明摻抗裂劑混凝土在溫升階段比普通混凝土多膨脹337.5 με，早期溫升階段的膨脹，混凝土結(jié)構(gòu)在受到約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，這部分壓應(yīng)力會(huì)儲(chǔ)存在結(jié)構(gòu)中，對抵抗后期溫降階段的收縮變形是有利?；炷翜胤暹^后，混凝土溫度開始降低，混凝土的應(yīng)變值也隨之降低，其中普通混凝土在14 d的變形已經(jīng)為負(fù)值-108.5 με，此時(shí)混凝土受力狀態(tài)為拉應(yīng)力，而抗裂混凝土的應(yīng)變變形依然為正值353.9 με。

圖3 溫升變形試驗(yàn)結(jié)果

圖4 溫降變形試驗(yàn)結(jié)果

目前市場上有許多抗裂劑摻與不摻效果差別不大，甚至有時(shí)摻抗裂劑裂縫更多，然而它們的檢測指標(biāo)都合格。究其原因，是因?yàn)樵S多抗裂劑的膨脹性能在溫升階段就已經(jīng)反應(yīng)殆盡，后期對混凝土并未發(fā)揮收縮補(bǔ)償作用，甚至?xí)鸶蟮氖湛s，因此才會(huì)出現(xiàn)相反的效果。在膨脹歷程調(diào)控中，膨脹性能不僅僅只在溫升階段發(fā)揮，還需要在溫降階段發(fā)揮持續(xù)膨脹的能力，以補(bǔ)償溫降階段的混凝土收縮變形。對溫升和溫降過程分段進(jìn)行分析可知：在溫升階段（見圖3）普通混凝土和抗裂混凝土單位溫度變形值分別為9.1 με/℃和4.0 με/℃，說明抗裂劑在溫升階段已經(jīng)開始發(fā)揮膨脹作用；在溫降階段以溫峰頂點(diǎn)為0點(diǎn)開始作圖（見圖4），普通混凝土和抗裂混凝土的最終收縮值分別為-364.1 με 和-246.0 με，說明抗裂混凝土在收縮階段依然在進(jìn)行收縮補(bǔ)償，補(bǔ)償收縮應(yīng)變值達(dá)118.1 με，此結(jié)果符合預(yù)期，對裂縫控制是有利的。

2.5 有限元仿真計(jì)算分析

根據(jù)上述混凝土配合比性能參數(shù)以及工程實(shí)體結(jié)構(gòu)，由于夏季溫度較高，開裂風(fēng)險(xiǎn)普遍較大，因此對普通混凝土和抗裂混凝土配合比分別在夏季施工工況下進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，入模溫度32 ℃，根據(jù)分段長度分別按式（1）計(jì)算開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η：

式中：σ（t）——t時(shí)刻的混凝土最大拉應(yīng)力，MPa；

ft（t）——t時(shí)刻的混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa。

參照J(rèn)TS 202-1—2010《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)評判準(zhǔn)則：一般認(rèn)為η＞1.0時(shí)，混凝土一定會(huì)開裂；考慮材料性能波動(dòng)性，認(rèn)為0.7<η<1.0時(shí)，混凝土存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)；η＜0.7時(shí)，混凝土基本不會(huì)開裂[5]。側(cè)墻澆筑長度開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 有限元仿真開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由圖5計(jì)算結(jié)果可知，抗裂混凝土在相同澆筑條件下具有更低的抗裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，即開裂風(fēng)險(xiǎn)更低，抗裂混凝土經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn),在長度小于20 m時(shí)，開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η＜0.7，一次性澆筑長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土，經(jīng)過抗裂混凝土在澆筑長度以及施工工藝上具有明顯的控裂優(yōu)勢。

3 結(jié)論

通過摻抗裂劑的技術(shù)方案替代鋪設(shè)冷卻水管的控裂方案，結(jié)果表明抗裂混凝土工作性、絕熱溫升以及變溫變形均表現(xiàn)優(yōu)異。

（1）摻抗裂劑會(huì)略微增加減水劑摻量，可通過提高減水劑摻量進(jìn)行調(diào)整，對混凝土工作性能基本無影響，抗裂劑會(huì)略微降低28 d強(qiáng)度，但56 d強(qiáng)度逐漸趕超普通混凝土。

（2）抗裂劑具有溫度場與膨脹場雙重調(diào)控作用，能夠降低早期水化速率，降低混凝土絕熱溫升值，同時(shí)在溫降階段膨脹回落值小，能夠持續(xù)發(fā)揮收縮補(bǔ)償作用，補(bǔ)償收縮值達(dá)118.1 με，對抑制混凝土后期收縮開裂效果顯著。

（3）通過有限元仿真計(jì)算，在分段長度20 m內(nèi)，澆筑入模溫度32 ℃時(shí)，摻抗裂劑的海工大體積混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η 小于0.7，側(cè)墻基本不會(huì)開裂，方案滿足施工設(shè)計(jì)要求。