陳彥紅 陳季 楊建新 竇建瑜 張揚(yáng) 黃鈺程 唐強(qiáng) 史培新

摘 要：在大體積混凝土施工中由于大幅度溫度升降引起的微應(yīng)變，而導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，為此，混凝土抗裂劑憑借出色的補(bǔ)償收縮性能在大體積混凝土施工中得到了試驗(yàn)與運(yùn)用。本文運(yùn)用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)，研究添加不同濃度HME-V抗裂劑摻量（0%，4%，8%，12%，16%）的抗?jié)B混凝土施工和易性、散熱情況及力學(xué)性能，同時(shí)和摻入0.4%聚丙烯纖維的抗?jié)B混凝土做對(duì)比研究，采用Abaqus有限元軟件對(duì)隧道的頂板與側(cè)墻施工過程中的溫度場與塑性損傷進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗裂劑配制的抗?jié)B混凝土和易性更佳，力學(xué)性能相較原始混凝土有良好的保證，并在塑性損傷及大體積散熱方面有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：混凝土;抗裂劑;坍落流動(dòng)性;力學(xué)性能，溫度監(jiān)測;Abaqus 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU528 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2021）01-0105-06

Abstract：In order to control the strain caused by large temperature drop in mass concrete construction， which leads to the generation and development of micro cracks， concrete anti-cracking agent has been tested and applied in mass concrete construction with its excellent performance of compensating shrinkage. In this paper， the construction workability， heat dissipation and mechanical properties of impermeable concrete with different concentrations of HME-V anti-cracking agent （0， 4%， 8%， 12%， 16%） are studied by using the shrinkage compensating concrete technology. Meanwhile， it is compared with the impermeable concrete with 0.4% polypropylene fiber. ABAQUS finite element software is used to numerically simulate the temperature field and plastic damage during the construction of the roof and side walls of the tunnel. The test results show that the impermeable concrete prepared with anti-cracking agent has better workability， better mechanical properties than the original concrete， and has good performance in plastic damage and mass heat dissipation.

Keywords：Concrete; crack-resistant agent; slump flow; mechanical properties; temperature monitoring; Abaqus nume-rical simulation

0 引言

近年來，我國大力建設(shè)地下隧道工程，提升交通通行速度，減緩交通擁堵。隨著地下工程建設(shè)迅猛發(fā)展，我國的隧道工程總里程已占據(jù)全球第一，并能成功克服各類復(fù)雜地形地質(zhì)條件的束縛，隧道工程在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的建設(shè)運(yùn)用[1-3]。然而，在隧道大量建設(shè)與使用的同時(shí)，各類工程問題及難題的出現(xiàn)在所難免。隧道普遍存在滲漏水、開裂和圍巖破損等損壞現(xiàn)象。其中，隧道裂縫病害是影響隧道工程安全的關(guān)鍵。

隧道裂縫產(chǎn)生的誘因眾多，而混凝土澆筑施工與養(yǎng)護(hù)過程中的溫縮影響最為嚴(yán)重。城市地下隧道大多為大體積混凝土澆筑，其頂板、側(cè)墻與底板的澆筑往往在很短的工期內(nèi)完成一次澆筑與養(yǎng)護(hù)。巨大方量的混凝土在澆筑成型過程中大量放熱升溫，并伴隨著體積膨脹，在養(yǎng)護(hù)期間降溫收縮使得內(nèi)部變形在所難免[4-7]，因此導(dǎo)致微小裂縫與孔洞的產(chǎn)生。當(dāng)隧道投入使用時(shí)，這些微小裂縫孔洞在外部荷載與內(nèi)部應(yīng)力擴(kuò)散的作用下延展與擴(kuò)張，逐漸發(fā)展成較大的裂縫病害，并對(duì)行車安全以及人的生命財(cái)產(chǎn)帶來未知隱患[8-9]。

目前，針對(duì)大體積混凝土澆筑的補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)得到了廣泛的研究與運(yùn)用?；炷僚蛎泟┰跐仓B(yǎng)護(hù)過程中，降低水化熱并限制膨脹，有效地控制了溫度的變化幅度，同時(shí)緩解了內(nèi)部變形與應(yīng)力集中現(xiàn)象，抑制了裂縫隧道的產(chǎn)生與發(fā)展[10-13]。對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)的研究是解決隧道裂縫的關(guān)鍵，不同工程運(yùn)用的膨脹劑也有所不同。本文旨在通過坍落度試驗(yàn)、溫度檢測試驗(yàn)、力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)與數(shù)值模擬等對(duì)HME-V混凝土抗裂劑在城市地下公路隧道中的裂縫防治性能進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用蘇州市42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)所用抗裂劑為江蘇蘇博特新材料的HME-V膨脹劑，膨脹劑主要由Al2O3 、SO3，以及少量的Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O、SiO2等組成。粉煤灰為實(shí)驗(yàn)室用II級(jí)粉煤灰?；炷僚浜媳鹊南嚓P(guān)基本參數(shù)見表1。

試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室HJW-30升單臥軸小型臥式混凝土攪拌機(jī)如圖1（a）所示;混凝土裝模振動(dòng)擠密選用1.5 m大型混凝土振動(dòng)臺(tái)如圖1（b）所示;在混凝土抗折試驗(yàn)中用到的抗折夾具如圖1（c）所示;圖1（d）為自動(dòng)式油泵壓力試驗(yàn)機(jī)，最大量程為3 000 kN。

1.2 試驗(yàn)方案及測試方法

本次試驗(yàn)中混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度均在20 ℃±2 ℃，混凝土試體帶模養(yǎng)護(hù)的濕度為95%。如圖2所示，試件在制作24 h后脫模，并在70%左右的濕度條件下養(yǎng)護(hù)。依據(jù)《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程JGJ/T 178》的要求，在養(yǎng)護(hù)階段用薄膜覆蓋并定期噴霧。本文試驗(yàn)水灰比為0.45，每組配合比有3個(gè)平行試件，HME-V膨脹劑摻量分別選取0%、4%、8%、12%、16%（與膠結(jié)料的比值），另有一組0.4%聚丙烯纖維摻量的試樣作對(duì)比試驗(yàn)。

（1）坍落度試驗(yàn)

運(yùn)用坍落度儀器進(jìn)行坍落流動(dòng)性試驗(yàn)考究混凝土的流動(dòng)性以及施工和易性，并以此研究不同膨脹劑配比對(duì)混凝土坍落流動(dòng)性的影響，以及坍落度對(duì)后續(xù)抗?jié)B性能與力學(xué)強(qiáng)度的影響。

（2）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2019》的要求，試件7 d壓力測試的加荷速度選取0.4 MPa/s，同時(shí)選取28 d測試的加荷速度為0.6 MPa/s。壓力試驗(yàn)機(jī)為全自動(dòng)模式，當(dāng)試件壓應(yīng)力達(dá)到峰值后，機(jī)器繼續(xù)施力直至破壞為止。為了更好地研究補(bǔ)償收縮混凝土的力學(xué)性能，試驗(yàn)中在壓力試驗(yàn)機(jī)夾板一側(cè)增加了精度為0.01 mm的位移計(jì)。從而得到力-位移曲線[14]。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)主要是來測試混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，作為比較抗裂劑對(duì)強(qiáng)度影響的主要因素?；炷猎噳K的抗壓強(qiáng)度按公式（1）計(jì)算：

fcc=FA。 ? ? ?（1）

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試塊承壓面積，mm2。

（3）抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

在混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)中，試件尺寸為150 mm×150 mm×600 mm的長方體試件。由于抗折強(qiáng)度一般不高于5 MPa，其加荷速度與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相比有了較大的降低。試驗(yàn)中需壓斷試塊，并記錄損壞時(shí)的荷載和位置。作為比較抗裂劑對(duì)強(qiáng)度影響的因素之一。試件抗折強(qiáng)度按公式（2）計(jì)算：

ff=Flbh2。 ? ? ? （2）

式中： ff為混凝土抗折強(qiáng)度，MPa; F為破壞荷載，N; l為支座間跨度，mm; b為試件截面寬度，mm; h為試件截面高度，mm。

（4）溫度監(jiān)測試驗(yàn)

溫度監(jiān)測試驗(yàn)選在地下公路隧道側(cè)墻澆筑的先期14 d，對(duì)側(cè)墻中放置5處溫度傳感器，并對(duì)數(shù)據(jù)采取監(jiān)控與收集，傳感器布設(shè)如圖3所示，分別在側(cè)墻的長度方向中部中心、厚度方向中部中心、長度方向底部中心、內(nèi)表面和外表面設(shè)置溫度傳感器。本次監(jiān)測采用振弦式內(nèi)置傳感器，在整個(gè)監(jiān)測過程中選用振弦式手持采集儀采集數(shù)據(jù)，采集頻率范圍400～3 500 Hz。7 d內(nèi)每2 h監(jiān)測一次，7～15 d監(jiān)測頻率為4 h一次。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土坍落度

本試驗(yàn)混凝土坍落度試驗(yàn)研究不同膨脹劑配比對(duì)抗?jié)B混凝土坍落度的影響。如圖4所示，圖4（a）和圖4（b）分別為一立方有/無膨脹劑的混凝土自然卸料。有膨脹劑的混凝土料更易拌合，自然堆放的散落度、流動(dòng)性更優(yōu)。

不同膨脹劑摻量的混凝土坍落度對(duì)比如圖5所示，6組混凝土的坍落度均在合理范圍內(nèi)（180±20 mm）。隨著膨脹劑摻量的升高，坍落度值穩(wěn)步上升。然而，過高的摻量使得坍落度偏高，并不利于實(shí)際施工的應(yīng)用?；炷晾w維的加入同樣旨在提高抗?jié)B防裂性能，本試驗(yàn)0.4%聚丙烯纖維摻量的坍落度值相近于4%膨脹劑摻量的抗?jié)B混凝土。

總體來說，8%左右的摻量能充分發(fā)揮混凝土膠結(jié)料的黏結(jié)作用，同時(shí)保證了施工和易性，不會(huì)導(dǎo)致澆筑后裂縫發(fā)展過快[15-16]。

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010—2010》要求，混凝土抗壓強(qiáng)度按照標(biāo)號(hào)有不同的要求。如圖6所示，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均超過40 MPa，超過規(guī)范中C35混凝土抗壓強(qiáng)度要求，達(dá)到C40等級(jí)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

膨脹劑的添加一定程度上降低了混凝土抗壓強(qiáng)度，在7 d抗壓強(qiáng)度中，0.4%纖維摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度比0%膨脹劑的純混凝土強(qiáng)度還要高，但從28 d的強(qiáng)度來看，摻入纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度卻低于所有膨脹劑試件。這表明，纖維在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中起到了加固凝結(jié)的作用，先期較高的抗壓強(qiáng)度得益于纖維在顆粒間黏結(jié)的摩擦力與附著力，這使得28 d的抗壓強(qiáng)度變化很小，硬化帶來的溫降收縮對(duì)強(qiáng)度提升的影響不大[17-19]。

圖7（a）與圖7（b）分別為7 d與28 d養(yǎng)護(hù)期0%、8%膨脹劑與0.4%纖維摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖。無膨脹劑與8%膨脹劑對(duì)比可以看出，無膨脹劑的混凝土抗壓強(qiáng)度高于8%膨脹劑混凝土，0.4%纖維混凝土的強(qiáng)度和8%膨脹劑混凝土強(qiáng)度相近。當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到峰值后，普通混凝土強(qiáng)度驟降直至破壞，而膨脹劑與纖維的摻入，使得混凝土達(dá)到強(qiáng)度極限后的塑性發(fā)展更加明顯，其強(qiáng)度下降較緩慢，也不會(huì)出現(xiàn)普通混凝土壓碎斷裂的現(xiàn)象。

2.3 混凝土抗折強(qiáng)度

混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)在我國規(guī)范中沒有作特殊要求，本次試驗(yàn)試件28 d抗折強(qiáng)度均大于5 MPa，高于規(guī)范中對(duì)于C35混凝土抗折強(qiáng)度的要求。如圖8所示，

隨著膨脹劑摻量增加，抗折強(qiáng)度有些許下降，總體變化幅度較小，摻入聚丙烯纖維的混凝土抗折強(qiáng)度與8%膨脹劑摻量混凝土抗折強(qiáng)度相近，這一定程度上說明了纖維在混凝土中起到了膠結(jié)料與骨料的黏結(jié)作用。

2.4 混凝土溫度監(jiān)測試驗(yàn)

從監(jiān)測數(shù)據(jù)中不難看出，側(cè)墻澆筑過程中溫度升高幅值最大的在側(cè)墻中部中心，沿長度方向與厚度方向的中部中心測點(diǎn)由于距離較近，實(shí)測值相差較小，越靠近中心的測點(diǎn)溫度越高（表2）。隧道底部靠近下部土體，相比較中部溫升下降了17.1 ℃，由于接近下部土體，其散熱幅值也是最大的達(dá)到18.2 ℃。外表面溫升與溫降較慢，而得益于膨脹劑限制膨脹與補(bǔ)償收縮的效果，中部兩測點(diǎn)的溫降速率很快，在5 d左右的時(shí)間降至低溫狀態(tài)，使得混凝土早期強(qiáng)度得到保證的同時(shí)，降低了內(nèi)部細(xì)微裂縫產(chǎn)生的可能[20-23]。

3 結(jié)論

本文試驗(yàn)研究表明，HME-V膨脹劑在抗?jié)B混凝土中的運(yùn)用使得混凝土的先期與后期強(qiáng)度符合規(guī)范要求，一定程度上提高了流動(dòng)性，并改善了混凝土施工和易性。對(duì)于養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)部溫度的降低與限制體積膨脹起到很大的幫助。能有效防治裂縫產(chǎn)生與發(fā)展。本文試驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐具有很好的指導(dǎo)意義。

（1）HME-V抗裂劑增加了混凝土流動(dòng)性，8%膨脹劑混凝土的坍落度在180 mm左右，既有良好的施工和易性，同時(shí)混凝土卸貨成型的穩(wěn)定性也得到了保證。

（2）HME-V膨脹劑的摻入降低了混凝土強(qiáng)度，但降低幅度較小且在規(guī)范要求之內(nèi)。膨脹劑的摻入使得混凝土達(dá)到峰值后的塑性發(fā)展更為明顯。這表明，大體積混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，膨脹與收縮引起的應(yīng)力與變形將得到良好的限制，避免微裂縫的產(chǎn)生。

（3）隧道側(cè)墻澆筑的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，越靠近內(nèi)部中心的溫升、溫降越大，普通混凝土在這一過程中易引起局部溫度應(yīng)力集中催生裂縫，而膨脹劑起到了限制膨脹與補(bǔ)償收縮的作用，使得養(yǎng)護(hù)期每一個(gè)階段的強(qiáng)度都很穩(wěn)定。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]薛志強(qiáng)，萬昀聰，王宏暢.鋼橋面UTAC-UHPC新型鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[J].森林工程，2020，36（4）： 76-84.

XUE Z Q， WAN Y C， WANG H C. Mechanics property analysis for a new steel bridge deck pavement with UTAC-UHPC[J]. Forestry Engineering， 2020，36（4）： 76-84.

[2]王宏暢，李國芬，左洪利，等.鋼橋面澆注瀝青混凝土鋪裝施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].森林工程，2019，35（6）： 86-90.

WANG H C， LI G F， ZUO H L， et al. Study on the key construction technology of gussasphalt concrete for steel bridge deck pavement[J]. Forestry Engineering， 2019， 35（6）： 86-90.

[3]楊澍桔，程承，包琪，等.表面設(shè)置熱反射涂層混凝土的吸收系數(shù)反演計(jì)算[J].森林工程，2019，35（2）：87-92.

YANG S J， CHENG C， BAO Q， et al. Inverse calculation of absorption coefficient of concrete with heat-reflective coating on surface[J]. Forestry Engineering， 2019， 35（2）： 87-92.

[4]楊夢虹，劉利先.樓板結(jié)構(gòu)早拆模板體系中早拆立柱可行性有限元研究[J].森林工程，2019，35（4）：112-118.

YANG M H， LIU L X. Finite element study on the feasibility of early demolition of columns in early demolition formwork system of floor structure[J]. Forestry Engineering， 2019， 35（4）： 112-118.

[5]許鵬，王正君，康浩.秸稈灰基混凝土抗壓強(qiáng)度及凈水特性試驗(yàn)研究[J].森林工程，2019，35（1）：107-112.

XU P， WANG Z J， KANG H. Experimental study on mechanical properties and water purification characteristics of concrete with straw ash[J]. Forestry Engineering， 2019， 35（1）： 107-112.

[6]卜良桃，萬陽.型鋼外包活性粉末混凝土柱受力性能和裂縫寬度及變形研究[J].公路工程，2019，44（3）：147-153.

BU L T， WAN Y. Fracture morphology and deformation analysis of steel reinforced reactive powder concrete columns under[J]. Highway Engineering， 2019， 44（3）：147-153.

[7]TANG Q， GU F， CHEN H， et al. Mechanical evaluation of bottom ash from municipal solid waste incineration used in roadbase[J]. Advances in Civil Engineering， 2018（2）： 1-8.

[8]SLATY F， KHOURY H， RAHIER H， et al. Durability of alkali activated cement produced from kaolinitic clay[J]. Applied Clay Science， 2015， 104： 229-237.

[9]TANG Q， ZHANG Y， GAO Y F， et al. Use of cement-chelated， solidified， municipal solid waste incinerator （MSWI） fly ash for pavement material： mechanical and environmental evaluations[J]. Canadian Geotechnical Journal， 2017， 54（11）： 1553-1566.

[10]TIAN Q， LI M， YAO T， et al. Multi-field coupling shrinkage cracking model of concrete and its application in civil engineering[C]. 3rd International RILEM Conference on Microstructure Related. Durability of Cementitious Composites， Nanjing， 2016： 201-208.

[11]BENTZ D P， ARDANI A， BARRETT T， et al. Multi-scale investigation of the performance of limestone in concrete[J]. Construction and Building Materials， 2015， 75： 1-10.

[12]HUANG Y C， CHEN J， TIAN A R， et al. Mechanical properties of fiber and cement reinforced heavy metal-contaminated soils as roadbed filling[J]. Journal of Central South University， 2020， 27（7）： 2003-2016.

[13]LI M， LIU J P， TIAN Q， et al. Efficacy of internal curing combined with expansive agent in mitigating shrinkage deformation of concrete under variable temperature condition[J]. Construction and Building Materials， 2017， 145： 354-360.

[14]ALTOUBAT S， BADRAN D， JUNAID M T， et al. Restrained shrinkage behavior of self-compacting concrete containing ground-granulated blast-furnace slag[J]. Construction and Building Materials， 2016， 129： 98-105.

[15]HUANG Y C， GUAN Y H， WANG L B， et al. Characterization of mortar fracture based on three point bending test and XFEM[J]. International Journal of Pavement Research and Technology， 2018， 11（4）： 339-344.

[16]HUANG Y C， JI L， WEN R， et al. a methodology of implementing target mixing ratio for asphalt mixture[J]. Frontiers of Structural and Civil Engineering， 2017， 11（3）： 308-314.

[17]TANG Q， SHI P X， ZHANG Y， et al. Strength and deformation properties of fiber and cement reinforced heavy metal-contaminated synthetic soils[J]. Advances in Materials Science and Engineering， 2019（2）： 1-9.

[18]HUANG Y C， WANG L B， HOU Y， et al. A prototype IOT based wireless sensor network for traffic information monitoring[J]. International Journal of Pavement Research and Technology， 2018， 11（2）： 146-152.

[19]QURESHI T S， KANELLOPOULOS A， AL-TABBAA A. Encapsulation of expansive powder minerals within a concentric glass capsule system for self-healing concrete[J]. Construction and Building Materials， 2016， 121： 629-643.

[20]YOO D Y， KIM J J， CHUN B. Dynamic pullout behavior of half-hooked and twisted steel fibers in ultra-high-performance concrete containing expansive agents[J]. Composites Part B： Engineering， 2019， 167： 517-532.

[21]TRTIK P， MNCH B， WEISS W J， et al. Release of internal curing water from lightweight aggregates in cement paste investigated by neutron and X-ray tomography[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A： Accelerators， Spectrometers， Detectors and Associated Equipment， 2011， 651（1）： 244-249.

[22]HUANG Y C， CHEN J， SHI S J， et al. Mechanical properties of municipal solid waste incinerator （MSWI） bottom ash as alternatives of subgrade materials[J]. Advances in Civil Engineering， 2020， 2020： 1-11.

[23]HUANG Y C， WANG L B， XIONG H C. Evaluation of pavement response and performance under different scales of APT facilities[J]. Road Materials and Pavement Design， 2017， 18（sup3）： 159-169.