張亞，程璐，酈亮，占文，王全超，徐勍

（1.中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212021；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430040；4.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波315101）

0 引言

地下車站混凝土因施工條件及工藝的限制，更容易在建設(shè)初期出現(xiàn)不同程度的裂縫[1-3]，其中，混凝土膠凝材料水化放熱導(dǎo)致的溫度裂縫占主導(dǎo)地位，同時(shí)存在自收縮干裂及早期干燥收縮引起的開裂[4-5]。為解決開裂問題，多采用補(bǔ)償收縮混凝土，如吳中偉等[6]提出采用膨脹劑、緩凝減水劑及粉煤灰等礦物摻合料的“三摻組合”控制大體積混凝土的開裂，趙順增等[7]認(rèn)為當(dāng)膨脹劑的膨脹與混凝土的收縮同步發(fā)展時(shí)，可以有效避免混凝土開裂。然而在實(shí)際情況中，礦物摻合料會削弱膨脹劑的膨脹性能，使其難以達(dá)到同步補(bǔ)償收縮[8]。且為降低混凝土的水化放熱，需額外加入緩凝劑、減水劑等復(fù)配外加劑體系[9]，這為膨脹劑的性能發(fā)揮增添了諸多影響因素。此外，補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般較多集中在C35、C40，而針對較高強(qiáng)度的C50混凝土研究較少。

本文擬采用一種復(fù)合型抗裂劑（復(fù)合膨脹與緩凝組分）。一方面可以優(yōu)化放熱歷程降低結(jié)構(gòu)溫升，另一方面，通過膨脹補(bǔ)償作用降低混凝土自收縮和溫降收縮，有利于控制溫度裂縫及混凝土收縮開裂。以C35、C50的補(bǔ)償收縮混凝土為對象，通過測量不同養(yǎng)護(hù)溫度、不同抗裂劑摻量對混凝土的力學(xué)性能、膨脹性能的發(fā)展規(guī)律，探索抗裂劑的最佳摻量，并為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料：1）水泥為普通P.O 42.5硅酸鹽水泥；2）粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；3）粗集料為5～25 mm連續(xù)級配碎石；4）細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)2.8的河砂；5）復(fù)合抗裂劑采用江蘇蘇博特HME-Ⅴ型抗裂劑，含水量0.5%，性能指標(biāo)見表1；6）減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，減水率為26%，含固量為21%；7）拌合用水采用潔凈自來水。

表1 HME型抗裂劑測試結(jié)果Table1 Test results of HME crack inhibitor

1.2 配合比及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用C35、C50作為基準(zhǔn)配合比，為客觀評判抗裂劑性能，降低礦物摻合料的影響，設(shè)計(jì)混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix design of concrete kg/m3

待試件成型脫模后，分別放入不同溫度的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，測試抗壓強(qiáng)度；按照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》，C35、C50各成型4組試件，各選取2組測量不同養(yǎng)護(hù)溫度下的限制膨脹率：測量每個(gè)試件的初始長度L，分別放置于（20±1）℃、（40±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)至齡期并測量試件的長度L1，依據(jù)膨脹率公式ε=（L1-L）/L0（L0為試體的基準(zhǔn)長度），計(jì)算限制膨脹率。此外，剩余各2組測量收縮性能：采用保鮮膜將試件包裹密封后，置于溫度（20±1）℃、濕度（60±5）%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至齡期后，測定其自收縮變形率；將試件直接放置于溫度為（20±1）℃、濕度為（60±5）%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至齡期后，測定其干燥收縮變形率。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗裂劑對混凝土力學(xué)性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土的抗壓強(qiáng)度見表3。由表可知，針對C35混凝土，隨養(yǎng)護(hù)溫度的上升，混凝土強(qiáng)度得到顯著提高。等溫條件下，當(dāng)抗裂劑摻量由6%至12%變化時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈先升高后降低趨勢，抗裂劑摻量為8%時(shí)，混凝土強(qiáng)度最高；針對C50混凝土，20℃時(shí)，6%～8%摻量的抗裂劑對混凝土強(qiáng)度均存在提升作用。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度提升至40℃時(shí)，試件強(qiáng)度存在降低現(xiàn)象。

表3 不同養(yǎng)護(hù)溫度、抗裂劑摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of concrete under different curing temperature and crack resistance agent MPa

經(jīng)分析，抗裂劑的適量引入對混凝土在自由狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度無負(fù)面影響，而由于水化膨脹產(chǎn)物的孔隙填充作用，其對混凝土的強(qiáng)度提升具有積極作用，且降低了混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。但抗裂劑摻量超過10%時(shí)，過量引入將會引起混凝土體積的過度膨脹，從而產(chǎn)生開裂，顯著降低了混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度。

雖然高溫養(yǎng)護(hù)顯著促進(jìn)了膠凝材料的水化效果，但卻加劇了抗裂劑膨脹效能發(fā)揮與強(qiáng)度增長的矛盾作用，即水泥水化與抗裂劑的水化將爭奪試件中有限的水分，而增大水膠比將會削弱兩者的競爭[10]。在低水膠比試件中也存在上述情況。

2.2 抗裂劑對混凝土限制膨脹率的影響

選取抗裂劑摻量為6%、8%的混凝土，測試在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的限制膨脹率發(fā)展曲線，見圖1。由圖可知，抗裂劑摻量為8%時(shí)，其限制膨脹率更高。且限制膨脹率的發(fā)展主要集中在7 d內(nèi)，14 d后膨脹進(jìn)入穩(wěn)定期。相較于20℃，采用40℃養(yǎng)護(hù)時(shí)，C50混凝土的限制膨脹率低于C35混凝土。

圖1 不同強(qiáng)度混凝土的限制膨脹率發(fā)展曲線Fig.1 Development curve of limited expansion rate of concrete with different strength

針對C35、C50混凝土，當(dāng)水膠比較大時(shí)，膨脹劑與水泥的水化作用相互促進(jìn)。隨著水膠比減小，試件中可爭取的孔隙水減少，兩者的關(guān)系由正向促進(jìn)逐漸轉(zhuǎn)化為反向抑制，且由于高溫情況下，粉煤灰的活性優(yōu)勢得到激發(fā)，其產(chǎn)生的水化反應(yīng)消耗了部分氫氧化鈣，降低了溶液的堿度，加劇影響了膨脹劑的膨脹性能，進(jìn)一步削弱了C50混凝土的膨脹量。結(jié)合JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中“水中14 d用于補(bǔ)償混凝土的限制膨脹率應(yīng)不低于0.015%”，C35、C50混凝土抗裂劑的最佳摻量為8%。

2.3 抗裂劑對混凝土收縮性能的影響

選取上述8%摻量的抗裂劑，測試混凝土的自收縮及干燥收縮，其結(jié)果見圖2。針對混凝土的自收縮變形（圖2（a）），從發(fā)展規(guī)律來看，與限制膨脹率的變化趨勢類似，其效能發(fā)揮主要集中于早期，且水膠比大的混凝土自收縮更大。經(jīng)對比基準(zhǔn)組與摻加抗裂劑組混凝土的收縮性能，可觀察到抗裂劑的摻入對混凝土的收縮具有顯著的補(bǔ)償效果。

圖2 抗裂劑對混凝土收縮性能的影響Fig.2 Effect of anti cracking agent on shrinkage of concrete

由圖2可知，摻加抗裂劑混凝土的自收縮可分為快速發(fā)展階段和緩慢回落階段：在第一階段（0～7 d），摻加抗裂劑混凝土的變形速率增速大于基準(zhǔn)組混凝土，且結(jié)束時(shí)間稍早。這是由于混凝土早期處于未完全硬化狀態(tài)，抗裂劑的水化產(chǎn)物參與混凝土的強(qiáng)度增長過程，填充了混凝土的內(nèi)部孔隙，在早期產(chǎn)生絕濕自膨脹；在第二階段（7 d后），由于混凝土強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，對抗裂劑的膨脹效能存在約束，試件的變形速率慢慢回落。

混凝土的干燥收縮見圖2（b）。在干燥養(yǎng)護(hù)條件下，隨齡期增長，混凝土試件逐步失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水分，C35及C50基準(zhǔn)組均產(chǎn)生較大程度的收縮變形，相較于基準(zhǔn)組，摻加抗裂劑組混凝土降低了混凝土的干燥收縮。

3 工程應(yīng)用

以寧波軌道交通4號線麗江路站作為試驗(yàn)段，由于地下車站所處環(huán)境的腐蝕介質(zhì)濃度較高，地下水水位較高且水壓滲透力也較高。結(jié)合軌道交通設(shè)計(jì)、環(huán)境及材料因素等施工實(shí)況來看，為進(jìn)一步優(yōu)化混凝土材料的耐久性、抗?jié)B性及經(jīng)濟(jì)性，在上述研究的基礎(chǔ)上，選取8%摻量的抗裂劑，并添加礦粉進(jìn)一步替代水泥，以最容易產(chǎn)生裂縫的側(cè)墻為例，所采用的最終配合比如表4所示。

表4 地下車站側(cè)墻C35混凝土的配合比參數(shù)Table 4 Mix proportion parameters of C35 concrete for side wall in underground station kg/m3

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，采用16 m分段，并在試驗(yàn)段側(cè)墻結(jié)構(gòu)中埋設(shè)監(jiān)測元件，監(jiān)測結(jié)果見表5，裂縫產(chǎn)生情況見表6。

表5 側(cè)墻膨脹量監(jiān)測結(jié)果Table 5 Monitoring results of side wall expansion 10-4

表6 試驗(yàn)段裂縫產(chǎn)生情況Table 6 Occurrence of cracks in test section

結(jié)合應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果，分析試驗(yàn)段控裂情況：7 d內(nèi)產(chǎn)生裂縫幾率較小，抗裂劑具有預(yù)防早期裂縫效果；7～28 d抗裂劑消耗較多，此時(shí)易出現(xiàn)裂縫；28～120 d收縮逐漸減小，其出現(xiàn)新裂縫的可能性隨時(shí)間推遲，逐漸降低；120 d后體積趨于穩(wěn)定，在此階段適合實(shí)施裂縫修補(bǔ)工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)段側(cè)墻20段，其中5段無裂縫。

4 結(jié)語

1）6%～8%摻量的抗裂劑對混凝土力學(xué)性能的增長具有促進(jìn)作用，但在高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，C50混凝土強(qiáng)度受摻量影響，存在一定程度的降低。

2）抗裂劑的摻入有利于促進(jìn)混凝土限制膨脹率的增長，結(jié)合規(guī)范，工程應(yīng)用的最優(yōu)摻量為8%。

3）按照混凝土的收縮試驗(yàn)結(jié)果，抗裂劑的摻入可有效補(bǔ)償混凝土的收縮情況，并隨齡期的延長逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

上述研究應(yīng)用于寧波地鐵工程中，顯著降低了裂縫的產(chǎn)生，極大程度提升了混凝土的抗裂性。