崔佳，蘇昂，李明，姜騫，王育江

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；3.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 引言

現(xiàn)澆隧道在湖底隧道、過江通道接線及市政工程中被大量應(yīng)用，由于底板、側(cè)墻、頂板等不同主體結(jié)構(gòu)分步澆筑時(shí)間差導(dǎo)致外約束大[1-2]，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)較高，容易在早期施工期內(nèi)就產(chǎn)生貫穿性裂縫，并引起滲漏[3-4]。與此同時(shí)，越來越多的工程建設(shè)開始提倡“內(nèi)實(shí)外美”的建設(shè)理念，然而，提升隧道混凝土外觀質(zhì)量與抗裂性之間往往存在矛盾，如需要達(dá)到清水的技術(shù)要求，從混凝土配合比設(shè)計(jì)角度出發(fā)需要提高膠凝材料用量及漿體體積，由此帶來混凝土水化溫升增大、收縮變形增加等問題，導(dǎo)致混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)增加[5-6]。此外，對(duì)于長期暴露環(huán)境條件的敞開段混凝土，其長期變形性能受環(huán)境影響較大，內(nèi)部的應(yīng)力隨著年度氣溫及濕度變化而變化，尤其是在夏季向冬季轉(zhuǎn)變過程中，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)將顯著增加。多個(gè)在建的現(xiàn)澆隧道工程實(shí)踐結(jié)果表明，即便在實(shí)現(xiàn)早期施工期內(nèi)混凝土不出現(xiàn)收縮開裂的情況下，半年或者1年后混凝土仍容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，在工程實(shí)踐中，如何實(shí)現(xiàn)裂縫控制與外觀質(zhì)量的平衡，依然是亟待解決的關(guān)鍵問題。

江陰靖江長江隧道是國內(nèi)在建最大直徑的盾構(gòu)隧道、水壓最高的水下隧道、長度排名第二的長江隧道，工程建設(shè)質(zhì)量要求高。明挖段主體結(jié)構(gòu)采用C40混凝土，其中，江北敞開段側(cè)墻長244 m，厚度為0.7～1.3 m，變形縫長度為24～40 m，集中在夏季施工，混凝土在早期施工期及長期服役期開裂風(fēng)險(xiǎn)高，與此同時(shí)，側(cè)墻要求清水外觀，進(jìn)一步提高了工程建設(shè)難度。本文在混凝土抗裂性評(píng)估與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過綜合運(yùn)用混凝土溫度、收縮變形及流動(dòng)性調(diào)控技術(shù)，制備了滿足工程需求的高抗裂清水混凝土。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：南通海螺低堿P·O42.5水泥，密度3.02 g/cm3，比表面積340 m2/kg；粉煤灰：江陰利港Ⅰ級(jí)，需水量比108%，流動(dòng)度比105%；礦粉：江蘇三江水泥制造有限公司S95級(jí)，比表面積436 m2/kg；碎石：湖北宜都興華礦業(yè)3種單粒粒級(jí)組成的5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，松散堆積空隙率43%；砂：洞庭湖Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量1.6%；抗裂劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)粉體HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑，限制膨脹率水中7 d為0.055%，轉(zhuǎn)空氣中21 d為0.010%，水化熱降低率24 h為54%、7 d為13%；流變改性材料：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)粉體SBT-HDC（Ⅲ）高性能混凝土流變改性材料，流動(dòng)度比110%；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)PCA-Ⅳ聚羧酸減縮抗裂減水劑，固含量22.5%，收縮率比96%。

1.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土拌合物的工作性能及絕熱溫升；參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土的力學(xué)性能；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)》測試混凝土的自生體積膨脹變形；采用WISA模板制作尺寸為1.8m×1.2 m×0.2m模具，采用振弦式應(yīng)變計(jì)與溫度計(jì)監(jiān)測構(gòu)件混凝土溫度與變形。

1.3 側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與設(shè)計(jì)

采用基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機(jī)制的抗裂性評(píng)估理論與方法[7-8]，定義混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η的計(jì)算方法如式（1）所示：

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。

當(dāng)η＞1.0時(shí)，混凝土一定會(huì)開裂；當(dāng)0.7＜η≤1.0時(shí)，混凝土存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)η≤0.7時(shí)，混凝土不開裂保證率≥95%[9]。通過帶入結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)境條件、混凝土材料及施工工藝等工況參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果調(diào)整混凝土材料與施工工藝參數(shù)，直至施工期內(nèi)η≤0.7、且服役期η＜1.0時(shí)得出材料與工藝措施控指標(biāo)與方案。服役期主要評(píng)估了氣溫日變幅、氣溫年變幅以及寒潮對(duì)側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響。

氣溫日變幅Td按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Td0——日平均氣溫，取28℃；

Ad——?dú)鉁厝兆兎?，?4℃；

td0——日氣溫最高的時(shí)間點(diǎn)，一般為14：00。

氣溫年變幅Ty按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ty0——年平均氣溫，取18.5℃；

Ay——?dú)鉁啬曜兎?，?7℃；

ty0——年氣溫最高的時(shí)間點(diǎn)，一般為7月中旬，取值為6.5。

寒潮Ta按式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ta0——降溫前氣溫，℃；

Aa——寒潮降溫幅度，取15℃；

Q——寒潮降溫歷時(shí)，取1 d；

ta0——寒潮開始時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

混凝土施工期內(nèi)的開裂風(fēng)險(xiǎn)隨厚度及分段長度的增加而增大，因此，以厚1.3 m、變形縫長30 m的側(cè)墻為對(duì)象，評(píng)估了其在夏季施工時(shí)分別采用低溫升、低收縮混凝土（Ref）以及考慮HME-V調(diào)控效果的低溫升、高抗裂混凝土（HME）早期施工期內(nèi)的開裂風(fēng)險(xiǎn)，混凝土入模溫度取28、32、35℃，Ref混凝土材料性能參數(shù)取絕熱溫升45℃，28 d自生體積收縮變形100με，HME混凝土取絕熱溫升45℃，7 d自生體積膨脹變形200με、28 d自生體積膨脹變形100με。

當(dāng)分段長度為30 m時(shí)，混凝土中心及表面開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)隨入模溫度的升高而顯著增大，采用Ref混凝土后，即便控制入模溫度為28℃，混凝土中心開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)仍＞1.1，采用HME混凝土可顯著降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，當(dāng)控制入模溫度≤28℃時(shí)，混凝土中心及表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均＜0.7。

圖1 厚1.3 m、分段長度30 m側(cè)墻開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

當(dāng)分段長度為15 m時(shí)，混凝土中心及表面開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，采用HME混凝土后，在控制入模溫度≤32℃時(shí)，混凝土中心及表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均＜0.7。

圖2 厚1.3 m、分段長度15 m側(cè)墻開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

在早期施工期內(nèi)，隨著混凝土溫度的降低，中心開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增大，當(dāng)中心溫度降低至與環(huán)境溫度平衡時(shí)，中心點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)不再增大，并保留一定的殘余風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。對(duì)于表面點(diǎn)，當(dāng)早期施工期內(nèi)混凝土溫度與環(huán)境溫度平衡時(shí)，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降低至0以下。因此，為了實(shí)現(xiàn)長期服役期內(nèi)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)＜1.0，還應(yīng)考慮服役期內(nèi)環(huán)境溫度變化對(duì)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，將早期施工期內(nèi)的開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步控制在某一閾值以下。

僅考慮服役期內(nèi)環(huán)境溫度變化對(duì)1.3 m厚側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響如圖3所示。

圖3 服役期內(nèi)環(huán)境溫度變化對(duì)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響

由圖3可知，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)隨之降低；當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)隨之升高。氣溫日變幅及寒潮對(duì)側(cè)墻混凝土表面開裂風(fēng)險(xiǎn)影響較大，但相關(guān)溫度變化引起中心點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增幅＜0.2、表面點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)增幅＜0.9。氣溫年變幅對(duì)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)影響程度相對(duì)最大，在暴露條件下，氣溫年變幅會(huì)導(dǎo)致1.3 m厚側(cè)墻混凝土中心及表面點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別增大0.62、0.65。對(duì)于中心點(diǎn)，如疊加施工期殘余的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，則混凝土最終開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)可能會(huì)＞1.0。當(dāng)采取單側(cè)覆土的措施后，中心點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增幅降低至0.43，配合施工期控制入模溫度≤28℃、分段長度≤15 m，可實(shí)現(xiàn)1.3m厚側(cè)墻在服役期內(nèi)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)＜1.0。相應(yīng)地，對(duì)于變形縫長度為40 m、厚1.0 m的側(cè)墻，控制入模溫度≤28℃、分段長度≤20 m時(shí)即可滿足裂縫控制需求。基于上述評(píng)估結(jié)果，同時(shí)考慮混凝土清水外觀對(duì)漿體量的需求，提出敞開段高抗裂、清水側(cè)墻混凝土關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高抗裂、清水側(cè)墻混凝土關(guān)鍵性能控制指標(biāo)

2.2 混凝土性能室內(nèi)試驗(yàn)

基于混凝土工作性及水桶試驗(yàn)等室內(nèi)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，清水混凝土配合比初步確定膠凝材料總量為440 kg/m3，采取雙摻粉煤灰和礦粉并控制礦粉摻量的體系，并重點(diǎn)評(píng)估了表2中不同配合比混凝土的性能，其中A組為基準(zhǔn)混凝土，B組在A組的基礎(chǔ)上采用抗裂劑等質(zhì)量取代水泥，C組在B組的基礎(chǔ)上采用流變改性材料等質(zhì)量取代粉煤灰。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

混凝土拌合物性能及抗壓強(qiáng)度如表3所示，絕熱溫升測試結(jié)果如圖4所示，自生體積膨脹變形測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 混凝土的絕熱溫升

圖5 混凝土的自生體積膨脹變形

表3 混凝土拌合物性能及抗壓強(qiáng)度

由表3可知：

（1）混凝土坍落度、含氣量符合表1的控制要求，實(shí)測新拌混凝土密度與設(shè)計(jì)密度偏差不超過0.3%，符合設(shè)計(jì)要求。A、B組混凝土的倒置坍落度筒排空時(shí)間相近，分別為10.5、10.7 s，進(jìn)一步摻加流變改性材料后，可大幅使得混凝土倒置坍落度筒排空時(shí)間縮短至4.0 s，表明流變改性材料可顯著改善新拌混凝土的工作性能。

（2）采用抗裂劑替代水泥后，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度有所降低，但28 d抗壓強(qiáng)度相差不大，各組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。

由圖4可知，A組混凝土的7 d絕熱溫升達(dá)到47.5℃，且混凝土絕熱溫升1 d與7 d的比值為62.9%，表明該組混凝土不僅絕熱溫升偏高，且早期發(fā)展速率較快；摻加具有溫升抑制及微膨脹功能的抗裂劑后，B、C組混凝土的絕熱溫升相差不大，7d絕熱溫升分別為44.9、44.6℃，且混凝土絕熱溫升1 d與7 d的比值分別為48.6%、48.2%，表明混凝土的溫升及早期發(fā)展速率顯著降低，符合表1的控制要求。

由圖5可知，盡管采取了大摻量礦物摻合料的措施，但A組混凝土持續(xù)處于收縮狀態(tài)；摻加抗裂劑后，B、C組混凝土早期處于膨脹狀態(tài)，7 d自生體積膨脹變形超過210με，28 d自生體積膨脹變形超過200με，均符合表1的控制要求。

2.3 混凝土室外構(gòu)件試驗(yàn)

利用WISA模板制作了尺寸為1.8 m×1.2 m×0.2 m的模具，在模板表面涂刷花王脫模劑后，分別采用A、B、C組配合比澆筑的構(gòu)件3 d拆模后外觀如圖6所示。

由圖6可知，配合澆筑振搗等工藝措施后，采用C組配合比澆筑的構(gòu)件外觀色澤均勻，質(zhì)感較好。

圖6 混凝土構(gòu)件外觀

對(duì)采用A組配合比與C組配合比澆筑的構(gòu)件進(jìn)行的溫度與變形監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 構(gòu)件混凝土溫度與變形監(jiān)測結(jié)果

由圖7可知，采用A組配合比與C組配合比澆筑的構(gòu)件溫升分別為23.3、21.0℃，溫升階段最大膨脹變形分別為130.1 με、312.25με，單位溫升膨脹變形分別為5.9、15.6με/℃，截止監(jiān)測結(jié)束時(shí)的溫降階段單位收縮變形分別為11.5、9.7με/℃。即在本次試驗(yàn)尺度的構(gòu)件上，相較于A組，采用C組配合比澆筑的構(gòu)件溫升降低了2.3℃，且溫升階段膨脹變形增大了164.4%，溫降階段收縮變形降低了15.6%。結(jié)合混凝土室內(nèi)性能試驗(yàn)及室外構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果，最終確定C組配合比作為江陰靖江長江隧道江北敞開段清水側(cè)墻混凝土的配合比。

3 結(jié)論

（1）清水混凝土應(yīng)在考慮混凝土抗裂性能的基礎(chǔ)上再進(jìn)行外觀質(zhì)量提升設(shè)計(jì)，而處于暴露環(huán)境條件下的混凝土在長期服役期內(nèi)的開裂風(fēng)險(xiǎn)會(huì)受到環(huán)境溫度的顯著影響。因此，對(duì)于現(xiàn)澆隧道敞口段清水側(cè)墻混凝土，應(yīng)考慮早期施工期與長期服役期內(nèi)的混凝土裂縫控制及外觀質(zhì)量提升的協(xié)同。

（2）在多場耦合機(jī)制抗裂性評(píng)估與設(shè)計(jì)先行的基礎(chǔ)上，通過原材料優(yōu)選，配合比優(yōu)化，采用具有溫升抑制及微膨脹功能的抗裂劑以及流變改性材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土工作性、溫度及變形歷程的有效調(diào)控，制備了滿足要求的高抗裂清水混凝土。其倒置坍落度筒排空時(shí)間為4.0 s，7 d絕熱溫升為44.6℃，且1 d與7 d的比值為48.2%，7 d與28 d自生體積膨脹變形均超過200με，且后期收縮趨勢較小，采用清水混凝土澆筑的構(gòu)件外觀色澤均勻，質(zhì)感良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。