嵇旭紅，潘利，王育江，姚婷

（1.常州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 常州，213000；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103）

近年來隨著我國交通水運(yùn)工程的高速發(fā)展，在建的船閘數(shù)量不斷增加。大體積混凝土是船閘工程中一種重要的結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于閘首、閘室等主體部位。由于船閘結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、截面尺寸多變、混凝土配筋率低等特點(diǎn)，大體積混凝土內(nèi)部水化溫升、溫度應(yīng)力、應(yīng)力集中現(xiàn)象較為突出，已建成的船閘中大體積混凝土開裂問題較為普遍[1～4]。裂縫的產(chǎn)生，對混凝土防滲、抗凍、耐久性均有較大影響，嚴(yán)重時(shí)甚至影響工程服役壽命和運(yùn)行安全性。

針對船閘大體積混凝土易開裂的問題，相關(guān)學(xué)者已進(jìn)行了大量研究工作。何廣全[5]從設(shè)計(jì)預(yù)防、原材料優(yōu)化和施工方法優(yōu)化方面研究了船閘混凝土裂縫預(yù)防措施；覃茜等[6]通過有限元法研究了表面保溫、通水冷卻等溫控措施對船閘閘首混凝土溫度場和應(yīng)力場的影響，并通過采取相應(yīng)的溫控措施來降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)；李華等[7]通過理論計(jì)算與現(xiàn)場應(yīng)用研究表明，摻氧化鎂膨脹劑可顯著提升船閘施工期混凝土抗裂性的影響。盡管目前采取的防裂措施取得了一定的效果，但仍難以避免裂縫產(chǎn)生，船閘大體積混凝土開裂問題依然突出。針對這一問題，本文從抗裂功能材料、混凝土配合比、工程應(yīng)用及現(xiàn)場監(jiān)測等方面研究了船閘大體積混凝土抗裂性提升技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 原材料與配合比

試驗(yàn)所用原材料包括：①水泥：P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為315m2/kg，28d 抗壓強(qiáng)度為45.7MPa；②粉煤灰：F 類II 級粉煤灰，比表面積為460 m2/kg，需水量比為98%；③砂：天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；④碎石：5～16mm、16～31.5mm、20～40mm 三級配碎石；⑤減水劑：聚羧酸減水劑，減水率為23.8%；⑥抗裂劑：HME-V 溫控膨脹抗裂劑，比表面積為255m2/kg；⑦水：生活用水。

根據(jù)材料特性及工程需求，為研究船閘閘首廊道、閘室墻等部位大體積混凝土抗裂性，開展了混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)，配合比如表1 所示，相比于基準(zhǔn)組，試驗(yàn)組中摻加25kg/m3抗裂劑等量取代基準(zhǔn)配合比中的水泥，其他參數(shù)均相同。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比（kg/m3）

2 混凝土性能試驗(yàn)

2.1 力學(xué)性能

為研究基準(zhǔn)和抗裂混凝土的力學(xué)性能，進(jìn)行了混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照SL352-2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，測試齡期為7d、14d、28d，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，抗裂組混凝土7d、14d 強(qiáng)度比基準(zhǔn)組低，7d、14d 抗壓強(qiáng)度分別低20.6%、9.3%，7d、14d 劈拉強(qiáng)度分別低13.1%、7.5%，28d 抗裂組抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)組基本相同。由此說明，混凝土中摻入抗裂劑后，早期強(qiáng)度有所較低，但不影響后期強(qiáng)度，主要原因是抗裂劑具有延緩水泥水化的作用，早期水化較慢，有利于避免放熱集中，后期持續(xù)均勻水化，從而不影響混凝土力學(xué)性能。

圖1 抗裂混凝土力學(xué)性能

2.2 變形性能

自生體積變形可以表征混凝土早齡期自收縮發(fā)展趨勢，是評價(jià)混凝土抗裂性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，控制混凝土自收縮的能夠降低實(shí)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮裂縫的風(fēng)險(xiǎn)[8]。對表1 中兩組配合比進(jìn)行了自生體積變形試驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示，圖中變形值為正值表示膨脹變形，負(fù)值表示收縮變形。由試驗(yàn)結(jié)果可知，基準(zhǔn)組自生體積變形始終為收縮，28d 變形值為-133.2；抗裂組則始終表現(xiàn)為膨脹變形，7d 變形值為92.4、28d 變形值為111.6，28d 后變形逐漸趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗裂混凝土早期產(chǎn)生足夠的膨脹來抵抗水泥混凝土產(chǎn)生的自收縮變形，抗裂劑具有良好的補(bǔ)償收縮作用，可減小結(jié)構(gòu)混凝土收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)，提升混凝土抗裂性能。

圖2 抗裂混凝土自生體積變形

2.3 耐久性能

為研究基準(zhǔn)與抗裂混凝土耐久性能，對表1 中配合比進(jìn)行了混凝土抗?jié)B性和抗凍性試驗(yàn)?？?jié)B性采用抗?jié)B等級（逐級加壓）測試法，抗凍性采用快速凍融試驗(yàn)方法確定混凝土抗凍等級，試驗(yàn)參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》及GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。經(jīng)過抗水滲透試驗(yàn)后，基準(zhǔn)組和抗裂組混凝土抗?jié)B等級均在W6 以上，可滿足抗?jié)B性設(shè)計(jì)要求；經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)組和抗裂組混凝土試件質(zhì)量損失率分別為1.82%、1.67%，相對動彈性模量分別為91.5%、92.3%，達(dá)到抗凍等級F100。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗裂混凝土耐久性良好，可滿足設(shè)計(jì)要求。

3 工程應(yīng)用

為驗(yàn)證抗裂混凝土在船閘工程中的應(yīng)用效果，在江蘇某船閘閘室墻部位開展了工程應(yīng)用。閘室墻高度上分兩次澆筑，第一次澆筑倒角和部分墻身，第二次澆筑剩余部分墻體，一次性澆筑長度為20m，混凝土等級為C25，施工配合比選用表1 中抗裂組配合比。在混凝土澆筑前，對于易開裂的閘室墻倒角部位進(jìn)行了溫度和變形傳感器的布置，自混凝土澆筑起對其內(nèi)部溫度和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以驗(yàn)證應(yīng)用效果。監(jiān)測內(nèi)容包括：閘室墻倒角中心長度方向和厚度方向變形、中心溫度、表面溫度、環(huán)境溫度，實(shí)體結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。由監(jiān)測結(jié)果可知，閘室墻倒角中心最高溫度為67.5℃，最大溫升值約為40℃，側(cè)表面最高溫度為53.2℃，降溫階段中心溫度變化較為均勻，側(cè)表面受環(huán)境影響呈波動性下降趨勢；對于變形結(jié)果，中心長度方向和厚度方向最大變形分別為493.3、776.4，在溫升階段產(chǎn)生了明顯的膨脹，隨后降溫階段產(chǎn)生一定的收縮，降溫階段收縮變形速率明顯小于升溫階段膨脹變形速率，且變形監(jiān)測曲線平滑、無明顯突變點(diǎn)，說明未監(jiān)測到混凝土開裂。從現(xiàn)場情況開，混凝土澆筑3 個(gè)月后未發(fā)現(xiàn)裂縫，抗裂效果良好。

圖3 閘室墻混凝土溫度變形監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，摻入抗裂劑制備的抗裂混凝土，早期力學(xué)性能有所降低，后期力學(xué)性能基本無影響，混凝土自生體積變形為膨脹變形，具有較好的體積穩(wěn)定性，有利于混凝土抗裂性能提升，且抗裂劑對混凝土耐久性能無不利影響。

（2）工程應(yīng)用表明，抗裂混凝土在船閘閘室墻結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出良好的抗裂性能，在實(shí)體結(jié)構(gòu)中溫升階段產(chǎn)生明顯膨脹變形、溫降階段具有補(bǔ)償收縮作用，變形監(jiān)測曲線平滑，混凝土澆筑3 個(gè)月后無裂縫，抗裂效果良好，可為類似工程提供參考。