掺复合抗裂剂的地下车站混凝土抗裂性能试验研究与工程应用

时间：2024-07-28

张亚，程璐，郦亮，占文，王全超，徐勍

（1.中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江212021；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040；3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北武汉430040；4.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波315101）

0 引言

地下车站混凝土因施工条件及工艺的限制，更容易在建设初期出现不同程度的裂缝[1-3]，其中，混凝土胶凝材料水化放热导致的温度裂缝占主导地位，同时存在自收缩干裂及早期干燥收缩引起的开裂[4-5]。为解决开裂问题，多采用补偿收缩混凝土，如吴中伟等[6]提出采用膨胀剂、缓凝减水剂及粉煤灰等矿物掺合料的“三掺组合”控制大体积混凝土的开裂，赵顺增等[7]认为当膨胀剂的膨胀与混凝土的收缩同步发展时，可以有效避免混凝土开裂。然而在实际情况中，矿物掺合料会削弱膨胀剂的膨胀性能，使其难以达到同步补偿收缩[8]。且为降低混凝土的水化放热，需额外加入缓凝剂、减水剂等复配外加剂体系[9]，这为膨胀剂的性能发挥增添了诸多影响因素。此外，补偿收缩混凝土的设计强度一般较多集中在C35、C40，而针对较高强度的C50混凝土研究较少。

本文拟采用一种复合型抗裂剂（复合膨胀与缓凝组分）。一方面可以优化放热历程降低结构温升，另一方面，通过膨胀补偿作用降低混凝土自收缩和温降收缩，有利于控制温度裂缝及混凝土收缩开裂。以C35、C50的补偿收缩混凝土为对象，通过测量不同养护温度、不同抗裂剂掺量对混凝土的力学性能、膨胀性能的发展规律，探索抗裂剂的最佳掺量，并为工程应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

试验所用原材料：1）水泥为普通P.O 42.5硅酸盐水泥；2）粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；3）粗集料为5～25 mm连续级配碎石；4）细集料为细度模数2.8的河砂；5）复合抗裂剂采用江苏苏博特HME-Ⅴ型抗裂剂，含水量0.5%，性能指标见表1；6）减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率为26%，含固量为21%；7）拌合用水采用洁净自来水。

表1 HME型抗裂剂测试结果Table1 Test results of HME crack inhibitor

1.2 配合比及试验方法

本次试验采用C35、C50作为基准配合比，为客观评判抗裂剂性能，降低矿物掺合料的影响，设计混凝土配合比如表2所示。

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

待试件成型脱模后，分别放入不同温度的养护箱中养护至规定龄期后，测试抗压强度；按照GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》，C35、C50各成型4组试件，各选取2组测量不同养护温度下的限制膨胀率：测量每个试件的初始长度L，分别放置于（20±1）℃、（40±1）℃的水中养护至龄期并测量试件的长度L1，依据膨胀率公式ε=（L1-L）/L0（L0为试体的基准长度），计算限制膨胀率。此外，剩余各2组测量收缩性能：采用保鲜膜将试件包裹密封后，置于温度（20±1）℃、湿度（60±5）%的环境下养护至龄期后，测定其自收缩变形率；将试件直接放置于温度为（20±1）℃、湿度为（60±5）%的环境下养护至龄期后，测定其干燥收缩变形率。

2 结果与讨论

2.1 抗裂剂对混凝土力学性能的影响

不同养护温度下混凝土的抗压强度见表3。由表可知，针对C35混凝土，随养护温度的上升，混凝土强度得到显著提高。等温条件下，当抗裂剂掺量由6%至12%变化时，混凝土的抗压强度呈先升高后降低趋势，抗裂剂掺量为8%时，混凝土强度最高；针对C50混凝土，20℃时，6%～8%掺量的抗裂剂对混凝土强度均存在提升作用。当养护温度提升至40℃时，试件强度存在降低现象。

表3 不同养护温度、抗裂剂掺量下混凝土的抗压强度Table 3 Compressive strength of concrete under different curing temperature and crack resistance agent MPa

经分析，抗裂剂的适量引入对混凝土在自由状态下的抗压强度无负面影响，而由于水化膨胀产物的孔隙填充作用，其对混凝土的强度提升具有积极作用，且降低了混凝土的开裂风险。但抗裂剂掺量超过10%时，过量引入将会引起混凝土体积的过度膨胀，从而产生开裂，显著降低了混凝土各龄期的抗压强度。

虽然高温养护显著促进了胶凝材料的水化效果，但却加剧了抗裂剂膨胀效能发挥与强度增长的矛盾作用，即水泥水化与抗裂剂的水化将争夺试件中有限的水分，而增大水胶比将会削弱两者的竞争[10]。在低水胶比试件中也存在上述情况。

2.2 抗裂剂对混凝土限制膨胀率的影响

选取抗裂剂掺量为6%、8%的混凝土，测试在不同养护温度下的限制膨胀率发展曲线，见图1。由图可知，抗裂剂掺量为8%时，其限制膨胀率更高。且限制膨胀率的发展主要集中在7 d内，14 d后膨胀进入稳定期。相较于20℃，采用40℃养护时，C50混凝土的限制膨胀率低于C35混凝土。

图1 不同强度混凝土的限制膨胀率发展曲线Fig.1 Development curve of limited expansion rate of concrete with different strength

针对C35、C50混凝土，当水胶比较大时，膨胀剂与水泥的水化作用相互促进。随着水胶比减小，试件中可争取的孔隙水减少，两者的关系由正向促进逐渐转化为反向抑制，且由于高温情况下，粉煤灰的活性优势得到激发，其产生的水化反应消耗了部分氢氧化钙，降低了溶液的碱度，加剧影响了膨胀剂的膨胀性能，进一步削弱了C50混凝土的膨胀量。结合JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规范》中“水中14 d用于补偿混凝土的限制膨胀率应不低于0.015%”，C35、C50混凝土抗裂剂的最佳掺量为8%。

2.3 抗裂剂对混凝土收缩性能的影响

选取上述8%掺量的抗裂剂，测试混凝土的自收缩及干燥收缩，其结果见图2。针对混凝土的自收缩变形（图2（a）），从发展规律来看，与限制膨胀率的变化趋势类似，其效能发挥主要集中于早期，且水胶比大的混凝土自收缩更大。经对比基准组与掺加抗裂剂组混凝土的收缩性能，可观察到抗裂剂的掺入对混凝土的收缩具有显著的补偿效果。

图2 抗裂剂对混凝土收缩性能的影响Fig.2 Effect of anti cracking agent on shrinkage of concrete

由图2可知，掺加抗裂剂混凝土的自收缩可分为快速发展阶段和缓慢回落阶段：在第一阶段（0～7 d），掺加抗裂剂混凝土的变形速率增速大于基准组混凝土，且结束时间稍早。这是由于混凝土早期处于未完全硬化状态，抗裂剂的水化产物参与混凝土的强度增长过程，填充了混凝土的内部孔隙，在早期产生绝湿自膨胀；在第二阶段（7 d后），由于混凝土强度逐渐趋于稳定，对抗裂剂的膨胀效能存在约束，试件的变形速率慢慢回落。

混凝土的干燥收缩见图2（b）。在干燥养护条件下，随龄期增长，混凝土试件逐步失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水分，C35及C50基准组均产生较大程度的收缩变形，相较于基准组，掺加抗裂剂组混凝土降低了混凝土的干燥收缩。

3 工程应用

以宁波轨道交通4号线丽江路站作为试验段，由于地下车站所处环境的腐蚀介质浓度较高，地下水水位较高且水压渗透力也较高。结合轨道交通设计、环境及材料因素等施工实况来看，为进一步优化混凝土材料的耐久性、抗渗性及经济性，在上述研究的基础上，选取8%掺量的抗裂剂，并添加矿粉进一步替代水泥，以最容易产生裂缝的侧墙为例，所采用的最终配合比如表4所示。

表4 地下车站侧墙C35混凝土的配合比参数Table 4 Mix proportion parameters of C35 concrete for side wall in underground station kg/m3

根据仿真计算结果，采用16 m分段，并在试验段侧墙结构中埋设监测元件，监测结果见表5，裂缝产生情况见表6。

表5 侧墙膨胀量监测结果Table 5 Monitoring results of side wall expansion 10-4

表6 试验段裂缝产生情况Table 6 Occurrence of cracks in test section

结合应变监测结果，分析试验段控裂情况：7 d内产生裂缝几率较小，抗裂剂具有预防早期裂缝效果；7～28 d抗裂剂消耗较多，此时易出现裂缝；28～120 d收缩逐渐减小，其出现新裂缝的可能性随时间推迟，逐渐降低；120 d后体积趋于稳定，在此阶段适合实施裂缝修补工作。经统计，试验段侧墙20段，其中5段无裂缝。