低熱抗裂沉管混凝土膠材體系優(yōu)化研究

劉敏，李社偉

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司南昌市紅谷隧道工程施工項(xiàng)目經(jīng)理部，江西 南昌 330209）

低熱抗裂沉管混凝土膠材體系優(yōu)化研究

劉敏，李社偉

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司南昌市紅谷隧道工程施工項(xiàng)目經(jīng)理部，江西 南昌 330209）

本文通過水化熱、小圓環(huán)抗裂試驗(yàn)，研究了粉煤灰、礦渣粉對(duì)低熱抗裂沉管混凝土膠材體系水化放熱性能和抗裂性能的影響。結(jié)果表明，粉煤灰和礦渣粉可明顯降低膠材體系的水化放熱速率及放熱總量，降低升溫速率；20% 粉煤灰和 20%礦渣粉制備的砂漿抗裂性能最好；摻入 20% 粉煤灰和 20% 礦渣粉的 C60F20K20 膠凝材料體系適合配制沉管主體混凝土，而摻入20% 粉煤灰和 10% 膨脹劑的 C70F20P10 膠凝材料體系適合配制后澆帶混凝土。

低熱抗裂；沉管混凝土；水化熱；小圓環(huán)抗裂試驗(yàn)

大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于 1m 的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[1]。隨著工程規(guī)模的逐漸增大，混凝土構(gòu)件尺寸逐步增大，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不斷提高。為達(dá)到設(shè)計(jì)要求的較高強(qiáng)度，混凝土中膠凝材料用量不斷增大，水化熱和收縮增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度并沒有隨抗壓強(qiáng)度的提高而成比例提高，反而導(dǎo)致混凝土抗裂能力有一定程度的下降。因配合比設(shè)計(jì)不合理，混凝土水化放熱迅速、水化溫度升高，導(dǎo)致的大體積混凝土開裂問題十分普遍。因此，水化熱和抗裂能力是大體積混凝土設(shè)計(jì)和施工過程中的關(guān)鍵控制參數(shù)。[2-3]

南昌市紅谷隧道連接南昌市紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)，采用沉管法進(jìn)行施工，沉管段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)1305m，共 12 節(jié)管段。沉管橫斷面寬 30m，高 8.3m，底板厚1.2m，頂板厚 1.1m，側(cè)墻厚 1.0m，屬于大體積混凝土。因此，配制低熱抗裂高性能混凝土是控制沉管大體積混凝土裂縫的關(guān)鍵因素之一。

本文介紹該工程通過水化熱和小圓環(huán)抗裂試驗(yàn)，研究了粉煤灰、礦渣粉對(duì)膠凝材料體系水化放熱和抗裂性能的影響，優(yōu)選并確定了低熱抗裂沉管混凝土的膠凝材料組成。

1 原材料

水泥：江西贛江海螺水泥有限公司生產(chǎn) P·O42.5 水泥，比表面積 319m2/kg，其物理性能見表1。

表1 水泥物理性能

粉煤灰：江西益材粉煤灰開發(fā)公司生產(chǎn)的 F 類 Ⅰ 級(jí)粉煤灰，45μm 篩余 5.4%，需水量比 95%，燒失量 3.6%。

礦粉：新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司生產(chǎn)的 S95 礦渣粉，比表面積 410m2/kg，流動(dòng)度比 100%，28d 活性指數(shù)95%。

砂：江西贛江河砂，含泥量 0.8%，細(xì)度模數(shù) 2.4，堿活性 0.04%。

膨脹劑：北京成城交大建材有限公司生產(chǎn) CC-12 型膨脹劑，國(guó)際Ⅰ型產(chǎn)品，水中 7d 限制膨脹率 0.074%，空氣中 21d限制膨脹率 0.026%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 水化熱試驗(yàn)

水化熱試驗(yàn)，采用英國(guó) Wexham 公司 JAF-4 膠凝材料體系水化熱測(cè)定裝置進(jìn)行，自動(dòng)采集并自帶分析軟件計(jì)算放熱曲線，用于評(píng)價(jià)膠凝材料體系在水化過程中放熱性能。水膠比 0.50，水化熱試驗(yàn)?zāi)z凝材料配比見表2。

表2 水化熱試驗(yàn)?zāi)z凝材料配比 %

2.2 小圓環(huán)試驗(yàn)

中華民族遠(yuǎn)古不同的部落有不同的圖騰，在部落融合的過程中，其圖騰也實(shí)現(xiàn)融合。中華民族主要圖騰龍和鳳均是融合了諸多動(dòng)物元素的產(chǎn)物。良渚人對(duì)鳥的崇拜應(yīng)看成是中華民族鳳崇拜的先聲。

小圓環(huán)試驗(yàn)采用膠砂進(jìn)行，水膠比 0.40，灰砂比 1:2，膠砂配比見表3。小圓環(huán)試件尺寸為內(nèi)徑 41.3mm，外徑66.7mm，高度 25.4mm。所用成型標(biāo)準(zhǔn)模具包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)和底座（見圖 1），外環(huán)由兩個(gè)半環(huán)組成，并且用螺栓連接的薄鐵皮套箍加以固定。

圖 1 小圓環(huán)試驗(yàn)

表3 小圓環(huán)試驗(yàn)?zāi)z凝材料配比 g

每組成型 3 個(gè)試件。砂漿攪拌好之后，分兩次裝模，用小刀插搗，手動(dòng)振搗成型。成型后立即移入溫度 (20±1)℃，濕度＞95% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，24h 后拆模。試件拆模后，立即移入溫度 (20±1)℃、濕度 (60±5)% 的干空室內(nèi)放置。記錄試件表面的裂縫發(fā)展情況，記錄試件的開裂時(shí)間和裂縫寬度。開裂時(shí)間從加水?dāng)嚢韬?24h 開始計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 純水泥水化放熱性能

純水泥水化放熱數(shù)據(jù)每隔 10 秒采集一次，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制純水泥水化放熱曲線，見圖 2。

圖 2 純水泥水化放熱性能

由于取值問題，圖中不能清晰地反映出 3h 前的水化放熱情況，但放熱總量不大，對(duì)溫度裂縫影響不大。初始水泥反應(yīng)速率較大，其后由于鈣礬石的形成，使水化反應(yīng)速率迅速減緩。在 3h 左右時(shí)達(dá)到低點(diǎn)，意味著水化反應(yīng)誘導(dǎo)期結(jié)束開始進(jìn)入加速反應(yīng)期。在水化反應(yīng)加速期，由于 C3S 的迅速水化，形成 C-S-H 和 CH，放出熱量，在 15h時(shí)達(dá)到整個(gè)水化過程的最高頂點(diǎn)，其放熱速率峰值為 2.5mW/g，此時(shí)水泥漿體已經(jīng)終凝，開始硬化。此后，水化放熱速率快速降低，由于石膏消耗完畢，在 45h 左右，剩余的 C3A 水化產(chǎn)物與 AFt 反應(yīng)生成 AFm，減緩了放熱速率的降低趨勢(shì)。這個(gè)階段之后，水化反應(yīng)放熱速率降低到很小，并趨于逐漸穩(wěn)定[4]。此外，水泥 12h 的放熱總量為 47.7J/g，1d 的放熱總量為 147.1J/g，3d的放熱總量為 248.5J/g。

3.2 粉煤灰對(duì)膠凝體系水化放熱的影響

粉煤灰可以降低大體積混凝土水化熱[5]，并改善其耐久性能。粉煤灰對(duì)膠凝材料材料體系放熱速率、放熱總量的影響見圖 3 和表4。

圖 3 摻 20% 粉煤灰體系的放熱性能

表4 單摻粉煤灰、礦渣粉膠凝體系的水化放熱特征

由圖 3 和表4 可知，摻入 20% 粉煤灰后，膠凝材料放熱總量和放熱速率均出現(xiàn)了一定程度的下降。C80F20 體系，在12h 時(shí)，水化放熱總量約為純水泥體系的 79%；在 24h 時(shí)，水化放熱總量約為純水泥體系的 82%；而到 36h 時(shí)，水化放熱總量約為純水泥體系的 85%，此后穩(wěn)定在 87% 左右。這說明在水化反應(yīng)的初始階段，粉煤灰參與水化放熱的程度較低，粉煤灰可以降低放熱速率，推遲水化放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間，減少放熱總量。摻入 20% 粉煤灰后，膠凝材料水化放熱總量可以降低 12% 左右，單位質(zhì)量粉煤灰放熱量為水泥放熱量的4% 左右，放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間推遲 3h 左右。

3.3 礦渣粉對(duì)膠凝體系水化放熱的影響

圖 4 摻 30% 礦渣粉體系的放熱性能

摻入 30% 礦渣粉后，膠凝材料放熱總量和放熱速率同樣均出現(xiàn)了一定程度的下降。C70K30 體系，在 12h 時(shí)，水化放熱總量約為純水泥體系的 67%；在 24h 時(shí)，水化放熱總量約為純水泥體系的 76%；在 36h 齡期時(shí)，水化放熱總量約為純水泥體系的 77%，此后逐漸增大，到 135h 時(shí)，達(dá)到 85%左右，單位礦渣粉放熱量為水泥放熱量的 5% 左右。結(jié)果表明，礦渣粉參與水化反應(yīng)的程度比粉煤灰高。摻入 30% 礦渣粉后，膠凝材料水化放熱總量可以降低 15% 左右，放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間推遲 4h 左右。

3.4 粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻對(duì)膠凝體系水化放熱的影響

復(fù)摻 40%～60% 的粉煤灰、礦渣粉膠凝材料體系的水化放熱性能見圖 5和表5。復(fù)摻礦渣粉與粉煤灰后，隨著摻量的增加，膠凝材料體系的水化放熱速率、放熱總量明顯降低，最大放熱速率出現(xiàn)前后放熱速率增大與降低趨勢(shì)變緩，整個(gè)放熱過程的放熱速率曲線也趨于平緩。礦物摻合料摻量達(dá)到40% 時(shí)，在放熱主峰之后有放熱副峰出現(xiàn)，復(fù)混摻粉煤灰和礦渣粉更加有利于混凝土的溫控，實(shí)現(xiàn)“緩慢溫升－溫降”目的。

表5 混摻粉煤灰和礦渣粉體系的水化放熱特征

圖 5 復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉體系的放熱性能

3.5 膠凝材料體系小圓環(huán)抗裂性能

膠凝材料體系小圓環(huán)試件的開裂時(shí)間和裂縫寬度結(jié)果見表6。

表6 小圓環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，所有開裂的試件，均是從圓環(huán)半徑方向開裂，一般沒有開裂征兆，均是瞬間通裂。每個(gè)圓環(huán)試件產(chǎn)生一條裂縫后，不會(huì)在其它位置產(chǎn)生裂縫。裂縫的平均寬度與混凝土收縮量密切相關(guān)，收縮量越大，裂縫寬度越寬。純水泥體系和單摻礦渣粉體系的裂縫寬度較寬，平均達(dá)到0.20mm。摻入粉煤灰的體系裂縫寬度較小，一般為 0.10～0.15mm。C60F20K20 膠凝材料體系所成型的三個(gè)試件，在干空室放置 60d 時(shí)，尚未觀察到貫穿裂縫。C60F20P10 因摻入膨脹劑，圓環(huán)試件發(fā)生膨脹，在試件成型 7d 左右時(shí)，試件中間的鐵芯已經(jīng)可以取出，試件未受到鐵芯的約束，試件未開裂。

隨著摻合料摻量的增大，膠凝材料的水化放熱速率峰值逐漸降低，峰值出現(xiàn)的時(shí)間推遲，水化放熱總量逐漸降低，從水化熱的角度說，摻合料摻量越大，混凝土水化放熱越少，產(chǎn)生溫度裂縫的可能性越低。

小圓環(huán)試驗(yàn)是膠凝材料體系在干燥收縮條件下的抗裂性能的綜合反應(yīng)，試件的開裂與砂漿的收縮量（收縮應(yīng)力）和砂漿的抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)密切相關(guān)，砂漿的收縮應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，在最薄弱的位置瞬時(shí)產(chǎn)生貫穿裂縫。研究表明，粉煤灰的摻入能降低混凝土的干燥收縮[6]，而礦渣粉的摻入幾乎沒有降低混凝土干燥收縮的作用。與純水泥體系相比，摻合料的摻入可以降低總水化熱，適當(dāng)降低混凝土干燥收縮，降低收縮應(yīng)力，但摻合料會(huì)降低混凝土的早期抗拉強(qiáng)度，因此礦物摻合料的摻入并非越多越好，而是存在合理低值。

綜合水化熱和小圓環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮沉管混凝土抗?jié)B性能等耐久性參數(shù)的要求，沉管主體混凝土采用摻入 20%粉煤灰和 20% 礦渣粉的膠凝材料體系，該膠凝材料體系水化熱較低，抗裂性能較好。后澆帶混凝土采用摻入 20% 粉煤灰和 10% 膨脹劑的 C70F20P10 膠凝材料體系。

4 結(jié)論

（1）摻入粉煤灰和礦渣粉等摻合料，可明顯降低膠凝材料水化放熱速率及放熱總量，降低升溫速率。粉煤灰對(duì)水化放熱總量的降低作用比礦渣粉略大。

（2）小圓環(huán)抗裂試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入 20% 粉煤灰和20% 礦渣粉的 C60F20K20 膠凝材料體系成型的砂漿抗裂性能最好。

（3）從水化熱溫升以及材料自身抗裂性能出發(fā)，采用摻入 20% 粉煤灰和 20% 礦渣粉的 C60F20K20 膠凝材料體系配制沉管主體混凝土。采用摻入 20% 粉煤灰和 10% 膨脹劑的C70F20P10 膠凝材料體系配制后澆帶混凝土。

[1] GB 50496—2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S]．

[2] 趙娜，王凱挺，張立明． 橋梁大體積混凝土水化熱控制技術(shù)研究[J]． 山西建筑，2015, 28:152-153．

[3] 杜知博，陳省軍，劉慶宇，等．信達(dá)國(guó)際金融中心大體積混凝土底板施工技術(shù)[J]．施工技術(shù)，2016,9: 7-9．

[4] 李超，羅德龍，王迎飛，等． 青島海灣大橋膠凝材料體系水化放熱性能及開裂敏感性研究[J]．公路，2009, 9: 173-178.

[5] 劉生承．粉煤灰在菲律賓阿格諾河大壩工程大體積混凝土中的應(yīng)用[J]．水利水電技術(shù)，2014, 4: 93-95+97．

[6] 王朝陽(yáng)，范喜堯，江守恒．粉煤灰對(duì)混凝土干縮的影響[J].低溫建筑技術(shù)，2010, 4: 23-24．

［通訊地址］江西省南昌市東湖區(qū)沿江中大道新洲路 8 號(hào) 紅谷隧道經(jīng)理部（330209）

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劉敏（1982—），男，工程師。