地鐵車站抗?jié)B高性能混凝土配合比設(shè)計與裂縫控制方法研究

黃曉芹

鐵正檢測科技有限公司

1 前言

廈門軌道交通項目地處四面環(huán)海的廈門島建設(shè)，地緣比較特殊，地下20m～30m 的深度，靜水壓力可達(dá)200kPa～300kPa，也就是每平米壓力為200kN～300kN。在項目建設(shè)過程中出現(xiàn)了不同程度的滲水，可觀察到明顯的滲水點(diǎn)、滲水線，經(jīng)過多方面分析發(fā)現(xiàn)，混凝土裂縫是造成滲水的主要原因。

混凝土裂縫的出現(xiàn)不但會影響混凝土的抗?jié)B性能，還會因海水中的氯離子滲透造成鋼筋銹蝕，嚴(yán)重縮短建筑結(jié)構(gòu)物的使用壽命。因此，研究高性能混凝土的裂縫控制具有重要的工程應(yīng)用價值。

為此，作者進(jìn)行了抗?jié)B高性能混凝土的試配、配合比優(yōu)化設(shè)計以及裂縫開裂控制方法的研究，并通過選材、優(yōu)化及現(xiàn)場施工方面來控制高性能混凝土收縮裂縫產(chǎn)生的數(shù)量和深度，以滿足工程建設(shè)的需求。

2 試驗設(shè)計

2.1 材料選擇

水泥：海螺水泥P.O42.5。

摻合料1：石獅鴻山電廠粉煤灰，Ⅱ級。

摻合料2：福建三寶鋼鐵有限公司礦渣粉，S95級。

粗骨料：（5～20）mm。

碎石：（16～31.5）mm碎石=7：3，連續(xù)級配。

細(xì)骨料：河砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.9。

減水劑：福建科之杰，摻量1.4%。

以上材料各項參數(shù)經(jīng)過試驗全部符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 配合比設(shè)計

按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行了抗?jié)B高性能混凝土的配合比設(shè)計，并按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了強(qiáng)度試驗研究，所設(shè)計的抗?jié)B高性能混凝土滿足GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)要求，所有試件均在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至齡期。

抗?jié)B高性能混凝土配合比設(shè)計的基本原則如下。

保持混凝土膠凝材料總量不變、水灰比不變，通過摻合料摻量和種類變化進(jìn)行設(shè)計，詳細(xì)配合比設(shè)計如表1所示?？?jié)B高性能混凝土的和易性、強(qiáng)度變化和抗?jié)B性能等如表2所示，收縮試驗觀測其收縮率變化。經(jīng)過對比分析，最終選出最優(yōu)配合比，經(jīng)現(xiàn)場澆筑抗?jié)B高性能混凝土進(jìn)行驗證，主要測量其裂縫寬度、長度、條數(shù)，并在監(jiān)測過程中，復(fù)測抗?jié)B高性能混凝土回彈強(qiáng)度和滲水情況。

表1 混凝土配合比參數(shù)表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 坍落度試驗結(jié)果分析

抗?jié)B高性能混凝土的拌合物性能，包括坍落度、保水性、流動性和粘聚性，試驗結(jié)果如表2所示。與基準(zhǔn)混凝土相比，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的坍落度逐漸增大，摻量為10%時，和易性達(dá)到最優(yōu)值，粉煤灰的顆粒形貌以球型為主，且含有大量的玻璃微珠，在漿體中發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)，使混凝土具有較優(yōu)的和易性；礦粉對混凝土和易性影響有粉煤灰相似。當(dāng)?shù)V粉與粉煤灰摻量各為10%時，混凝土的和易性優(yōu)于單獨(dú)摻加礦物摻合料的混凝土。

表2 高性能混凝土拌合物性能參數(shù)表

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分析

抗?jié)B高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度是確定高性能混凝土配合比的最關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時為控制施工質(zhì)量提供可靠參考依據(jù)。本文采用試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28天齡期，測得其軸向抗壓強(qiáng)度值如圖1所示。

由圖1可知，粉煤灰及礦粉對混凝土抗壓強(qiáng)度影響基本趨于一致。隨著粉煤灰、礦粉摻量的增加，混凝土的7d、28d抗壓強(qiáng)度逐漸降低；5#（粉煤灰10%、礦粉10%）混凝土7d抗壓強(qiáng)度低于純水泥混凝土，但28d抗壓強(qiáng)度高于純水泥混凝土；養(yǎng)護(hù)時間的增加，使礦物摻合料微粉與Ca（OH）2充分進(jìn)行火山灰反應(yīng)，強(qiáng)度較低的Ca（OH）2被消耗，使混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展較快，使其強(qiáng)度高于純水泥混凝土。

圖1 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度

5#配合比通過復(fù)合摻加礦粉、粉煤灰制備高性能混凝土，該配合比在達(dá)到預(yù)期技術(shù)性能的原則下，減少了水泥用量，可滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

3.3 抗?jié)B性能試驗結(jié)果分析

抗?jié)B性能采用滲水高度法進(jìn)行測定，抗?jié)B等級P12（水壓1.2MPa），試驗結(jié)束后等間距測量10個測點(diǎn)的滲水高度值，以一組6個試件滲水高度的算術(shù)平均值作為該組試件滲水高度的測量值，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和滲水高度試驗結(jié)果

5#組結(jié)果最優(yōu)是由于粉煤灰減少水化熱，降低收縮作用，與礦粉填充微小空隙的綜合作用。水泥中的f-CaO及Mg（OH）2水化速度緩慢，在水泥水化后才開始進(jìn)行，反應(yīng)造成的不均勻膨脹會使水泥石生成縫隙；在混凝土中使用礦粉、粉煤灰等礦物摻合料，降低了水泥用量，從而降低了SO3等有害物質(zhì)含量，能有效降低體積膨脹帶來的裂縫，從而提高抗?jié)B性能。

3.4 收縮試驗結(jié)果分析

采用接觸法測定無約束和規(guī)定溫濕度條件下硬化高性能混凝土試件的收縮變形性能。制作試件規(guī)格100mm×100mm×515 mm的棱柱體，每組三個，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 高性能混凝土收縮率試驗結(jié)果（×10-6）

3.5 礦物摻合料對收縮的影響

抗?jié)B高性能混凝土的干縮分為急劇收縮期與收縮平穩(wěn)期兩個階段。齡期1d～30d為急劇收縮期，該階段高性能混凝土中的水一部分通過毛細(xì)管蒸發(fā)，另一部分被水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生C-SH 凝膠所吸附，水分的大量缺失使得硬化漿體中毛細(xì)管內(nèi)靜水張力缺失，導(dǎo)致高性能混凝土體積大幅收縮。礦物摻合料微粉較好的顆粒級配帶來良好的填充效應(yīng)，使得水泥石的結(jié)構(gòu)及接觸界面更加密實，減少毛細(xì)管曲率半徑的同時，也降低了毛細(xì)管的連通性，阻止了水分蒸發(fā)，使其中的靜水張力得以保持。

圖3 高性能混凝土收縮試驗結(jié)果圖

結(jié)果分析表明，其他情況不變條件下，與基準(zhǔn)混凝土相比，采用摻加料的高性能混凝土的收縮率都有所減小，其作用機(jī)理是：（1）粉煤灰有效降低水化熱，減少熱漲從而減少了前期開裂。（2）礦粉的微小顆粒填充效應(yīng)，使收縮減小，并且礦粉反應(yīng)過程中吸水少，保證了水泥水化用水量及減緩水泥水化速度。（3）摻過量礦粉時，水從混凝土流失，并形成毛細(xì)通道，毛細(xì)孔干縮反而引起混凝土收縮。（4）雙摻時礦粉與粉煤灰共同作用，使混凝土收縮性能得到明顯改善。

3.6 微觀機(jī)理分析

粉煤灰與礦粉帶來玻璃微珠及表面粗糙的塊狀顆粒，與混凝土中的絮狀的C-S-H凝膠相互膠結(jié)，孔隙得到填充，干燥收縮產(chǎn)生的連通孔通道得到較好阻斷。且強(qiáng)度較低的板狀的Ca（OH）2被消耗，含量較低。粉煤灰及礦粉顆粒充分發(fā)揮著微集料效應(yīng)，使混凝土的強(qiáng)度及耐久性得到改善。

4 結(jié)論

針對廈門軌道交通項目中車站外墻結(jié)構(gòu)施工過程中的高性能混凝土開裂問題，進(jìn)行了抗?jié)B高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計和裂縫控制方法的研究，為抑制高性能混凝土開裂提供了一種有效的控制方法，為抗?jié)B高性能混凝土在地鐵車站等工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。主要結(jié)論如下：（1）摻粉煤灰，可有效改善高性能混凝土性能，減少裂縫出現(xiàn)，但隨摻量增多，會影響強(qiáng)度。（2）摻礦粉，少量摻加會改善高性能混凝土性能，減少裂縫出現(xiàn)。但隨摻量增多會導(dǎo)致高性能混凝土和易性降低。（3）適當(dāng)比例的粉煤灰與礦粉雙摻，在不影響強(qiáng)度、和易性情況下，可增加高性能混凝土抗?jié)B能力，有效減少裂縫出現(xiàn)。（4）施工過程中的養(yǎng)護(hù)水平也對墻體產(chǎn)生干縮裂縫有很大影響。最后，粉煤灰與礦粉的摻量比例，不同的水土壓力對高性能混凝土硬化前期形成內(nèi)部毛細(xì)水通道都會產(chǎn)生不同的影響，應(yīng)根據(jù)工程實際情況做合理的調(diào)整。