抗裂劑在南京橫江大道隧道側(cè)墻的應(yīng)用效果監(jiān)測

李明，林慶雄

（中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快， 地下混凝土結(jié)構(gòu)工程建設(shè)占據(jù)城市建設(shè)的比重日益增加，地鐵、隧道、 綜合管廊等均需建造各種超長地下結(jié)構(gòu)[1]。由于地下水環(huán)境的特殊性和剛性防水要求， 混凝土裂縫控制對于地下工程質(zhì)量至關(guān)重要。 研究表明，普通C40 混凝土滲透系數(shù)約10-7cm/s[2]。 普通地下結(jié)構(gòu)滲透深度不超過10 cm，不開裂時C40 混凝土完全滿足剛性防水要求。 然而， 一旦出現(xiàn)裂縫，混凝土的滲透系數(shù)呈數(shù)量級增加[3]。工程實踐發(fā)現(xiàn)，1 m 高水壓下，僅需2 min 左右時間水即可從裂縫處滲穿1 m 厚混凝土。 已公開報道的資料表明，由于收縮開裂等原因，地下隧道工程存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。治理滲漏水問題時間長、難度大，并嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性能[4]。

采取有效措施控制混凝土開裂，是隧道工程建設(shè)的重大技術(shù)需求。本文結(jié)合南京橫江大道紫創(chuàng)路隧道工程，研究了溫控防滲抗裂劑對C40 混凝土強度、變形、熱學(xué)性能及耐久性能的影響，監(jiān)測了抗裂劑在某段側(cè)墻的應(yīng)用效果，為隧道工程的裂縫控制提供技術(shù)支撐。

1 抗裂劑的抗裂機理

利用膨脹組分在水化過程中產(chǎn)生適量膨脹補償混凝土收縮是解決大體積和超長結(jié)構(gòu)混凝土裂滲問題的有效技術(shù)途徑。抗裂劑是近年來補償混凝土收縮和裂縫控制領(lǐng)域的研究熱點，相比傳統(tǒng)鈣礬石類膨脹劑，對外界環(huán)境濕度要求低、水化需水量小、膨脹效能大，可實現(xiàn)對混凝土收縮的分階段、全過程補償。

HME-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑是鈣質(zhì)、鎂質(zhì)及水化熱調(diào)控組分多元復(fù)合，具有溫度調(diào)控作用的高效抗裂劑。 與傳統(tǒng)緩凝劑相比，抗裂劑采用了新型的水泥水化調(diào)控技術(shù)，其主要影響水泥水化加速期水化放熱速率，能大幅度降低水化速率峰值（圖1），延長水化放熱過程，充分利用結(jié)構(gòu)的散熱條件，為結(jié)構(gòu)散熱贏得寶貴時間，能大幅度地緩解水化集中放熱程度， 削弱溫峰和溫降過程，降低溫度開裂風(fēng)險。 在降低混凝土結(jié)構(gòu)溫升的基礎(chǔ)上，抗裂劑還復(fù)合了不同活性MgO 等膨脹組分，可實現(xiàn)密封條件下硬化混凝土分階段、全過程收縮抑制[5]。

圖1 緩凝劑與水化熱調(diào)控材料的區(qū)別

2 工程背景

南京橫江大道紫創(chuàng)路隧道工程位于南京市江北新區(qū)，毗鄰南京長江五橋。隧道鄰近長江，地下水豐富。 南京屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，“夏熱冬寒”的特殊氣候，給混凝土后期養(yǎng)護帶來很大困難。 根據(jù)紫創(chuàng)路隧道設(shè)計圖紙，側(cè)墻混凝土采用自防水結(jié)構(gòu)形式，添加抗裂劑作為一種有效措施。 工程中涉及大體積混凝土施工，需要防止混凝土在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生早期收縮及溫升，造成收縮率過大，引起開裂，破壞混凝土耐久性。

3 原材料與實驗方法

3.1 原材料

水泥采用P·O 42.5 水泥； 粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰；礦粉采用S95 級礦粉；砂采用天然河砂，砂細(xì)度模數(shù)為 2.61；骨料為（5~25） mm 連續(xù)級配的碎石；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-10 聚羧酸高性能減水劑；抗裂劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的HME-Ⅴ混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑（簡稱“抗裂劑”）。 水泥的化學(xué)成分見表1。

表1 水泥化學(xué)成分檢測結(jié)果 wt.%

3.2 配合比

C40 強度等級的混凝土配合比， 如表2 所示。膨脹劑采用內(nèi)摻方式， 以膠凝材料總量計摻量為4.6%、8%。通過減水劑等外加劑控制混凝土的坍落度在（180~220） mm。摻入抗裂劑后，混凝土的和易性良好，凝結(jié)時間相近，均屬于正常范圍內(nèi)。

3.3 實驗方法

3.3.1 不同恒溫養(yǎng)護條件下C40 混凝土的限制膨脹測試

表2 摻膨脹劑的C40 強度等級混凝土配合比

混凝土限制膨脹測試參照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》和JGJ 178—2009《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 進行。 每個配比成型6 條帶10 mm 鋼筋限制器的（100×100×300）mm 限制膨脹混凝土試件， 用于測定20 ℃、40 ℃水養(yǎng)條件下混凝土的限制膨脹率。 試件在溫度為（20±1） ℃，抗壓強度（3~5） MPa 脫模，測完初長后分別放在不同溫度的養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護，進行限制膨脹率的測試。

3.3.2 摻抗裂劑的C40 混凝土的絕熱溫升

絕熱溫升試驗參照GB 50496—2009 《大體積混凝土施工規(guī)范》的試驗方法。 混凝土絕熱溫升采用舟山市博遠(yuǎn)科技開發(fā)有限公司BY-ATC/JR 型絕熱溫升測定儀測試。

3.3.3 C40 混凝土的力學(xué)性能

混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019 《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試。

3.3.4 C40 混凝土的耐久性能

C40 混凝土耐久性能的測試試驗參照GB/T50082—2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的試驗方法。

3.3.5 側(cè)墻C40 混凝土現(xiàn)場監(jiān)測

采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司自主研發(fā)的“混凝土應(yīng)變無線監(jiān)測系統(tǒng)”分別對紫創(chuàng)路隧道某段側(cè)墻進行了變形和溫度監(jiān)測。側(cè)墻長30 m，厚度1.2 m。 監(jiān)測位置位于側(cè)墻的中心位置。

4 結(jié)果與討論

4.1 抗裂劑對C40 混凝土的限制膨脹率的影響

表3 為摻加抗裂劑混凝土不同配合比混凝土的試驗結(jié)果。 從表中可以看出，20 ℃情況下，限制膨脹率分別為 0.019%、0.035%，28 d 與 14 d 限制膨脹量差值分別為0.007%、0.008%。 40 ℃情況下，限制膨脹率分別為0.028%、0.040%，28 d 與14 d限制膨脹量差值分別為0.011%、0.015%。摻入抗裂劑后，C40 混凝土的限制膨脹率滿足JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的抗裂性要求，滿足對墻體結(jié)構(gòu)的限制膨脹率設(shè)計取值。

表3 摻抗裂劑的C40 混凝土的限制膨脹率 %

摻入抗裂劑的混凝土14 d 限制膨脹率得到顯著提高。 同時，28 d 與14 d 限制膨脹量差值約為未摻加抗裂劑混凝土配合比的4～5 倍。 混凝土摻加抗裂劑可以更好地抵抗混凝土的收縮變形， 混凝土的開裂風(fēng)險也會降低。同時，可全過程補償混凝土收縮變形。 養(yǎng)護溫度越高，限制膨脹率越高，抵抗開裂的能力越強，對于大體積混凝土、高強度以及夏季高溫施工下的混凝土變形，有更好的補償收縮作用。

4.2 抗裂劑對C40 混凝土絕熱溫升的影響

1～3 d 混凝土絕熱溫升變化速度較快，3 d 之后速度逐漸變緩，約6 d 之后混凝土絕熱溫升逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖2 基準(zhǔn)及摻抗裂劑的C40 混凝土的絕熱溫升

由圖2 可知，C30 基準(zhǔn)混凝土9 d 的絕熱溫升約50.5 ℃，摻39 kg/m3抗裂劑的C50 混凝土9.3 d的絕熱溫升約44.1 ℃。 抗裂劑能很好地放緩膠材水化放熱歷程，有效地降低膠凝材料中水泥早期水化放熱速率，延緩水化歷程，大幅度緩解水泥水化集中放熱、水化產(chǎn)物的膨脹性能。

4.3 抗裂劑對C40 混凝土力學(xué)性能的影響

摻抗裂劑的C40 混凝土抗壓強度滿足C40 混凝土設(shè)計強度要求，且摻HME-V 混凝土（溫控、防滲） 高效抗裂劑并未降低C40 混凝土的抗壓強度（表 4）。

表4 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗壓強度

4.4 抗裂劑對C40 混凝土耐久性能的影響

4.4.1 抗?jié)B性能

基準(zhǔn)混凝土與摻入抗裂劑的C40 混凝土相比，抗裂劑對C40 混凝土的抗?jié)B性能有明顯提高，相同試驗水壓力下有效降低了滲水高度，抗?jié)B性能檢測結(jié)果見表5。

表5 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B性

4.4.2 抗氯離子侵蝕

摻入抗裂劑的C40 混凝土低于基準(zhǔn)混凝土，表明抗裂劑提升了C40 混凝土的抗氯離子侵蝕性能，檢測結(jié)果見表6。

表6 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B透性能

4.5 隧道某段側(cè)墻的C40P8 抗裂混凝土的溫度-變形監(jiān)測及抗裂效果

此段混凝土的抗裂劑摻量是8%。 由圖3 可知，初凝后混凝土中心位置的溫升達(dá)40 ℃。 溫升階段，厚度方向膨脹變形達(dá)776 με，長度方向膨脹變形達(dá)403 με。 混凝土溫升階段，厚度方向和長度方向膨脹變形隨溫度呈直線增長，厚度方向的單位膨脹變形為 20.83 με/℃， 長度方向的單位膨脹變形為10.11 με/℃。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，抗裂劑在側(cè)墻結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了有效膨脹變形。

圖3 某段C40P8 混凝土的側(cè)墻中心位置溫度-變形監(jiān)測結(jié)果（30 m 長、1.2 m 厚）

觀察采用上述抗裂劑并進行溫度-變形監(jiān)測的紫創(chuàng)路隧道某段C40P8 側(cè)墻混凝土外觀， 未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫及滲漏。

5 結(jié)論

（1）添加抗裂劑的C40 混凝土14 d 水養(yǎng)限制膨脹率均能夠達(dá)到0.015%， 已經(jīng)滿足補償收縮混凝土的設(shè)計取值，能夠在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生約（0.2～0.7）MPa的膨脹應(yīng)力。 14 d～28 d 水養(yǎng)條件的限制膨脹率持續(xù)增長， 表明添加抗裂劑能夠補償混凝土早期自收縮， 而且能夠補償混凝土的溫降收縮和后期拆模后的干燥收縮， 但7 d～28 d 內(nèi)水養(yǎng)條件下的限制膨脹增長幅度明顯低于7 d 內(nèi)的膨脹變形， 表明混凝土在28 d 以后的膨脹會趨于收斂， 不存在安定性問題。

（2）摻入蘇博特制備的HME-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑能較好地降低混凝土膠凝材料的早期水化反應(yīng)速率，降低溫升。 結(jié)合抗壓強度數(shù)據(jù)分析，摻入HME-V 型混凝土抗裂劑能夠抑制混凝土早期溫升且不影響混凝土后期強度。 相比基準(zhǔn)C40 混凝土，摻入抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子滲透性能得到大幅度提高。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，抗裂劑在隧道某段側(cè)墻結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了有效膨脹變形。對采用上述抗裂劑某段C40P8 側(cè)墻混凝土外觀觀測，未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫及滲漏。