地鐵車站疊合墻抗?jié)B防裂混凝土配合比優(yōu)化與應用

郭雅峰， 陳士海， 楊宗樺， 李少波， 陳春超， 羅小峰

(1. 華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021； 2. 廈門軌道交通集團， 福建 廈門 361010)

隨著我國現(xiàn)代化進程的加快，城鎮(zhèn)人口不斷增加，地上交通日益擁擠，地鐵的建設成為解決這個問題的關鍵.然而，地鐵車站中很多結構由于體積較大、養(yǎng)護困難和地下水環(huán)境的特殊性等原因，混凝土結構產(chǎn)生大量水化熱，且無法將內(nèi)部產(chǎn)生的熱量及時傳導到外界，在熱脹冷縮的作用下，出現(xiàn)大量裂縫.裂縫的大小、長短及出現(xiàn)時間不僅與混凝土所處的環(huán)境和結構有關，也與混凝土配合比密切相關.因此，在考慮經(jīng)濟性的條件下，優(yōu)化混凝土配合比，配制性能良好的混凝土是減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土抗?jié)B能力的必要條件.

混凝土是一種由骨料、砂漿、界面等組成的多相非均質(zhì)復合材料，各相間的物質(zhì)組成對性能有著至關重要的影響.不合適的顆粒級配不僅會增加水泥用量與成本，而且對混凝土的性能產(chǎn)生負面影響[1].王文璟[2]基于正交試驗，研究原材料類型、水灰比等因素對再生混凝土配合比、混凝土力學性能的影響.李福友等[3]針對武穴長江公路大橋主橋施工期的早期裂縫控制問題，研究寬箱梁C55混凝土配合比及膠凝材料組成對混凝土早期抗裂性、長期收縮徐變性的影響，結果表明，在混凝土中摻入適量粉煤灰、礦粉和高性能外加劑可以有效地降低混凝土的水化熱溫升，減緩水化放熱速率，提高抗塑性收縮開裂性能.Mehta等[4]認為粗骨料顆粒與水泥漿體接觸面較為薄弱，接觸面會出現(xiàn)大量的孔隙和裂縫，故改善骨料配制具有必要性.張義長等[5]從混凝土原材料方面分析混凝土裂縫的類型和產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化骨料可以有效地減少混凝土收縮和混凝土開裂的情況.在實際工程中，溫度收縮和自收縮是導致側(cè)墻混凝土結構在約束下早期收縮開裂的主要原因[6].現(xiàn)代混凝土應具有高密實度，進而提高混凝土的抗?jié)B性能.通過加入適量的粉煤灰、礦渣和外加劑等減少水化熱的產(chǎn)生，澆筑后及時灑水養(yǎng)護，減少混凝土內(nèi)外溫差，最終可減少混凝土裂縫的產(chǎn)生.基于此，本文結合福建省廈門市地鐵的杏濱車站疊合墻工況，對地鐵車站疊合墻抗?jié)B防裂混凝土配合比進行優(yōu)化與應用.

1 混凝土配合比的初選

為了保證配置的混凝土具有良好的性能，參照多種規(guī)范對水膠比、單位體積用水量和砂率等進行計算和取值.同時，為了降低計算量，采用正交試驗法分析典型的混凝土配合比數(shù)據(jù).

1.1 相關參數(shù)

1) 混凝土配制強度.C40混凝土的配制強度fcu，0的計算公式為

fcu，0≥fcu，k+1.645σ.

(1)

式(1)中：fcu，k為混凝土設計強度等級，文中取40 MPa；σ為混凝土強度標準差.

2) 水膠比.參考普通混凝土配合比的設計原理，水膠比W/B的計算公式為

(2)

式(2)中：αa，αb均為回歸系數(shù)，文中取αa=0.53，αb=0.20；fb為膠凝材料28 d膠砂抗壓強度.

經(jīng)計算可得，水膠比為0.41.

3) 單位體積用水量.摻入外加劑時，每立方米混凝土的用水量mw，0的計算公式為

(3)

經(jīng)計算可得，C40 混凝土單位體積用水量為163 kg·m-3.

4) 礦物摻合料用量.每立方米混凝土中礦物摻合料用量mf，0的計算公式為

mf，0=mb，0βf.

(4)

式(4)中：mb，0為每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg·m-3；βf為礦物摻合料摻量，%.

經(jīng)計算可得，粉煤灰和礦渣粉摻量分別為21%，11%.

5) 砂率.參考JGJ 55-2011《普通混凝土設計規(guī)范》和GB 50108-2008《地下工程防水技術規(guī)范》，在滿足混凝土抗?jié)B等級的條件下，砂率βs取35%～40%，泵送時可增至45%.

6) 粗骨料用量.粗骨料用量mg，0的計算公式為

(5)

式(5)中:ms，0為每立方米混凝土的細骨料用量，kg·m-3.

1.2 混凝土配合比的正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素水平的方法，它根據(jù)正交性從整體中篩選出部分具有代表性的點進行試驗.考慮混凝土水泥用量(m(水泥))、粉煤灰摻量(β(粉煤灰))、砂率(βs)3個因素，每個因素對應3個取值進行混凝土配合比組合.采用正交試驗設計，篩選出最具代表性的配合比組合.

材料正交試驗設計因素水平表，如表1所示.表1中：A(水泥用量)，B(粉煤灰摻量)，C(砂率)分別為3個變化因素，每個因素設置3個水平.基于3因素3水平的正交試驗設計，選擇L9(34)正交表，共得到9個試驗組.C40混凝土的正交試驗配合比，如表2所示.

表1 材料正交試驗設計因素水平表Tab.1 Factor level table of material orthogonal test design

表2 C40混凝土的正交試驗配合比Tab.2 Orthogonal test mix proportion of C40 concrete

2 混凝土配合比的優(yōu)化

粗骨料是混凝土的重要組成部分，約占普通混凝土體積的30%～50%.因此，粗骨料級配的優(yōu)化對混凝土的和易性、耐久性和力學性能等具有重要的影響.首先，采用連續(xù)級配理論對粗骨料級配進行優(yōu)化.然后，根據(jù)絕熱溫升，對正交試驗設計的9個試驗組進行篩選，選擇絕熱溫升最低的配合比進行DHZ復合液最佳摻量試驗，確定外加劑的最佳摻量.

2.1 粗骨料級配的優(yōu)化

文獻[7-8]在前人研究的基礎上提出Andreasen和Andersen連續(xù)級配理論模型，發(fā)現(xiàn)凝結作用中的細顆粒對新拌混凝土的和易性有較大影響，不可忽視.因此，引入有限最小顆粒尺寸[9]對Andersen模型進行修正，也稱為Alfred方程[10].

設D為碎石粒徑，小于粒徑D的累計篩余量CPFT為

(6)

式(6)中：DL，DS分別為粒徑體系中的最大粒徑和最小粒徑；q為分布系數(shù)，取值范圍為0.21～0.37，q越小，混凝土的流動性越大.

由文獻[11]可知：將粗骨料假設為理想圓形骨料，可得分布系數(shù)q與堆積骨料理論孔隙率的關系曲線；當q約為0.37時，顆粒堆積密度最大.若考慮實際骨料多為不規(guī)則石子，則分布系數(shù)q還需重新確定.為了簡化計算，此處不做進一步討論.經(jīng)計算可得，混凝土的骨料理論級配為5～10，5～20，16.0～31.5 mm的碎石以2∶5∶3(質(zhì)量比)進行摻配.

2.2 混凝土的絕熱溫升

為了更加全面地分析不同配合比的絕熱溫升，引入等效齡期[12]的概念.等效齡期是基于Arrhenius方程的成熟度系數(shù)提出的，它建立了不同溫度歷程下混凝土達到相同成熟度所需時間之間的關系.通過等效齡期進行換算，可將任意溫度歷程下混凝土自身性能的發(fā)展歷程轉(zhuǎn)化為參考溫度下混凝土力學性能的發(fā)展歷程，從而更加便捷地分析混凝土的絕熱溫升.

考慮溫度和濕度影響的等效齡期τe的計算公式為

(7)

式(7)中：ψ為相對水化速率；ψTc為依賴于混凝土溫度的系數(shù)；ψh為依賴于混凝土濕度的系數(shù)；ζ為時間；τ為齡期.

水泥水化是一個熱驅(qū)動的過程，ψTc的計算公式為

(8)

式(8)中：T為實際的絕對溫度，根據(jù)當?shù)丨h(huán)境溫度，文中取303 K；T0為參考溫度，一般取293 K；Uh為水化活動能，對于混凝土材料[13]，當T≥239 K時，Uh=335 kJ·mol-1，當T<239 K時，Uh=[335+147×(293-T)]；R為氣體常數(shù)，R=8.315 J·K-1；當混凝土溫度為0～100 ℃時，Uh/R約為2 700 K.

ψh的計算公式為

ψh=[1+(3.5-3.5h)4]-1.

(9)

式(9)中：h為混凝土的內(nèi)部濕度.

大體積混凝土內(nèi)部的水分通常是不損失的，取ψh=1.因此，大體積混凝土的等效齡期τe可表示為

(10)

式(10)中：Δτ為齡期的變化量.

通過混凝土的絕熱溫升可篩選正交試驗設計的混凝土配合比.絕熱溫升是指假定邊界處于隔熱條件下，水泥等材料在硬化過程中水化放熱而使混凝土增高的溫度.如果混凝土自身產(chǎn)生的熱量較少，就可以減少混凝土熱脹冷縮產(chǎn)生的裂縫.絕熱溫升可經(jīng)實驗進行測定，當缺乏直接測定的資料時，混凝土絕熱溫升的計算公式[14]為

(11)

式(11)中：Q(τ)為水泥水化熱；υ為折減系數(shù)，對于粉煤灰，υ=0.25；F為礦物摻合料用量；C為混凝土比熱容，文中取0.98 kJ·(kg·℃)-1；ρc為混凝土密度，文中取2 400 kg·m-3.

水泥水化熱依賴于混凝土的齡期，水泥在齡期時累積的水化熱的雙指數(shù)公式為

Q(τ)=Q0(1-e-aτb).

(12)

式(12)中：Q0為齡期趨于無窮時的最終水化熱，Q0=330 kJ·kg-1；a，b均為常數(shù)，a=0.69，b=0.56.

當τ=28 d時，計算等效齡期，聯(lián)立式(10)～(12)，可得混凝土的絕熱溫升.試驗組1～9的絕熱溫升分別為39.66，39.24，38.71，39.03，38.62，38.08，38.40，38.12，37.44 ℃.因此，采用試驗組9(絕熱溫升最低)的配合比進行DHZ復合液最佳摻量試驗.

2.3 外加劑最佳摻量的確定

試驗采用的水泥為P·O42.5水泥(福建省龍巖市春馳水泥有限公司，比表面積為317 m2·kg-1，初凝時間為236 min，終凝時間為295 min)；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰(福建省漳州市后石電廠，密度為2.36 g·cm-3，細度為21.2%，SO3的質(zhì)量分數(shù)為0.58%)；礦渣粉為S95級磨細礦渣粉(福建省龍海市三鋼集團(龍海)礦微粉有限公司，密度為2.90 g·cm-3，比表面積為446 m2·kg-1，28 d的活性指數(shù)為100%)； 機制砂(福建省廈門市鴻銘建材有限公司，細度模數(shù)為2.9，級配區(qū)間為中砂Ⅱ區(qū)，石粉的質(zhì)量分數(shù)為4.4%，亞甲藍(MB)值為0.75)； 河砂(福建省廈門市萬翔同實業(yè)有限公司，細度模數(shù)為2.6，級配區(qū)間為中砂Ⅱ區(qū)，含泥量為0.4%)； 粗骨料(福建省泉州市中輕石材有限公司，采用5～10，5～20，16.0～31.5 mm碎石三檔級配，針片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)為4%，含泥量為0.4%).

隨著我國經(jīng)濟的日益發(fā)展，為了提高工程質(zhì)量，外加劑已廣泛地應用于建筑行業(yè)中，如減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強劑、膨脹劑等.對比市面上的各種產(chǎn)品，選擇DHZ復合液(廣西南寧市大胡子防水科技有限公司)作為混凝土外加劑.DHZ復合液是一種具有減水、防水、緩凝、保水、微膨脹和抗裂等功能的復合型外加劑，在國內(nèi)大中型防水工程中得到了實踐應用.DHZ復合液的減水率為28%；泌水率比為32%；密度為1.043 g·cm-3；氯離子質(zhì)量分數(shù)為0.01%；含固量為38.2%；收縮率比(28 d)為105%；凝結時間差(初凝)為-20%；7 d抗壓強度比為113%；28 d抗壓強度比為105%.

文獻[15]中外加劑摻量為膠凝材料總量的0.5%～1.0%，而DHZ復合液說明書中的推薦摻量為0.6%～0.8%，故選取0.60%，0.65%，0.70%，0.80%等4種DHZ復合液摻量；混凝土中水、水泥、粉煤灰、礦渣粉、砂、石的用量分別為163，282，60，81，741，1 023 kg·m-3.由此可確定外加劑最佳摻量試驗中4個試驗組的配合比.5～10，5～20，16.0～31.5 mm的碎石按2∶5∶3(質(zhì)量比)摻配，機制砂、河砂按1∶1(質(zhì)量比)摻配.

對4個試驗組的混凝土和易性(流動性、保水性和粘聚性)進行測試，結果如表3所示.表3中：s為坍落度；E為擴展度；β(DHZ)為DHZ復合液摻量.由表5可知:當DHZ復合液摻量為0.70%時，混凝土的和易性最佳.

表3 混凝土和易性試驗結果Tab.3 Results of concrete workability test

2.4 混凝土最優(yōu)配合比的確定

由此可確定混凝土最優(yōu)配合比，即水、水泥、粉煤灰、礦渣粉、砂、石的用量分別為163，282，60，81，741，1 023 kg·m-3，DHZ復合液摻量為0.70%.

3 混凝土性能試驗

將摻入DHZ復合液的混凝土(試件T1)與未摻入DHZ復合液的混凝土(試件T2)進行混凝土性能試驗(強度試驗、抗?jié)B試驗、抗裂試驗和收縮試驗)，分析二者的性能差異.

3.1 混凝土強度試驗

制備尺寸(長×寬×高)為150 mm×150 mm×150 mm的試件T1，st，T2，st，在標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護.對試件T1，st，T2，st進行強度試驗，結果如表4所示.表4中：σ7為7 d抗壓強度；σ28為28 d抗壓強度.

表4 試件的強度試驗結果 Tab.4 Strength test results of test pieces

由表4可知：試件T1，st的7 d抗壓強度大于T2，st；試件T2，st的28 d抗壓強度略高于試件T1，st，但是差異不大；兩種試件的抗壓強度均滿足GB 5017-2010《混凝土強度檢驗評定標準》的強度要求.

3.2 混凝土抗?jié)B試驗

參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，對試件T1，se(6個)和試件T2，se(6個)進行抗?jié)B試驗.試件的上口直徑為175 mm，下口直徑為185 mm，高為150 mm.

啟動混凝土抗?jié)B儀(圖1)，對試件進行測試，混凝土抗?jié)B儀每隔8 h對試件自動增加0.1 MPa水壓，直至水壓為1.3 MPa.試件T1，se的加壓開始時間為2021年8月11日12:00，加壓結束時間為2021年8月15日20:00；試件T2，se的加壓開始時間為2021年8月11日12:10，加壓結束時間為2021年8月15日20:10.采用混凝土抗?jié)B儀自動加壓至1.3 MPa后，試件T1，se，T2，se均未出現(xiàn)滲水情況.參照GB 50164-2011《混凝土質(zhì)量控制標準》，試件T1，se，T2，se的抗?jié)B等級均大于P12，滿足抗?jié)B等級P10的要求，表明試件具有較高的密實度，抗?jié)B性能良好.

圖1 混凝土抗?jié)B儀Fig.1 Concrete anti-seepage meter

3.3 混凝土抗裂試驗

根據(jù)GB/T 50082-2009《混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》和《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》中的圓環(huán)約束試件法相關規(guī)定，對試件T1，cr(2個，編號分別為T1，cr，1，T1，cr，2)和試件T2，cr(2個，編號分別為T2，cr，1，T2，cr，2)進行抗裂試驗.試件的尺寸(外圓周長×內(nèi)圓周長×高)為425 mm×305 mm×100 mm.從加水攪拌到齡期(28 d)的時間范圍內(nèi)，對試件進行每日觀察，并記錄試件開裂情況.硬化前后的試件，分別如圖2所示.

(a) 硬化前 (b) 硬化后圖2 硬化前后的試件Fig.2 Test piece before and after hardening

試件的抗裂試驗結果，如表5所示.表5中:l為裂縫長度；w為裂縫寬度.由表5可知：試件T1，cr產(chǎn)生的裂縫時間比試件T2，cr晚6 d，試件T1，cr產(chǎn)生的裂縫數(shù)量比試件T2，cr多19條，試件T1，cr的裂縫寬度為0.15～0.20 mm，試件T2，cr的裂縫寬度為0.09～1.20 mm.這說明加入DHZ復合液可以減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，并提高混凝土的抗裂性能.

表5 試件的抗裂試驗結果Tab.5 Anti-crack test results of test pieces

3.4 混凝土收縮試驗

GBT 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的接觸法可以用于早期混凝土自由收縮變形的測定，也可用于無約束狀態(tài)下混凝土自收縮變形的測定.采用尺寸(寬×高×長)為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件T1，sh(3個)和試件T2，sh(3個)進行收縮試驗.對試件進行28 d的養(yǎng)護，在規(guī)定時間內(nèi)測量試件長度，獲取試件的收縮率變化情況.

混凝土收縮率εsh的計算公式為

εsh=(L0-Lt)/Lb.

(13)

式(13)中：Lb為測量標距，用混凝土收縮儀(圖3)測量時應等于兩測頭內(nèi)側(cè)的距離；t為從測定初始長度時算起的天數(shù)，d；Lt表示試件在試驗期為t時測得的長度，mm；L0為試件長度的初始讀數(shù)，mm.

圖3 混凝土收縮儀Fig.3 Concrete shrinkage meter

試件的收縮率變化曲線和收縮量變化曲線，分別如圖4，5所示.圖4，5中：ΔL為收縮量；試件T1，sh，T2，sh的收縮率和收縮量為3個試件的算術平均值.

圖4 試件的收縮率變化曲線 圖5 試件的收縮量變化曲線Fig.4 Shrinkage rate variation curves of test pieces Fig.5 Shrinkage amount variation curves of test pieces

由圖4可知：第1～3天試件T1，sh，T2，sh的收縮率迅速增大，第3天收縮率比第1天增長近0.000 1，7 d后收縮率的增長速度逐漸變緩；試件T1，sh的收縮率一直小于T2，sh，說明試件在澆筑后的1～3 d，混凝土由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的干燥收縮程度較大，養(yǎng)護7 d后，干燥收縮程度變化穩(wěn)定.因此，對于現(xiàn)場施工，充分養(yǎng)護早期大體積混凝土能夠有效地改善混凝土開裂問題.由圖5可知：第28天，試件T1，sh收縮量最小(0.196 mm).綜上可知，試件T1，sh，T2，sh的收縮量和收縮率的變化規(guī)律基本相同；經(jīng)過28 d的養(yǎng)護，試件T1，sh的收縮量一直小于試件T2，sh，說明混凝土自身產(chǎn)生的熱量較低，DHZ復合液能夠降低早期混凝土的收縮量，提高混凝土的抗裂性能.

4 工程應用

廈門地鐵的杏濱車站采用明挖法施工，車站主體結構外包長度為258.5 m，采用800 mm地下連續(xù)墻和400 mm內(nèi)襯墻疊合受力的結構形式，主體結構標準段寬度為21.1 m.隨著建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，混凝土結構的應用范圍日益增大，為了滿足建筑功能的需求，混凝土結構的尺寸越來越來大，約束也越來越強，這些原因加劇了混凝土裂縫的產(chǎn)生.為了減少裂縫的產(chǎn)生，杏濱車站采用跳倉法施工，前期采用聚羧酸減水劑進行施工，為了提高混凝土的性能，后期改用DHZ復合液作為外加劑.

為了對比兩種外加劑對混凝土性能的影響，對內(nèi)襯墻的裂縫進行收集與分析，記錄各條裂紋的最大寬度、裂紋數(shù)量和裂紋分布.現(xiàn)場部分裂縫照片，如圖6所示.

(a) 斜裂縫 (b) 弧形裂縫 (c) 豎向裂縫圖6 現(xiàn)場部分裂縫照片F(xiàn)ig.6Partial crack in-situ photos

現(xiàn)場使用的混凝土均采用汽車泵送，運送時間、振搗時間、澆筑溫度等因素都會影響混凝土的抗裂能力.為了減少裂縫，混凝土的攪拌、運輸、澆筑、振搗和養(yǎng)護等都必須嚴格執(zhí)行施工規(guī)范.采用摻入聚羧酸減水劑的混凝土澆筑某一疊合墻，獲取其28 d齡期的裂縫生成情況.摻入聚羧酸減水劑的疊合墻裂縫分布，如圖7所示.圖7中：藍色虛線為鋼模板拼接縫位置；數(shù)字表示裂縫編號.

圖7 摻入聚羧酸減水劑的疊合墻裂縫分布(單位：mm) 圖8 摻入DHZ復合液的疊合墻裂縫分布(單位：mm)Fig.7 Cracks distribution of composite wall mixed with polycarboxylate water reducer (unit: mm) Fig.8 Cracks distribution of composite wall mixed with DHZ compound liquid (unit: mm)

由圖7可知：整個疊合墻上裂縫較多，大部分為豎向裂縫且間距規(guī)整，同時也伴隨一小部分斜裂縫和弧形裂縫.

為了便于對比，在車站施工時，用摻入DHZ復合液的混凝土澆筑某一疊合墻.摻入DHZ復合液的疊合墻裂縫分布圖，如圖8所示.

經(jīng)后期的數(shù)據(jù)整理可知：外摻DHZ復合液且經(jīng)過配合比優(yōu)化后的疊合墻裂縫數(shù)量減少了8條，減少了從疊合墻頂部到底部貫穿裂縫的產(chǎn)生；優(yōu)化前疊合墻裂縫總長度為56.7 m，優(yōu)化后裂縫總長度為32.4 m，裂縫長度減少了24.3 m，表明外摻DHZ復合液且經(jīng)過配合比優(yōu)化后的混凝土抗裂性能優(yōu)于外摻聚羧酸減水劑的混凝土，可提高混凝土的性能，減少混凝土裂縫的產(chǎn)生.

5 結論

基于混凝土配合比設計規(guī)范，對混凝土配合比中的多個因素進行正交試驗設計篩選，對混凝土的粗骨料級配進行優(yōu)化，計算各試驗組的絕熱溫升，并選取絕熱溫升最低的試驗組配合比摻入DHZ復合液，得到地鐵車站抗?jié)B防裂混凝土的最優(yōu)配合比.通過混凝土性能試驗和實際工程應用，可以得到以下2個結論.

1) 由混凝土的強度試驗、抗裂試驗、抗?jié)B試驗和收縮試驗可知，摻入DHZ復合液的混凝土強度滿足設計規(guī)范.相較于未摻入DHZ復合液的試件，摻入DHZ復合液的混凝土產(chǎn)生的裂縫較少，收縮率和收縮量較低，表明摻入DHZ復合液能夠提高混凝土的抗裂防滲性能.

2) 工程應用的結果表明，相較于摻入聚羧酸減水劑的地鐵車站疊合墻，摻入DHZ復合液的地鐵車站疊合墻的裂縫少了8條，裂縫長度減少了24.3 m.因此，采用DHZ復合液的混凝土能夠提高混凝土的抗裂性能，減少地鐵車站疊合墻裂縫的產(chǎn)生.