嵇旭紅,潘利,王育江,姚婷
(1.常州市港航事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 常州,213000;2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司,江蘇 南京 211103;3.高性能土木工程材料國家重點實驗室,江蘇 南京 211103)
近年來隨著我國交通水運工程的高速發(fā)展,在建的船閘數(shù)量不斷增加。大體積混凝土是船閘工程中一種重要的結構形式,廣泛應用于閘首、閘室等主體部位。由于船閘結構形式復雜、截面尺寸多變、混凝土配筋率低等特點,大體積混凝土內部水化溫升、溫度應力、應力集中現(xiàn)象較為突出,已建成的船閘中大體積混凝土開裂問題較為普遍[1~4]。裂縫的產(chǎn)生,對混凝土防滲、抗凍、耐久性均有較大影響,嚴重時甚至影響工程服役壽命和運行安全性。
針對船閘大體積混凝土易開裂的問題,相關學者已進行了大量研究工作。何廣全[5]從設計預防、原材料優(yōu)化和施工方法優(yōu)化方面研究了船閘混凝土裂縫預防措施;覃茜等[6]通過有限元法研究了表面保溫、通水冷卻等溫控措施對船閘閘首混凝土溫度場和應力場的影響,并通過采取相應的溫控措施來降低結構開裂風險;李華等[7]通過理論計算與現(xiàn)場應用研究表明,摻氧化鎂膨脹劑可顯著提升船閘施工期混凝土抗裂性的影響。盡管目前采取的防裂措施取得了一定的效果,但仍難以避免裂縫產(chǎn)生,船閘大體積混凝土開裂問題依然突出。針對這一問題,本文從抗裂功能材料、混凝土配合比、工程應用及現(xiàn)場監(jiān)測等方面研究了船閘大體積混凝土抗裂性提升技術,為類似工程提供參考。
試驗所用原材料包括:①水泥:P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥,比表面積為315m2/kg,28d 抗壓強度為45.7MPa;②粉煤灰:F 類II 級粉煤灰,比表面積為460 m2/kg,需水量比為98%;③砂:天然河砂,細度模數(shù)為2.6;④碎石:5~16mm、16~31.5mm、20~40mm 三級配碎石;⑤減水劑:聚羧酸減水劑,減水率為23.8%;⑥抗裂劑:HME-V 溫控膨脹抗裂劑,比表面積為255m2/kg;⑦水:生活用水。
根據(jù)材料特性及工程需求,為研究船閘閘首廊道、閘室墻等部位大體積混凝土抗裂性,開展了混凝土相關性能試驗,配合比如表1 所示,相比于基準組,試驗組中摻加25kg/m3抗裂劑等量取代基準配合比中的水泥,其他參數(shù)均相同。
表1 混凝土試驗配合比(kg/m3)
為研究基準和抗裂混凝土的力學性能,進行了混凝土抗壓強度和劈拉強度試驗,試驗方法參照SL352-2020《水工混凝土試驗規(guī)程》進行,測試齡期為7d、14d、28d,試驗結果如圖1 所示。由試驗結果可知,抗裂組混凝土7d、14d 強度比基準組低,7d、14d 抗壓強度分別低20.6%、9.3%,7d、14d 劈拉強度分別低13.1%、7.5%,28d 抗裂組抗壓強度和劈拉強度與基準組基本相同。由此說明,混凝土中摻入抗裂劑后,早期強度有所較低,但不影響后期強度,主要原因是抗裂劑具有延緩水泥水化的作用,早期水化較慢,有利于避免放熱集中,后期持續(xù)均勻水化,從而不影響混凝土力學性能。
圖1 抗裂混凝土力學性能
自生體積變形可以表征混凝土早齡期自收縮發(fā)展趨勢,是評價混凝土抗裂性能的關鍵指標之一,控制混凝土自收縮的能夠降低實體結構產(chǎn)生的收縮裂縫的風險[8]。對表1 中兩組配合比進行了自生體積變形試驗,結果如圖2 所示,圖中變形值為正值表示膨脹變形,負值表示收縮變形。由試驗結果可知,基準組自生體積變形始終為收縮,28d 變形值為-133.2;抗裂組則始終表現(xiàn)為膨脹變形,7d 變形值為92.4、28d 變形值為111.6,28d 后變形逐漸趨于平緩。試驗結果表明,抗裂混凝土早期產(chǎn)生足夠的膨脹來抵抗水泥混凝土產(chǎn)生的自收縮變形,抗裂劑具有良好的補償收縮作用,可減小結構混凝土收縮開裂風險,提升混凝土抗裂性能。
圖2 抗裂混凝土自生體積變形
為研究基準與抗裂混凝土耐久性能,對表1 中配合比進行了混凝土抗?jié)B性和抗凍性試驗。抗?jié)B性采用抗?jié)B等級(逐級加壓)測試法,抗凍性采用快速凍融試驗方法確定混凝土抗凍等級,試驗參照SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》及GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。經(jīng)過抗水滲透試驗后,基準組和抗裂組混凝土抗?jié)B等級均在W6 以上,可滿足抗?jié)B性設計要求;經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后,基準組和抗裂組混凝土試件質量損失率分別為1.82%、1.67%,相對動彈性模量分別為91.5%、92.3%,達到抗凍等級F100。試驗結果表明,抗裂混凝土耐久性良好,可滿足設計要求。
為驗證抗裂混凝土在船閘工程中的應用效果,在江蘇某船閘閘室墻部位開展了工程應用。閘室墻高度上分兩次澆筑,第一次澆筑倒角和部分墻身,第二次澆筑剩余部分墻體,一次性澆筑長度為20m,混凝土等級為C25,施工配合比選用表1 中抗裂組配合比。在混凝土澆筑前,對于易開裂的閘室墻倒角部位進行了溫度和變形傳感器的布置,自混凝土澆筑起對其內部溫度和變形進行實時監(jiān)測,以驗證應用效果。監(jiān)測內容包括:閘室墻倒角中心長度方向和厚度方向變形、中心溫度、表面溫度、環(huán)境溫度,實體結構監(jiān)測結果如圖3 所示。由監(jiān)測結果可知,閘室墻倒角中心最高溫度為67.5℃,最大溫升值約為40℃,側表面最高溫度為53.2℃,降溫階段中心溫度變化較為均勻,側表面受環(huán)境影響呈波動性下降趨勢;對于變形結果,中心長度方向和厚度方向最大變形分別為493.3、776.4,在溫升階段產(chǎn)生了明顯的膨脹,隨后降溫階段產(chǎn)生一定的收縮,降溫階段收縮變形速率明顯小于升溫階段膨脹變形速率,且變形監(jiān)測曲線平滑、無明顯突變點,說明未監(jiān)測到混凝土開裂。從現(xiàn)場情況開,混凝土澆筑3 個月后未發(fā)現(xiàn)裂縫,抗裂效果良好。
圖3 閘室墻混凝土溫度變形監(jiān)測結果
(1)室內試驗研究表明,摻入抗裂劑制備的抗裂混凝土,早期力學性能有所降低,后期力學性能基本無影響,混凝土自生體積變形為膨脹變形,具有較好的體積穩(wěn)定性,有利于混凝土抗裂性能提升,且抗裂劑對混凝土耐久性能無不利影響。
(2)工程應用表明,抗裂混凝土在船閘閘室墻結構中表現(xiàn)出良好的抗裂性能,在實體結構中溫升階段產(chǎn)生明顯膨脹變形、溫降階段具有補償收縮作用,變形監(jiān)測曲線平滑,混凝土澆筑3 個月后無裂縫,抗裂效果良好,可為類似工程提供參考。