混凝土高效抗裂剂在徐州轨道交通地下工程中的应用

李路，王文彬，徐文

（1.徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏 徐州 221000；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

0 引言

随着我国城市化的推进，城市规模随之扩大，城镇人口急剧增加，轨道交通工程已成为城市公共客运交通网络的骨干。截至2014年末，我国累计有22个城市建成投运城轨线路101条，运营线路长度3155 km。目前我国正处于城市轨道交通的高速建造期，已经成为世界上最大的城市轨道交通建设市场。但目前国内城市轨道交通地下工程普遍存在混凝土开裂，甚至导致严重渗水的问题，需花费大量的人力、物力、财力进行修补，并且还可能对运行安全造成影响。

通过对某工程20个在建地下车站结构裂缝进行调研，发现超过80%的裂缝都出现在侧墙，且夏季高温施工更易出现开裂。图1为某地下车站侧墙温度监测结果。

图1 某工程地下0.7 m厚侧墙的温度历程

由图1可见，侧墙厚度为0.7 m，入模温度约26℃，但由于模板的保温作用，侧墙混凝土在1 d左右达到温峰，峰值约65℃，总温升接近39℃，后期温降速率超过8℃/d，远超过大体积混凝土温度速率不大于2℃/d的要求。侧墙混凝土中早期高温升造成的后期内表温差大，以及中心温降收缩大，是造成侧墙混凝土在拆模前就发生开裂的主要原因，因此要控制轨道交通地下工程的开裂，主要需控制结构温度历程，解决温度开裂问题。

徐州轨道交通2号线一期工程土建12标段（市政府站）为地下2层车站，混凝土总用量约1.3万m3，混凝土强度为C35，抗渗等级P8，地下侧墙一次性浇筑长度16～25 m，厚度为0.7 m，底板厚度1.2 m。为尽可能降低温度开裂风险，主要通过：（1）降低水泥水化速率，配合结构自身的散热，能够在一定程度上降低混凝土的温升，降低混凝土结构温降速率，减少温度收缩；（2）掺加钙类膨胀剂，补偿混凝土结构各种收缩变形，如自收缩、干燥收缩，以及温降收缩，进而降低实体混凝土结构的变形，减小应力产生，降低混凝土开裂风险。江苏苏博特新材料股份有限公司生产的HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂能调控水化，降低混凝土结构温升，进而减少墙体结构中收缩变形占比最大的温降收缩，并复合了高效膨胀材料，产生足够膨胀，进一步减少结构整体收缩，该抗裂材料在徐州轨道交通工程中起到了良好的抗裂效果。

1 温控抗裂原理

混凝土在硬化阶段出现明显的温升是由于胶凝材料水化放热和结构散热竞争的结果。自混凝土浇筑数小时后，水泥水化诱导期过后，混凝土开始凝结、硬化，水泥进入快速水化阶段，即加速期，此时产生大量的水化热，但由于混凝土低的导热系数和模板的保温作用，此时水化放热速率比结构散热速率高，因此热量会在结构内部累积，混凝土温度开始上升；当水化进入稳定期后，水化放热速率放缓，此时散热速率占主导，混凝土中心温度又开始下降，因此在混凝土结构不同部位，不同时期会出现温度差，进而产生温度应力，当应力超过混凝土抗拉强度时则会使混凝土结构开裂。

要解决温度开裂，需要减少混凝土温升及不同部位温度差，传统方法主要有[1-2]：（1）减少混凝土中水泥水化放热量，如降低胶材用量，使用粉煤灰、矿粉等掺合料或者使用低、中热水泥；（2）增加散热速率，如预埋冷却水管，减小结构尺寸等；（3）预冷骨料，降低入模温度。这些方法要么以降低混凝土性能为代价，要么大幅度增加了施工难度和成本，而通过掺加化学外加剂调控水泥水化，控制混凝土结构温升的方法，则具有方便、经济及可控性高的优势。

传统缓凝剂主要是延长水化的诱导期，一旦诱导期结束，水泥同样开始急速水化，因此对于结构的温升过程影响极小，几乎可以忽略。而HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂复合有新型的水化放热历程调控外加剂，与传统缓凝剂主要影响水化诱导期不同，该外加剂主要影响的是水泥水化加速期及减速期，会大幅度降低水泥水化速率，进而使得水化放热速率曲线中最大放热峰值大幅度降低（见图2）。由于水泥早期水化速率降低，在混凝土结构中，早期水化放热量就会降低，结合结构自身的散热作用，在混凝土结构内部早期所积累的热量就减少，因而会使得混凝土结构中心温峰值、以及随后的温降阶段的温降速率都降低，进而减少了混凝土结构内外温差、温降收缩，降低了混凝土温度开裂风险[3]。在降低混凝土结构温升的基础上，HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂还复合了不同活性膨胀组分，膨胀组分水化产生膨胀，能进一步补偿混凝土的自收缩和温降收缩。图2中，测试仪器为美国TA仪器公司TAM AIR等温量热仪，测试温度为20℃，基准试样为0.4水灰比的净浆，缓凝剂蔗糖掺量为0.1%，HME-V抗裂剂掺量为8%。

图2 传统缓凝剂与HME-V对水泥水化的影响对比

2 工程应用及效果

本工程配合比设计主要参考了GB 50119—2003《混凝土外加剂应用技术规范》和JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》，并结合原材料情况、工程要求，确定的侧墙结构C35P8混凝土配合比如表1所示。水泥：P·O42.5，密度3.15 g/cm3，比表面积 347 m2/kg；粉煤灰：Ⅰ级，密度 2.26 g/cm3，比表面积463 m2/kg；抗裂剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂，具有调控水化的作用，会降低水化速率，有轻微减水、保坍作用，略微的延长凝结时间，对含气量无影响。

表1 徐州轨道交通地下车站侧墙混凝土配合比

在实验室评估了抗裂材料对混凝土小构件温升的影响，混凝土尺寸为400 mm×400 mm×400 mm，外部通过50 mm聚苯板保温（见图3），在混凝土小构件中心预埋温度传感器，混凝土小构件中心温度历程如图4所示：入模温度约为25℃，掺加HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂后，小构件中心温度峰值由基准的约55℃降至约47℃，温升降幅约8℃，并且还可以看出，温升速率降低，且温峰出现时间也推迟了约0.7 d，温降速率也降低。

图3 混凝土小构件示意

图4 HME-V对小构件中心温度历程的影响

由于HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂使得水泥的早期水化速率降低，因此其会影响混凝土早期强度，但由于其不会影响总放热量，进而不会影响中后期强度。标准养护条件下，HME-V对混凝土抗压强度的影响如图5所示，可以看出，3 d强度有一定程度的降低，但随着龄期延长，强度降幅减少，28 d强度已经和基准相当。

图5 HME-V对混凝土抗压强度的影响

图6为徐州地铁市政府站负二层侧墙实体测结果，所监测侧墙长25 m、厚0.7 m、高5 m，传感器位于中部中心位置。

图6 徐州市地铁政府站负二层侧墙监测结果

由图6可以看出：（1）混凝土入模温度为26.4℃，温峰出现在1.8 d为44.5℃，温升约为18℃。（2）以2℃为变形的起点，在温升阶段最大膨胀变形约为280 με。（3）浇筑季节为秋季，随着后续气温的降低，结构温度也随之降低，在监测的约50 d内，结构中心温度最低至12℃，远低于浇筑时的26℃，但50 d内所监测的变形都为正，在最低温度时，膨胀变形约为40 με。这充分的说明HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂起到了良好的控温、补偿收缩的效果。

3 结论

HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂在徐州地铁市政府站全站使用，起到了良好的抗裂效果。实验室小构件监测结果显示该抗裂剂能够降低混凝土温升约8℃，实体结构中所监测到的温升约为18℃。实体结构中温升阶段测得膨胀变形约280 με，温降阶段总计温降了约32.5℃，但总计收缩约240 με，且全过程混凝土产生了约40 με膨胀，说明该抗裂剂在温升、温降阶段都产生了膨胀，补偿了混凝土自收缩和温降收缩。在徐州轨道交通2号线一期工程土建12标段市政府站中，全站侧墙都使用了该抗裂剂，目前为止所有侧墙中均未见任何贯穿性裂缝。通过该工程的实际应用，证明了通过降低水泥水化速率，减少混凝土结构温升，减少温度收缩，并结合膨胀材料，全过程的补偿混凝土结构收缩变形，是解决地下车站侧墙以及类似结构开裂的有效方法。