膨胀剂对某地下室侧墙C50混凝土抗裂性能的影响

倪玉祥 ，陆安群 ，王建军

（1.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；3.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022）

0 引言

随着我国人口数量的持续增长和城市化进程的加快，地下混凝土工程结构建设占据城市建设的比重日趋增加，高层建筑地下室、地铁、隧道、人防工程等均需建造各种超长地下室结构[1]。由于地下水环境的特殊性和刚性防水要求，混凝土裂缝控制对于地下工程质量有着至关重要的影响。混凝土一旦开裂出现裂缝，就大大增加了混凝土的渗透性，严重影响地下工程的防水防腐等耐久性能[2]。图1为某地下工程的工程底板、侧墙混凝土拆模后出现的开裂及渗水现象。在地下空间结构混凝土的裂缝控制中，侧墙混凝土由于其结构形式的特殊性，养护措施等难以到位，易在施工阶段就出现因温降收缩、自收缩及约束等原因而产生贯穿性裂缝，给工程的耐久性和质量带来了极大的隐患[3]。据资料统计，地下室底板、顶板出现裂缝数量约占裂缝总数的10%，而地下室侧墙开裂的工程占被调查工程总数的85%以上，地下侧墙混凝土早期裂缝已成为裂缝控制的关键和难点[4]。

图1 某地下室工程的底板和侧墙混凝土的抗裂及渗水现象

利用膨胀剂在水化过程中产生适量的膨胀补偿水泥基材料的收缩，是解决大面积、大体积和超长结构混凝土裂渗问题的有效技术途径[5]。目前普遍采用钙矾石类膨胀剂配制补偿收缩混凝土，用于防裂、抗渗的地下侧墙混凝土结构；其作用机理在于与水泥中的成分发生反应生成钙矾石，从而产生膨胀[5-6]。但以钙矾石作为单一膨胀源的膨胀剂，存在膨胀速率慢、膨胀效能低、水化产物不稳定、高温易分解、水化需水量大、对养护湿度要求较高等问题[7-9]。氧化钙-硫铝酸钙类高效膨胀剂是近年来补偿混凝土收缩和裂缝控制领域研究的热点，相比传统钙矾石类膨胀剂，对外界环境湿度要求低、水化需水量小、膨胀效能大，更适用于以用水量低、结构致密为显著特征的C50以上高性能混凝土的要求[10]。

本文主要研究不同养护条件下氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂对某地下室侧墙用C50混凝土变形性能及抗渗性能的影响，为氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂在地下空间侧墙混凝土结构工程中的应用提供技术支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥：盘固水泥厂生产的P·Ⅱ52.5水泥；粉煤灰：镇江华能电厂Ⅰ级粉煤灰；砂：天然河砂，细度模数2.68；骨料：5~25 mm连续级配花岗岩碎石；减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA系聚羧酸高性能减水剂；膨胀剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的HME-Ⅳ混凝土高效膨胀剂（以下简称膨胀剂），为氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型品要求。水泥和膨胀剂的主要化学成分见表1。

表1 水泥和膨胀剂的主要化学成分 %

1.2 配合比

C50强度等级的混凝土配合比如表2所示。膨胀剂采用内掺方式，分别为胶凝材料总质量的6%、8%、10%、12%。通过减水剂等外加剂控制混凝土的坍落度在160~200 mm，含气量2.0%~4.0%。

表2 掺膨胀剂的C50强度等级混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 不同恒温养护条件下C50混凝土的限制膨胀测试

混凝土限制膨胀参照GB/T 23439—2017进行测试，每个配比成型6条带φ10 mm钢筋限制器的100 mm×100 mm×300 mm限制膨胀混凝土试件，用于测试20、40℃水养条件下混凝土的限制膨胀率。试件在温度为（20±2）℃，抗压强度3~5 MPa脱模，测完初长后分别立即放入（20±2）℃、（40±2）℃的恒温水槽内。待到规定龄期测试长度。

40℃水养条件的混凝土试件在测完初长后立即放入（40±2）℃的恒温养护水槽内养护，到测试龄期后取出放入标准养护室[温度（20±1）℃、相对湿度＞95%]中自然冷却至室温（冷却时间约3 h，不可浇水急冷）。冷却后的试件在标准干养室[温度（20±1）℃、相对湿度（60±5）%]中测量长度，测试完立即放回原养护温度水中继续养护至下一测试龄期。

1.3.2 不同恒温养护条件下C50混凝土的自生体积变形

混凝土自生体积变形参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行测试。将混凝土密封试件分别放入标准养护室[温度（20±1）℃、相对湿度（60±5）%]和高温养护室[温度（40±1）℃、相对湿度（75±5）%]内，待到规定龄期进行长度测试。

恒温20℃混凝土自生体积变形的零点选取混凝土在标准养护室[温度（20±1）℃、相对湿度（60±5）%]的初凝时间；恒温40℃混凝土自生体积变形的零点选取混凝土在高温养护室[温度（40±1）℃、相对湿度（75±5）%]的初凝时间。

1.3.3 侧墙结构C50混凝土的变形性能测试

采用南瑞集团NZS-15G2型差动电阻式应变计监测50cm厚侧墙C50混凝土的变形和温度历程，应变计埋置于墙的长、宽和高的中心位置。

1.3.4 掺膨胀剂C50混凝土的抗渗性能测试

抗渗性试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，混凝土浇筑于钢模约束的圆台体中，至养护龄期28 d后拆模进行抗渗试验。

2 结果与讨论

2.1 不同掺量膨胀剂对C50混凝土限制膨胀率的影响

20℃、40℃水养护条件下，分别掺0、6%、8%、10%和12%膨胀剂的C50混凝土的限制膨胀率如图2所示。

图2 不同膨胀剂掺量下C50混凝土的水养限制膨胀变形

由图2可见，20℃水养护条件下，随着氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂掺量的增加，C50混凝土的限制膨胀率增大。40℃水养护条件下，试件在3d内迅速膨胀，6%~12%膨胀剂掺量下膨胀均发生在10d前，但膨胀持续时间随膨胀剂掺量的增加而延长。

图3为扣除基准C50混凝土变形后，由不同掺量膨胀剂产生的混凝土水养限制膨胀变形。

图3 扣除基准C50混凝土变形后不同掺量膨胀剂产生的水养限制膨胀变形

对比20℃和40℃时的最终限制膨胀率发现，2种温度下由掺膨胀剂产生的最终限制膨胀率有较大差别。2种养护温度下，最终限制膨胀率均随着膨胀剂掺量的增加而增大，20℃水中养护至28 d时，掺6%、8%、10%、12%膨胀剂的C50混凝土产生的最大膨胀变形率分别为 142×10-6、257×10-6、319×10-6、379×10-6。40℃水中养护至 28 d时，掺 6%、8%、10%、12%膨胀剂的C50混凝土产生的最大膨胀变形率分别为51×10-6、188×10-6、298×10-6、432×10-6。

20℃水中养护14 d，内掺8%膨胀剂的C50混凝土限制膨胀率达到267×10-6，已符合JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》中墙体结构部位的限制膨胀率设计取值。

2.2 不同掺量膨胀剂对C50混凝土自生体积变形的影响

不同温度密封养护条件下，不同膨胀剂掺量的C50混凝土自生体积变形测试结果如图4所示。

图4 不同膨胀剂掺量下C50混凝土的自生体积变形

由图4可见，在20℃密封养护条件下，膨胀持续时间随膨胀剂掺量的增加而延长，6%掺量时膨胀持续至5 d，8%掺量时膨胀持续至10 d，10%掺量时膨胀持续至15 d，12%掺量时膨胀持续至20 d左右，此后基本不变；而40℃密封养护条件下，膨胀剂在1 d内即迅速膨胀，6%~12%掺量下膨胀均仅发生在3 d之前，此后基本不变。说明温度由20℃升至40℃使得膨胀剂水化膨胀速率显著加快，在极短时间内即水化膨胀完全。

由膨胀剂产生的最终膨胀量随着膨胀剂掺量的增加而增大，20℃密封养护下，掺8%膨胀剂的C50混凝土产生96×10-6的最大膨胀，掺10%膨胀剂的C50混凝土产生227×10-6的最大膨胀。

2.3 不同掺量膨胀剂对C50混凝土抗渗性能的影响

掺膨胀剂的C50混凝土浇筑于钢模约束的圆台中，并置于20℃标准养护箱内。用逐级加压法测试抗渗性能，掺膨胀剂混凝土及基准C50混凝土在水压加至1.2 MPa时，试件表面均未出现渗水现象。采用渗水高度法测试掺膨胀剂的C50混凝土抗渗性能，试验水压力恒定在1.2 MPa。表3为28 d龄期C50混凝土的抗渗性能。

表3 约束条件下不同膨胀剂掺量C50混凝土的渗水高度

由表3可见，与未掺膨胀剂的C50ref混凝土相比，掺入膨胀剂的C50混凝土平均渗水高度均有不同程度的降低。膨胀剂掺量在0～12%范围内，随着膨胀剂掺量增加，C50混凝土的抗渗性能明显提升。

2.4 掺8%膨胀剂某地下室侧墙C50混凝土的变形

掺8%膨胀剂地下室侧墙C50混凝土的变形和温度历程如图5所示。

图5 某地下室侧墙C50混凝土的变形和温度历程

由图5可见，以初凝为零点，C50ref基准混凝土温升阶段产生97×10-6的膨胀变形，温升速率为15.4℃/d，温峰值31.4℃，自浇筑起的最大温升12.1℃，18 d龄期产生-48×10-6变形；掺8%膨胀剂的C50混凝土温升阶段产生184×10-6膨胀变形，温峰值31.5℃，自浇筑起的最大温升12.1℃，18 d龄期产生41.68×10-6变形。掺8%膨胀剂的地下室侧墙C50混凝土18 d龄期内的处于膨胀状态。

3 结论

（1）20℃水养护条件下，随着氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂的掺量增加，C50混凝土的限制膨胀率增大。20℃密封养护下，在C50混凝土中，8%膨胀剂产生96×10-6的最大膨胀，10%膨胀剂产生227×10-6的最大膨胀。20℃水中养护14 d，内掺8%膨胀剂的C50混凝土的限制膨胀率达到267×10-6，已符合JGJ/T 178—2009中墙体结构部位的限制膨胀率设计取值。

（2）与未掺膨胀剂的C50混凝土相比，掺入膨胀剂的C50混凝土的平均渗水高度均有不同程度的降低。约束条件下，膨胀剂掺量在0~12%范围内，随着膨胀剂掺量增加，C50混凝土的抗渗性能明显提升。

（3）掺8%膨胀剂的地下室侧墙C50混凝土温升阶段产生184×10-6膨胀变形，温峰值31.5℃，自浇筑起的最大温升12.1℃，18 d龄期产生41×10-6变形。掺8%膨胀剂的地下室侧墙C50混凝土18 d龄期内处于膨胀状态。