防裂抗渗复合材料对地铁结构混凝土裂缝控制及其耐久性研究

刘映凯，陈晓晖，杨炳勇，郭海峰(.中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海 00000；. 不二新材料科技有限公司，江苏 如皋 654）

地铁是节省土地、减少噪声、减少干扰、节约能源、减少污染的一种交通方式。地铁工程属大体积地下工程，技术复杂，投资巨大，设计年限长。地铁混凝土除强度等级要满足结构要求外，更需要注重耐久性，开裂渗漏是影响耐久性的主要因素。因此，相比于普通混凝土而言，用于地铁建设的混凝土需要具备更高的耐久性能，对混凝土主要技术指标、配合比设计及相应的制备和技术均有更高要求。

1 DW-2 防裂抗渗复合材料特点

DW-2 防裂抗渗复合材料能通过优质合成纤维“桥接效应”，有效降低早期塑性开裂，提高整体体积稳定性；利用高功能粉体材料改变水泥水化过程和水化产物的颗粒形貌及空间排列，有效提高混凝土拌合物和易性、致密性、抗渗性能；高功能粉体材料能起到锁水作用，降低孔隙水的表面张力，减少毛细孔失水产生的收缩应力。另外，其能增大混凝土中孔隙水的黏度，增强水在混凝土胶体中的吸附作用，减少混凝土的收缩应力；高功能粉体材料有效降低混凝土水化绝热温升，减少因温度应力而产生的开裂。

2 配合比设计

通过比对江苏省南通市地铁 1 号线青年路站点工程实际使用的强度等级为 C 35 的混凝土（以下简称 A）与在 A 里掺加 DW-2 防裂抗渗复合材料（以下简称 B）的混凝土，通过对 A 、B 两种混凝土的拌和物配合比、力学性能、变形性能、耐久性能、早龄期收缩裂缝性能进行对比试验，研究其对地铁站点混凝土性能的改善效果。

2.1 配合比

A、B 两种混凝土配合比对照详见表 1。

2.2 试验方法及判定依据

混凝土试件的试验方法，根据 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定执行。判定依据为 T/CECS 10001—2019《用于混凝土中的防裂抗渗复合材料》。

表1 A、B 两种混凝土配合比对照表

2.3 试件制备及测试

平板压缩开裂试验试块尺寸为 8 0 0 m m×6 0 0 mm×100 mm，混凝土试件(抗压、劈裂抗拉试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，渗透高度试件为Φ150 mm×175 mm×185 mm 的圆锥体试件），回缩试验用砂浆试块尺寸为 40 mm×40 mm×160 mm。通过搅拌、振捣、抹平成型后，在标准养护室内养护 24 h 后脱模。试件脱模后，在标准养护室养护至各龄期，进而分别测试 7 d、28 d 混凝土试件的抗压、劈裂抗拉和 28 d 混凝土试件的渗透高度，并进行混凝土早龄期抗裂性等测试试验。

3 试验结果与讨论

3.1 DW-2 对混凝土拌和物性能的影响

新拌混凝土性能试验结果见表 2 。经过拌和试验及拌和物出机口性能试验，所拌和配合比 A 及 B 坍落度及塌损均在控制范围内，B 无塌损且扩展度增加了 30 mm，说明 B 比 A工作性好。B 比 A 的终凝时间延长 7 h，说明 B 比 A 的水化热绝热温升峰值大大延缓。

表2 新拌混凝土性能试验结果

3.2 DW-2 对混凝土力学性能的影响

依据 GB/T 50081—2002 进行标准养护（温度为20±2℃、相对湿度＞95%）。达到相应试验龄期后，对照 T/CECS 10001—2019 进行各项指标检测。混凝土力学性能分析表见表 3。从表 3 可以看出，掺加 DW-2 材料的混凝土7 d、28 d 抗压强度、劈裂抗拉强度有所增长；抗渗能力明显增加，说明混凝土的密实度明显提高；相对耐久性显著提高。

表3 混凝土力学性能分析表

3.3 DW-2 对砂浆回缩变形的影响

从各龄期试验结果可以看出， A 及 B 回缩规律正常；由于 DW-2 材料的掺入，B 各龄期回缩率明显低于 A。砂浆回缩试验结果见表 4，回缩率与龄期关系见图 1。

表4 砂浆回缩变形试验结果（×10-6）

图1 砂浆回缩与龄期关系图

从图 1 可看出，掺加 DW-2 防裂抗渗复合材料与基准相比可以明显降低水泥胶砂的回缩，两周的回缩可以比基准降低 22.4%。

4 实际工程应用

4.1 实测温度场和应力场变化

使用 2 个振弦式应变传感器，分别将其置于 A 和 B 混凝土浇筑体内。选取地下混凝土工程典型部位，对工程现场进行温度场、应变场实时监测，指导混凝土工程养护，建立仿真模型,对开裂的可能性进行预测。A 配合比混凝土应力分布、温度与养护时间关系分布见图 2，B 配合比混凝土应力分布、温度与养护时间关系分布见图 3。由图 2 和图3 对比可见：B 混凝土温度峰值比 A 降低 4 K。A 在 9 h 达到应力峰值 90.38 微应变，B 在 27 h 达到应力峰值 68.12微应变。由此可见，与 A 相比 B 峰值到来的时间比延缓 18 h，且峰值降低 22.26 微应变。B 应力变化比较平缓，A 在第 8 d 成断崖式下降。数值显示，A 应变计所在位置在 1 d和 8 d 可能出现较大的开裂风险。实际情况是，A 出现很多开裂并且渗漏；B 施工的混凝土共 2 648 m2，至今没有渗漏，仅发现 3 条长度 ＞3 000.0 mm、宽度 ＜0.2 mm 的裂缝（其中有 2 条出现在端头井距离 3 m 的 2 个壁柱中间），数条长度 ＜100.0 mm 的裂纹。所有裂纹开裂面积总计1 814.65 mm2。对照 GB 50164—2011《混凝土质量控制标准》的 L-V 级（最高），即开裂面积占比 ≤100 mm2/m2的要求，掺防裂抗渗复合材料的地铁侧板墙的开裂面积占比只有 0.685mm2/m2。对照 T/CECS10001—2019 标准，裂缝降低系数达到 99.99993%，接近 100%。

图2 A 配合比混凝土应力分布、温度与养护时间关系分布

图3 B 配合比混凝土应力分布、温度与养护时间关系分布

4.2 现场实体强度回弹检测

B 实体 28 d 回弹强度见表 5，平均值为 39.42 MPa，标准偏差为 2.46 MPa，推定值为 36.96 MPa。结果表明，28 d实体强度满足设计要求。

表5 B 实体 28 d 回弹强度 MPa

5 结 语

本次研究得出的试验结果表明 B 配合比的混凝土相对于A 配合比的混凝土有下列优势。

(1) B 配合比的混凝土相对于 A 的坍落度没有影响，且没有经时损失，1 h 扩展度略有增加。凝结时间延缓 7 h，能够提高混凝土密实度，和易性好，泌水率小。

(2) 各项力学性能有较大幅度的提高：裂缝降低系数100%，7 d 抗压强度提高 109%，28 d 强度提高 102%，劈裂抗拉强度提高 104%，渗透高度提高 37%，相对耐久性提高 92%。

(3) 实际工程 28 d 实体强度为 36.96 MPa，达到设计要求。与 A 相比现场监测混凝土温度峰值下降 4 K，应力峰值延缓了 18 h，且降低了 22.26 微应变。

(4) 对照 GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》，现场 B 混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值为 18.4 K，≤50.0 K；混凝土浇筑体里表温差为 12.5 K，≤25.0 K；混凝土浇筑体降温速率为 3.2 K/d，＞2.0 K/d；拆除保温覆盖时混凝土浇筑体表面与大气温差为 7.3 K，≤20.0 K。由此可见，如果重视养护，加强保温措施使降温速率≤2.0 K，混凝土浇筑体的效果将会更加完美。

综上所述，DW-2 防裂抗渗复合材料能改善混凝土在地铁施工环境中的成型效果，大幅减少混凝土表面裂缝的产生，同时提高了地下结构抗渗性能。