抗裂剂在海工大体积混凝土中的应用研究

2021-02-23谢彪徐文王育江张坚吴玲正

新型建筑材料 2021年1期

谢彪，徐文，王育江，张坚，吴玲正

（1.东南大学，江苏南京 211103；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 211103；3.深中通道管理中心，广东中山 528400）

0 前言

身处海洋环境的大体积混凝土一旦出现开裂问题，海水的侵蚀会加速钢筋混凝土劣化。国内对于海洋大体积混凝土的裂缝控制主要是以铺设冷却水管及混凝土控温等技术进行大体积混凝土控裂施工，通过降低混凝土入模温度、混凝土温峰值、减小混凝土里表温差及环境温差等方法抑制混凝土温度裂缝的形成，其中GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》对大体积混凝土温控施工做出了详细的规定。但大量工程统计表明，对于某些强约束、自收缩较大的结构，即使进行了极其严格的温控措施，混凝土结构面依然会或多或少的出现裂缝，而这些裂缝的存在将会导致海工大体积混凝土劣化加剧，对结构的整体稳定性不利。

混凝土开裂是复杂的多因素耦合作用过程，在大体积混凝土控裂设计中，设计单位通常仅是考虑温降作用引起的收缩开裂，但实际过程往往要复杂得多[1-2]。混凝土的开裂通常可以总结为混凝土的收缩受到约束时（既有内约束也有外约束），其产生的拉应力大于极限抗拉强度，混凝土就会开裂[3-5]。混凝土的应变变形大小是混凝土开裂与否的重要参数，当然引起混凝土应变的驱动力包括温度应力、干缩变形、自收缩和碳化收缩等，对于某些大体积且约束较大的部位，各种收缩变形是相互叠加的，单纯的温控措施往往很难达到混凝土控裂的目的。

采用由特殊工艺制备的抗裂剂，通过降低胶凝材料早期水化放热速率以及分阶段全过程补偿混凝土收缩变形的双重调控技术，能有效延缓水泥水化放热、降低大体积混凝土的温峰值；同时，由全过程微膨胀性能补偿混凝土收缩时产生的拉应力，从而到达混凝土控裂的目的。总体上可以简化温控措施（不布置冷却水管）、加快施工进度、降低工程成本，对于大体积混凝土控裂施工具有重要意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺P·Ⅱ42.5S水泥；砂：细度模数为2.6的赣江Ⅱ区中砂，含泥量小于2.0%；碎石：5～25 mm连续级配，粒形良好、质地坚硬、线膨胀系数小的洁净碎石；粉煤灰：谏壁Ⅰ级粉，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的F类Ⅰ级要求；矿粉：唐山S95级矿渣粉，比表面积不大于500 m3/kg；减水剂：江苏苏博特减缩型高性能聚羧酸减水剂，减水率26.3%，固含量20%；抗裂剂：由氧化钙、轻烧氧化镁及水化热调控材料复合而成，江苏苏博特新材料股份有限公司；拌合水：自来水。

1.2 配合比设计

本工程为身处海洋环境的隧道侧墙结构，侧墙厚度达1.5 m，分段浇筑长度20 m，属于典型的海工大体积混凝土，因侧墙结构浇筑在底板之上，侧墙大体积混凝土在温降阶段会受到先浇底板的约束，导致侧墙内应力集中，在混凝土内约束及底板外约束的作用下，混凝土容易开裂。

针对上述情况，该海工大体积混凝土结构设计强度为C28d45、C56d50，抗裂混凝土设计原则为低温升，并具有一定微膨胀性，具有收缩补偿作用。实际配合比参考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的设计原则及GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》、JTS 202-2—2011《水运工程混凝土质量控制标准》的要求进行合理设计，经综合考量，混凝土设计配合比如表1所示。

表1 大体积混凝土的配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 抗裂剂对高性能减水剂和混凝土强度的影响

内掺抗裂剂，使其取代8%的胶凝材料（取代34 kg/m3矿粉），混凝土水胶比均为0.34，减水剂掺量以占胶凝材料质量百分比计，具体掺量根据混凝土拌合物坍落度为200 mm进行确定，其它材料种类及用量不变。混凝土的性能如表2所示。

表2 掺减缩型聚羧酸减水剂和高效抗裂剂混凝土的性能

对比1#（普通混凝土）、2#（抗裂混凝土）试验组可知，掺入抗裂剂后，为保持相同混凝土流动性，减水剂掺量需稍微增加，这可能是由于抗裂剂粉体对聚羧酸分子有一定的吸附作用，使拌合时的有效减水剂量降低，可通过减水剂掺量进行调整，但总体对于混凝土的工作性影响不大。从强度数据可知，1#、2#混凝土的强度均满足设计要求，掺抗裂剂组7 d及28 d的强度比未掺抗裂剂略低，但56 d强度高于1#对比组。这是由于抗裂剂具有水化热调控作用，在保证总放热量基本不变的前提下，延缓早期水泥水化放热速率。因此，2#掺抗裂剂的混凝土早期抗压强度低于1#，但随着水化的持续进行，2#混凝土56 d抗压强度略高于1#。

2.2 抗裂剂对海工混凝土氯离子渗透系数的影响

在海工大体积混凝土中，除了温降和自收缩等原因引起的混凝土开裂破坏外，钢筋混凝土由于受到氯离子侵蚀而引起的劣化破坏也是需要重点关注的方面[6-8]，其中氯离子渗透系数是直接反应混凝土抗氯离子渗透性能的重要参数。按表1配合比，根据RCM法进行氯离子渗透系数测试，2组混凝土试件1#、2#的氯离子渗透系数分别为2.9、1.8×10-12cm/s。

试验结果表明，掺入抗裂剂后，混凝土的氯离子渗透系数较未掺时减小，说明掺抗裂剂能提高混凝土的抗氯离子渗透性能。这主要是由于抗裂剂的膨胀作用可以影响骨料和水泥砂浆的结构面结构、硬化水泥浆体孔结构，改善混凝土浆体孔径分布，减少连续孔，进而降低混凝土的孔隙率，使得结构密实度提高[9-11]，从而提高海工混凝土的抗氯离子渗透性能，防止氯离子对钢筋混凝土的侵蚀破坏。

2.3 抗裂剂的水化热调控作用

大体积混凝土抗裂研究中，配合比除应满足强度等级外，还应该尽可能的降低混凝土绝热温升值。具有较低绝热温升的大体积混凝土，在温降过程中温降幅度更小，混凝土自身受到的温度应力也就越小，对整体结构抗裂性能的提升有利。本工程通过抗裂剂的水化调控作用，延缓水泥水化速率，使胶凝材料放热量在更长的时间内释放，同时利用结构敞开面的自身散热，最终实现实体工程结构最高温峰值的降低，从而降低结构开裂风险。为对比抗裂剂的水化热调控效果，按表1配合比（下同）进行普通混凝土与抗裂混凝土绝热温升对比试验，结果见图1。

图1 抗裂混凝土的绝热温升试验结果

从图1可以看出，抗裂混凝土不同阶段的绝热温升均明显低于普通混凝土，具体特征温升统计值如表3所示。

表3 混凝土绝热温升特征值 ℃

由表3可见，抗裂剂对水泥水化放热调控作用明显。3 d时普通混凝土绝热温升42.16 ℃，而抗裂混凝土绝热温升仅为28.56 ℃，极大的延缓早期水泥水化放热速率；9 d时普通混凝土绝热温升为45.35 ℃，而抗裂混凝土绝热温升为42.24。结合图1分析可知，普通混凝土绝热温升已基本持平，抗裂混凝土绝热温升仍有一定的上升趋势，抗裂剂的水化调控作用仅仅是将放热历程延长，而对最终总放热量影响不大，这也与表2所示早期强度略微降低、后期强度逐渐赶超的发展规律相符合。

2.4 抗裂剂对海工混凝土膨胀历程调控作用

在许多收缩膨胀性能测试标准中，往往能发现测试方法基本与实际工况条件是无法完全匹配的，试验测试的收缩膨胀值仅能反映产品的性能是否符合标准指标。但值得一提的是，实际的施工工况是复杂的，混凝土温度场更是变化的，为了解恒温实验室条件下测试的收缩膨胀指标是否合适指导施工应用，对海工混凝土在实体结构中的应变变形规律进行研究，通过模拟实际温度场，测试普通海工混凝土和抗裂海工混凝土的变温变形规律，试验结果如图2～图4所示。

图2 变温变形试验结果

由图2可见，在变温条件下，混凝土应变变形先增大后减小，变形最大值出现在3 d的温峰处，其中普通混凝土最大应变值262.5 με，而抗裂混凝土最大应变值为600.0 με，这说明掺抗裂剂混凝土在温升阶段比普通混凝土多膨胀337.5 με，早期温升阶段的膨胀，混凝土结构在受到约束时会产生预压应力，这部分压应力会储存在结构中，对抵抗后期温降阶段的收缩变形是有利。混凝土温峰过后，混凝土温度开始降低，混凝土的应变值也随之降低，其中普通混凝土在14 d的变形已经为负值-108.5 με，此时混凝土受力状态为拉应力，而抗裂混凝土的应变变形依然为正值353.9 με。

图3 温升变形试验结果

图4 温降变形试验结果

目前市场上有许多抗裂剂掺与不掺效果差别不大，甚至有时掺抗裂剂裂缝更多，然而它们的检测指标都合格。究其原因，是因为许多抗裂剂的膨胀性能在温升阶段就已经反应殆尽，后期对混凝土并未发挥收缩补偿作用，甚至会引起更大的收缩，因此才会出现相反的效果。在膨胀历程调控中，膨胀性能不仅仅只在温升阶段发挥，还需要在温降阶段发挥持续膨胀的能力，以补偿温降阶段的混凝土收缩变形。对温升和温降过程分段进行分析可知：在温升阶段（见图3）普通混凝土和抗裂混凝土单位温度变形值分别为9.1 με/℃和4.0 με/℃，说明抗裂剂在温升阶段已经开始发挥膨胀作用；在温降阶段以温峰顶点为0点开始作图（见图4），普通混凝土和抗裂混凝土的最终收缩值分别为-364.1 με 和-246.0 με，说明抗裂混凝土在收缩阶段依然在进行收缩补偿，补偿收缩应变值达118.1 με，此结果符合预期，对裂缝控制是有利的。