抗裂剂对钢壳混凝土收缩及热学性能的影响

齐 鹏，李海亮，程景瑜，胡 冲，陆安群

(1.中交二公局第二工程有限公司，陕西 西安 710119; 2. 江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008)

0 引言

南京长江五桥跨江主桥采用纵向钻石型索塔中央双索面三塔组合梁斜拉桥[1]。主塔采用钢壳混凝土结构。混凝土与钢构成现代建筑结构的两种最重要的建筑材料。钢壳混凝土是钢壳内填充混凝土而成的钢-混凝土组合结构。钢壳内的混凝土受到钢壳的侧向约束处于三维受力状态，抑制脆性破坏，提高了抗压强度；同时克服了钢结构易局部屈曲的缺点。钢壳混凝土组合桥塔综合发挥了钢与混凝土材料性能的优势，具有抗震性能好、结构阻尼大、抗风性能优越，使桥塔结构在整体力学性能上有极大优势[2]。

钢壳与其核心混凝土间的协同互补作用是钢壳混凝土具有的一系列突出优点的根本所在。钢壳混凝土浇注后，内部填充的混凝土与外部钢壳壁是直接粘接的。但由于混凝土自身的收缩变形(主要是自收缩、温度收缩)及徐变，随着时间的推移，混凝土与钢管壁极易产生严重的脱空、脱黏问题。钢壳混凝土浇注后是否脱空直接影响到构筑物的承载力和钢管混凝土的复合弹性模量，从而影响到构筑物的安全性及能否正常工作。如何补偿或抑制混凝土的收缩变形及徐变，防止混凝土-钢壳界面损失(脱空、脱黏)，成为工程界关注的热点。

南京长江五桥塔柱为C50大体积混凝土结构。C50大体积混凝土绝热温升高，如不控制大体积混凝土温升，极易因较大的温降收缩和内表温差大而产生收缩应力，从而导致核心混凝土开裂和混凝土-钢壳脱空。因此，需对混凝土采用合理的温度控制措施，设计要求混凝土内部温度不大于65 ℃。

利用膨胀组分在水化过程中产生的体积膨胀补偿混凝土的收缩，是防止钢壳与核心混凝土脱空，提高钢壳混凝土的结构稳定性的重要措施之一。目前钢壳混凝土结构的高性能混凝土常采用低碱型UEA类膨胀剂，此类膨胀剂存在膨胀效能低和水化速率快的问题，难以有效补偿钢壳混凝土的自收缩、温降收缩和徐变引起的收缩。采用具有补偿收缩作用的抗裂材料是制备低温升、高抗裂的无收缩混凝土的关键。

本研究根据南京长江五桥索塔设计要求，研究具有温控效果的复合抗裂剂对索塔用钢壳混凝土的变形及热学性能的影响规律，为南京长江五桥钢壳混凝土的无收缩和温控提供技术支撑，从而保证工程质量。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺P·Ⅱ42.5型硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰；矿粉：梅宝S95粒化高炉矿渣粉；骨料：5～16及16～25 mm级别碎石；砂：Ⅱ区河砂，细度模数2.8；外加剂：江苏某聚羧酸盐减水剂。抗裂剂采用江苏某材料股份有限公司制备的具有温控、防渗效果的高效抗裂剂。原材料化学成分见表1。

表1 水泥和矿物掺合料的化学成分(单位:wt%)Tab.1 Chemical composition of cement and mineral admixture (unit: wt%)

江苏某材料股份有限公司制备的抗裂剂具有温度场和膨胀历程双重调控的技术特征。一方面利用温升抑制材料，降低水泥水化加速期的放热速率(缓凝剂主要延长诱导期时间)，避免早期水化放热过于集中，达到降低混凝土结构温升、温降收缩，进而降低温度开裂风险。另一方面，基于实体结构变形历程特点，利用不同膨胀特性的膨胀组分实现分阶段、全过程(温升阶段、温降阶段及硬化后期阶段)的补偿收缩。此外，温升抑制材料和膨胀组分复合，在延缓结构的升温速度的同时，可避免膨胀组分膨胀速率过快，为建立有效膨胀和膨胀压应力的储存赢得时间，增强其全过程补偿收缩效果。上述抗裂剂材料技术特点如图1所示。

图1 抗裂剂的温升抑制、微膨胀功能的技术特点Fig.1 Technical characteristics of temperature rise inhibition and micro-expansion function of anti-cracking agent

1.2 配合比

南京长江五桥索塔C50混凝土的配合比在满足相应的力学性能的同时，需兼顾抗裂性能。通过减水剂等外加剂控制C50混凝土坍落度在220～240 mm，扩展度控制在550～600 mm。表2为设计的中上塔柱及中下塔柱C50混凝土的配合比。抗裂剂采用内掺、替代粉煤灰的方式。

表2 中上塔柱及中下塔柱C50混凝土的基准配合比(单位：kg/m3)Tab.2 Benchmarking mix proportion of C50 concrete for middle upper pillar and middle lower pillar (unit: kg/m3)

1.3 试验方法

1.3.1 标准养护条件下的C50混凝土的力学性能

混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试。

1.3.2 20 ℃条件下C50混凝土的限制膨胀率

JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》指出，混凝土限制膨胀率是指混凝土的膨胀被钢筋等约束体限制时导入钢筋的应变值。混凝土限制膨胀率参考GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》测试，每个配比成型6条带Φ10 mm钢筋纵向限制器的100 mm×100 mm×300 mm限制膨胀混凝土试件，用于测试20 ℃水中养护、绝湿条件下混凝土的限制膨胀率。试件在温度为(20±1) ℃，抗压强度3～5 MPa 脱模，测完初长后3条试件立即放入(20±1) ℃ 恒温水中，3条试件用锡箔纸密封后放入(20±1) ℃的室内。待到规定龄期测试长度。混凝土的绝湿条件下的限制膨胀率，试验方法参考GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》的混凝土限制膨胀率试验方法。绝湿条件下混凝土的限制膨胀率测试，如图2所示。绝湿条件是指混凝土与外界环境无任何湿度交换的条件。

图2 绝湿条件下混凝土的限制膨胀率测试装置Fig.2 Test device for restrained expansion rate of concrete under condition of absolute humidity

1.3.3 20 ℃条件下C50混凝土的自生体积变形

混凝土自生体积变形是指混凝土在恒温绝湿情况下由于混凝土胶凝材料自身水化引起的体积变形。

混凝土自生体积变形参考SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行测试。混凝土试件放置于标准养护室[温度(20±1) ℃、相对湿度(60±5)%]内。混凝土的自生体积变形测试采用BT©-AS100混凝土自收缩应变测试仪，如图3所示。混凝土自生体积变形的0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。

图3 BT©-AS100混凝土自收缩应变测试仪Fig.3 BT©-AS100 concrete self-shrinkage strain gauge

1.3.4 C50混凝土的热学性能

混凝土绝热温升采用舟山市某科技开发有限公司BY-ATC/JR型绝热温升测定仪测试。

1.3.5 模拟塔柱温度历程的C50混凝土的变形

在强度、限制膨胀率、自生体积变形及绝热温升测试的基础上，基于理论计算的模拟某段塔柱温度历程，监测C50混凝土的变形。采用某集团NZS-15G2型差动电阻式应变计监测变形。

2 结果与讨论

2.1 不同掺量抗裂剂对C50混凝土的力学性能的影响

表3为掺不同掺量抗裂剂的C50混凝土的抗压强度发展趋势。不同配合比的混凝土自由试块7 d的抗压强度在41.3～50.5 MPa，28 d的抗压强度在53.5～60.1 MPa，60 d的抗压强度在60.9～66.5 MPa。根据南京长江五桥设计要求C50混凝土配制60 d抗压强度应59.9 MPa。各组配合比均能满足其强度要求。

表3 掺不同掺量抗裂剂的C50混凝土的抗压强度(单位：MPa)Tab.3 Compressive strength of C50 concrete mixed with different amounts of anti-cracking agent (unit: MPa)

在总胶材料450 kg/m3、水泥用量245 kg/m3的配合比中，随着抗裂剂掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐降低；与1#-C50ref相比，1#-C50-30(内掺30 kg/m3)和1#-C50-35(内掺35 kg/m3)的抗压强度分别降低4.5%，5.0%。掺入抗裂剂的混凝土7 d 强度相比1#-C50ref基准混凝土降幅在11.5%～16.1%，掺抗裂剂的混凝土后期强度增长幅度明显高于基准混凝土。总胶材料450 kg/m3、水泥用量225 kg/m3的2#配合比中，随着抗裂剂掺量的增加，混凝土抗压强度的变化规律与1#配合比的规律相似。

通过对比各配合比各龄期强度发展规律可见，与基准组相比，掺入具有温控效果的抗裂剂的混凝土早期强度增长较慢，尤其在7 d以内，强度发展较慢；7 d后混凝土强度持续增长，其增幅超过基准混凝土。其原因是具有温控效果的抗裂剂延缓了水泥加速期的水化放热速率，但并未影响水泥的最终放热量的；宏观表现出掺抗裂剂的混凝土早期强度相对低些，但后期强度增长幅度明显超过基准混凝土。随着龄期的增长，胶凝材料持续水化，掺抗裂剂的混凝土的强度继续增长。南京长江五桥的C50钢壳混凝土的强度参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试。实体钢壳混凝土结构中，由于掺抗裂剂的混凝土体积膨胀，在钢壳约束条件下，混凝土内部孔隙减少、混凝土结构更加致密，其强度明显高于基准混凝土。

2.2 不同掺量抗裂剂对C50混凝土的限制膨胀率的影响

20 ℃水养条件下，总胶材料450 kg/m3，抗裂剂掺量分别为20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的限制膨胀率如图4所示。20 ℃水养条件下，随着抗裂剂掺量的增加，C50混凝土的限制膨胀率增大。在总胶材料450 kg/m3、水泥用量245 kg/m3的配合比中，掺20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的14 d限制膨胀率分别为1.69×10-4，2.48×10-4，3.19×10-4，3.57×10-4。总胶材料450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3的1#配合比的限制膨胀率和水泥用量225 kg/m3的2#配合比的限制膨胀率规律相近。

图4 20 ℃水养条件下不同抗裂剂掺量的C50混凝土的限制膨胀率Fig.4 Restrained expansion rate of C50 concrete with different anti-cracking agent contents under condition of water curing at 20 ℃

20 ℃水中养护14 d，内掺30 kg/m3抗裂剂的C50混凝土限制膨胀率达到3.0×10-4，达到JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》中后浇带、膨胀加强带等部位的限制膨胀率设计取值。

20 ℃绝湿条件下，总胶材料450 kg/m3，抗裂剂掺量分别为20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的限制膨胀率如图5所示。20 ℃水养条件下，随着抗裂剂掺量的增加，C50混凝土的绝湿限制膨胀率增大。不掺抗裂剂的C50混凝土在绝湿条件下28 d产生了限制收缩，其收缩量约3.0×10-4。若索塔钢壳混凝土收缩后，钢壳和混凝土存在极大的脱空风险。当掺入25 kg/m3抗裂剂，混凝土28 d表现出膨胀变形，但10 d后存在收缩趋势。当掺入30～35 kg/m3抗裂剂时，C50混凝土表现出微膨胀趋势，且后期也未产生明显的收缩趋势。

图5 20 ℃绝湿条件下不同抗裂剂掺量的C50混凝土的限制膨胀率Fig.5 Restrained expansion rate of C50 concrete with different anti-cracking agent contents under condition of absolute humidity at 20 ℃

在水养条件下，C50基准混凝土也表现出湿胀变形。在水养条件下，抗裂剂中的膨胀组分(氧化钙-硫铝酸钙等)可充分水化反应，表现出较大的膨胀变形。绝湿条件下，基准混凝土的变形主要由自生水化产生的化学减缩所引起的自收缩。氧化钙、硫铝酸钙的膨胀性能取决于混凝土孔溶液中水分含量及外界水的含量。图3表明此种抗裂剂产生较大膨胀变形，所需自由水量少，在绝湿条件下仍可产生较大的膨胀变形。

2.3 不同掺量抗裂剂对C50混凝土的自生体积变形的影响

20 ℃条件下，总胶材料450 kg/m3，抗裂剂掺量分别为20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的自生体积变形如图6所示。20 ℃密封养护条件下，膨胀持续时间随抗裂剂掺量的增加而延长，膨胀量随着抗裂剂掺量增加而增长。图6(a)可知，以初凝为0点，未掺抗裂剂的C50基准混凝土(1#-C50ref)28 d的自收缩约2.30×10-4。每方混凝土掺入20 kg/m3抗裂剂时，混凝土28 d的变形仍处于收缩状态。每方混凝土掺入25 kg/m3抗裂剂时，混凝土28 d内的变形处于膨胀状态，其最大膨胀变形(7 d)为0.96×10-4；随着龄期增长，混凝土的膨胀变形变小，28 d的膨胀变形为0.19×10-4。每方混凝土掺入30 kg/m3抗裂剂时，混凝土28 d的变形处于膨胀状态，其最大膨胀变形(14 d)为1.93×10-4，且后期变形趋于稳定。每方混凝土掺入35 kg/m3抗裂剂时，混凝土28 d内的变形处于膨胀状态，其最大膨胀变形(14 d)为2.43×10-4，后期变形趋于稳定，28 d的膨胀变形为2.29×10-4。总胶材料450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3的1#配合比的限制膨胀率和水泥用量225 kg/m3的2#配合比的限制膨胀率规律相近。

图6 20 ℃条件下不同抗裂剂掺量的C50混凝土的自生体积变形Fig.6 Autogenous volume deformation of C50 concrete with different anti-cracking agent contents at 20 ℃

钢壳混凝土的收缩变形以自收缩和温降收缩为主。若要混凝土不脱空，C50钢壳混凝土的变形需处于微膨胀状态。抗裂剂掺量较低时，抗裂剂产生的膨胀变形无法抵御混凝土的自收缩；抗裂剂掺量达到30 kg/m3时，抗裂剂的补偿收缩作用完全抑制了混凝土的自收缩。随着龄期的增长，混凝土中胶凝材料自身水化和抗裂剂的反应基本完全后，混凝土的体积变形趋于稳定。

南京长江五桥索塔工程，混凝土硬化阶段收缩主要以自收缩、温降收缩和长期徐变收缩为主。根据设计指标要求，混凝土在密封条件下28 d自由膨胀值达到1.0×10-4～2.0×10-4即可。结合C50混凝土的力学性能、限制变形、自由变形性能考虑，拟对比研究每方混凝土中加30 kg/m3，35 kg/m3抗裂剂的配合比的热学性能。

2.4 不同掺量抗裂剂对C50混凝土的热学性能的影响

C50混凝土水化热产生的温度变化梯度大，易使结构物表面产生裂缝。尤其是大体积混凝土施工过程中，水泥水化过程释放的水化热带来的温度变化和混凝土自身收缩共同作用，产生的较大的温度应力和拉应力，极易导致混凝土出现裂缝。在混凝土施工期间，如何降低水化热，控制混凝土内外温差和收缩裂缝是混凝土施工质量控制的重点。为此，对比研究了总胶材料450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂剂掺量分别为30 kg/m3和35 kg/m3的C50混凝土的绝热温升。

图7为总胶材450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂剂掺量分别为30 kg/m3和35 kg/m3的C50混凝土的绝热温升。由图7试验测试结果可知，C50基准混凝土9.2 d的绝热温升约50.5 ℃，基准混凝土掺抗裂剂30 kg/m3的混凝土9.2 d的绝热温升约44.2 ℃，基准混凝土掺抗裂剂30 kg/m3的C50混凝土9.2 d的绝热温升约43 ℃。随着抗裂剂掺量增加，混凝土9.2 d内的温升降低，且混凝土升温速率变缓，但温升值在持续上升。具有温控效果的抗裂剂，通过降低水泥水化热过程中的水化放热速率，延长水泥水化放热过程。充分利用结构散热条件，为混凝土结构散热换取时间，减缓水泥水化集中放热，减小温度升高和降低速率。混凝土入模温度约20 ℃，混凝土温升约44.2 ℃，满足索塔钢壳结构混凝土内部温度不大于65 ℃的设计要求。结合C50混凝土的力学性能、限制变形、自由变形、热学性能及经济性考虑，南京长江五桥索塔工程拟采用每方混凝土中加30 kg/m3抗裂剂的配合比(1#-C50-30，2#-C50-30)。

图7 C50混凝土绝热温升曲线Fig.7 Adiabatic temperature rise curves of C50 concrete

2.5 模拟某段塔柱温度历程的C50混凝土的变形

在强度、限制膨胀率、自生体积变形及绝热温升测试的基础上，基于理论计算的模拟某段塔柱温度历程，监测C50混凝土的变形。图8为总胶材450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂剂掺量为30 kg/m3的C50混凝土在变温条件下的变形。以初凝为0点，混凝土在温升阶段最大膨胀变形5.6×10-4；温降阶段，混凝土14 d后的变形趋于稳定。根据构件试验结果，掺入30 kg/m3抗裂剂的C50混凝土处于微膨胀状态。

图8 C50混凝土的温度-变形历程Fig.8 Temperature-deformation history of C50 concrete

3 结论

(1)针对南京长江索塔钢壳混凝土的无收缩、微膨胀要求，系统研究了具有温控效果的抗裂剂对C50混凝土的力学、恒温变形、热学性能及变温下的变形的规律。总胶材450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂剂掺量为30 kg/m3的C50混凝土能满足钢索塔不脱空的设计要求。

(2)掺入具有温控效果的抗裂剂的C50混凝土后期强度增幅超过基准混凝土。钢壳混凝土的收缩变形以自收缩和温降收缩为主。若要混凝土不脱空，C50钢壳混凝土的变形需处于微膨胀状态。抗裂剂掺量较低时，抗裂剂产生的膨胀变形无法抵御混凝土的自收缩；抗裂剂掺量达到30 kg/m3时，抗裂剂的补偿收缩作用完全抑制了混凝土的自收缩。随着龄期的增长，混凝土中胶凝材料自身水化和抗裂剂的反应基本完全后，混凝土的体积变形趋于稳定。

(3)随着抗裂剂掺量增加，混凝土早期温升降低，且混凝土升温速率变缓，但温升值在持续上升。具有温控效果的抗裂剂，通过降低水泥水化热过程中加速期水化放热速率，延长水泥水化加速期放热过程。大体积混凝土结构在放热过程，充分利用结构散热条件，为结构散热赢得宝贵时间，达到大幅度缓解水泥水化集中放热程度，削弱温峰和温降速率的目的。