膨脹劑對某地下室側墻C50混凝土抗裂性能的影響

倪玉祥 ，陸安群 ，王建軍

（1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022）

0 引言

隨著我國人口數量的持續(xù)增長和城市化進程的加快，地下混凝土工程結構建設占據城市建設的比重日趨增加，高層建筑地下室、地鐵、隧道、人防工程等均需建造各種超長地下室結構[1]。由于地下水環(huán)境的特殊性和剛性防水要求，混凝土裂縫控制對于地下工程質量有著至關重要的影響?；炷烈坏╅_裂出現裂縫，就大大增加了混凝土的滲透性，嚴重影響地下工程的防水防腐等耐久性能[2]。圖1為某地下工程的工程底板、側墻混凝土拆模后出現的開裂及滲水現象。在地下空間結構混凝土的裂縫控制中，側墻混凝土由于其結構形式的特殊性，養(yǎng)護措施等難以到位，易在施工階段就出現因溫降收縮、自收縮及約束等原因而產生貫穿性裂縫，給工程的耐久性和質量帶來了極大的隱患[3]。據資料統(tǒng)計，地下室底板、頂板出現裂縫數量約占裂縫總數的10%，而地下室側墻開裂的工程占被調查工程總數的85%以上，地下側墻混凝土早期裂縫已成為裂縫控制的關鍵和難點[4]。

圖1 某地下室工程的底板和側墻混凝土的抗裂及滲水現象

利用膨脹劑在水化過程中產生適量的膨脹補償水泥基材料的收縮，是解決大面積、大體積和超長結構混凝土裂滲問題的有效技術途徑[5]。目前普遍采用鈣礬石類膨脹劑配制補償收縮混凝土，用于防裂、抗?jié)B的地下側墻混凝土結構；其作用機理在于與水泥中的成分發(fā)生反應生成鈣礬石，從而產生膨脹[5-6]。但以鈣礬石作為單一膨脹源的膨脹劑，存在膨脹速率慢、膨脹效能低、水化產物不穩(wěn)定、高溫易分解、水化需水量大、對養(yǎng)護濕度要求較高等問題[7-9]。氧化鈣-硫鋁酸鈣類高效膨脹劑是近年來補償混凝土收縮和裂縫控制領域研究的熱點，相比傳統(tǒng)鈣礬石類膨脹劑，對外界環(huán)境濕度要求低、水化需水量小、膨脹效能大，更適用于以用水量低、結構致密為顯著特征的C50以上高性能混凝土的要求[10]。

本文主要研究不同養(yǎng)護條件下氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑對某地下室側墻用C50混凝土變形性能及抗?jié)B性能的影響，為氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑在地下空間側墻混凝土結構工程中的應用提供技術支撐。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：盤固水泥廠生產的P·Ⅱ52.5水泥；粉煤灰：鎮(zhèn)江華能電廠Ⅰ級粉煤灰；砂：天然河砂，細度模數2.68；骨料：5~25 mm連續(xù)級配花崗巖碎石；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA系聚羧酸高性能減水劑；膨脹劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的HME-Ⅳ混凝土高效膨脹劑（以下簡稱膨脹劑），為氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》Ⅱ型品要求。水泥和膨脹劑的主要化學成分見表1。

表1 水泥和膨脹劑的主要化學成分 %

1.2 配合比

C50強度等級的混凝土配合比如表2所示。膨脹劑采用內摻方式，分別為膠凝材料總質量的6%、8%、10%、12%。通過減水劑等外加劑控制混凝土的坍落度在160~200 mm，含氣量2.0%~4.0%。

表2 摻膨脹劑的C50強度等級混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 不同恒溫養(yǎng)護條件下C50混凝土的限制膨脹測試

混凝土限制膨脹參照GB/T 23439—2017進行測試，每個配比成型6條帶φ10 mm鋼筋限制器的100 mm×100 mm×300 mm限制膨脹混凝土試件，用于測試20、40℃水養(yǎng)條件下混凝土的限制膨脹率。試件在溫度為（20±2）℃，抗壓強度3~5 MPa脫模，測完初長后分別立即放入（20±2）℃、（40±2）℃的恒溫水槽內。待到規(guī)定齡期測試長度。

40℃水養(yǎng)條件的混凝土試件在測完初長后立即放入（40±2）℃的恒溫養(yǎng)護水槽內養(yǎng)護，到測試齡期后取出放入標準養(yǎng)護室[溫度（20±1）℃、相對濕度＞95%]中自然冷卻至室溫（冷卻時間約3 h，不可澆水急冷）。冷卻后的試件在標準干養(yǎng)室[溫度（20±1）℃、相對濕度（60±5）%]中測量長度，測試完立即放回原養(yǎng)護溫度水中繼續(xù)養(yǎng)護至下一測試齡期。

1.3.2 不同恒溫養(yǎng)護條件下C50混凝土的自生體積變形

混凝土自生體積變形參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行測試。將混凝土密封試件分別放入標準養(yǎng)護室[溫度（20±1）℃、相對濕度（60±5）%]和高溫養(yǎng)護室[溫度（40±1）℃、相對濕度（75±5）%]內，待到規(guī)定齡期進行長度測試。

恒溫20℃混凝土自生體積變形的零點選取混凝土在標準養(yǎng)護室[溫度（20±1）℃、相對濕度（60±5）%]的初凝時間；恒溫40℃混凝土自生體積變形的零點選取混凝土在高溫養(yǎng)護室[溫度（40±1）℃、相對濕度（75±5）%]的初凝時間。

1.3.3 側墻結構C50混凝土的變形性能測試

采用南瑞集團NZS-15G2型差動電阻式應變計監(jiān)測50cm厚側墻C50混凝土的變形和溫度歷程，應變計埋置于墻的長、寬和高的中心位置。

1.3.4 摻膨脹劑C50混凝土的抗?jié)B性能測試

抗?jié)B性試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，混凝土澆筑于鋼模約束的圓臺體中，至養(yǎng)護齡期28 d后拆模進行抗?jié)B試驗。

2 結果與討論

2.1 不同摻量膨脹劑對C50混凝土限制膨脹率的影響

20℃、40℃水養(yǎng)護條件下，分別摻0、6%、8%、10%和12%膨脹劑的C50混凝土的限制膨脹率如圖2所示。

圖2 不同膨脹劑摻量下C50混凝土的水養(yǎng)限制膨脹變形

由圖2可見，20℃水養(yǎng)護條件下，隨著氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑摻量的增加，C50混凝土的限制膨脹率增大。40℃水養(yǎng)護條件下，試件在3d內迅速膨脹，6%~12%膨脹劑摻量下膨脹均發(fā)生在10d前，但膨脹持續(xù)時間隨膨脹劑摻量的增加而延長。

圖3為扣除基準C50混凝土變形后，由不同摻量膨脹劑產生的混凝土水養(yǎng)限制膨脹變形。

圖3 扣除基準C50混凝土變形后不同摻量膨脹劑產生的水養(yǎng)限制膨脹變形

對比20℃和40℃時的最終限制膨脹率發(fā)現，2種溫度下由摻膨脹劑產生的最終限制膨脹率有較大差別。2種養(yǎng)護溫度下，最終限制膨脹率均隨著膨脹劑摻量的增加而增大，20℃水中養(yǎng)護至28 d時，摻6%、8%、10%、12%膨脹劑的C50混凝土產生的最大膨脹變形率分別為 142×10-6、257×10-6、319×10-6、379×10-6。40℃水中養(yǎng)護至 28 d時，摻 6%、8%、10%、12%膨脹劑的C50混凝土產生的最大膨脹變形率分別為51×10-6、188×10-6、298×10-6、432×10-6。

20℃水中養(yǎng)護14 d，內摻8%膨脹劑的C50混凝土限制膨脹率達到267×10-6，已符合JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》中墻體結構部位的限制膨脹率設計取值。

2.2 不同摻量膨脹劑對C50混凝土自生體積變形的影響

不同溫度密封養(yǎng)護條件下，不同膨脹劑摻量的C50混凝土自生體積變形測試結果如圖4所示。

圖4 不同膨脹劑摻量下C50混凝土的自生體積變形

由圖4可見，在20℃密封養(yǎng)護條件下，膨脹持續(xù)時間隨膨脹劑摻量的增加而延長，6%摻量時膨脹持續(xù)至5 d，8%摻量時膨脹持續(xù)至10 d，10%摻量時膨脹持續(xù)至15 d，12%摻量時膨脹持續(xù)至20 d左右，此后基本不變；而40℃密封養(yǎng)護條件下，膨脹劑在1 d內即迅速膨脹，6%~12%摻量下膨脹均僅發(fā)生在3 d之前，此后基本不變。說明溫度由20℃升至40℃使得膨脹劑水化膨脹速率顯著加快，在極短時間內即水化膨脹完全。

由膨脹劑產生的最終膨脹量隨著膨脹劑摻量的增加而增大，20℃密封養(yǎng)護下，摻8%膨脹劑的C50混凝土產生96×10-6的最大膨脹，摻10%膨脹劑的C50混凝土產生227×10-6的最大膨脹。

2.3 不同摻量膨脹劑對C50混凝土抗?jié)B性能的影響

摻膨脹劑的C50混凝土澆筑于鋼模約束的圓臺中，并置于20℃標準養(yǎng)護箱內。用逐級加壓法測試抗?jié)B性能，摻膨脹劑混凝土及基準C50混凝土在水壓加至1.2 MPa時，試件表面均未出現滲水現象。采用滲水高度法測試摻膨脹劑的C50混凝土抗?jié)B性能，試驗水壓力恒定在1.2 MPa。表3為28 d齡期C50混凝土的抗?jié)B性能。

表3 約束條件下不同膨脹劑摻量C50混凝土的滲水高度

由表3可見，與未摻膨脹劑的C50ref混凝土相比，摻入膨脹劑的C50混凝土平均滲水高度均有不同程度的降低。膨脹劑摻量在0～12%范圍內，隨著膨脹劑摻量增加，C50混凝土的抗?jié)B性能明顯提升。

2.4 摻8%膨脹劑某地下室側墻C50混凝土的變形

摻8%膨脹劑地下室側墻C50混凝土的變形和溫度歷程如圖5所示。

圖5 某地下室側墻C50混凝土的變形和溫度歷程

由圖5可見，以初凝為零點，C50ref基準混凝土溫升階段產生97×10-6的膨脹變形，溫升速率為15.4℃/d，溫峰值31.4℃，自澆筑起的最大溫升12.1℃，18 d齡期產生-48×10-6變形；摻8%膨脹劑的C50混凝土溫升階段產生184×10-6膨脹變形，溫峰值31.5℃，自澆筑起的最大溫升12.1℃，18 d齡期產生41.68×10-6變形。摻8%膨脹劑的地下室側墻C50混凝土18 d齡期內的處于膨脹狀態(tài)。

3 結論

（1）20℃水養(yǎng)護條件下，隨著氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑的摻量增加，C50混凝土的限制膨脹率增大。20℃密封養(yǎng)護下，在C50混凝土中，8%膨脹劑產生96×10-6的最大膨脹，10%膨脹劑產生227×10-6的最大膨脹。20℃水中養(yǎng)護14 d，內摻8%膨脹劑的C50混凝土的限制膨脹率達到267×10-6，已符合JGJ/T 178—2009中墻體結構部位的限制膨脹率設計取值。

（2）與未摻膨脹劑的C50混凝土相比，摻入膨脹劑的C50混凝土的平均滲水高度均有不同程度的降低。約束條件下，膨脹劑摻量在0~12%范圍內，隨著膨脹劑摻量增加，C50混凝土的抗?jié)B性能明顯提升。

（3）摻8%膨脹劑的地下室側墻C50混凝土溫升階段產生184×10-6膨脹變形，溫峰值31.5℃，自澆筑起的最大溫升12.1℃，18 d齡期產生41×10-6變形。摻8%膨脹劑的地下室側墻C50混凝土18 d齡期內處于膨脹狀態(tài)。