防裂抗?jié)B復(fù)合材料對地鐵結(jié)構(gòu)混凝土裂縫控制及其耐久性研究

劉映凱，陳曉暉，楊炳勇，郭海峰(.中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司，上海 00000；. 不二新材料科技有限公司，江蘇 如皋 654）

地鐵是節(jié)省土地、減少噪聲、減少干擾、節(jié)約能源、減少污染的一種交通方式。地鐵工程屬大體積地下工程，技術(shù)復(fù)雜，投資巨大，設(shè)計年限長。地鐵混凝土除強度等級要滿足結(jié)構(gòu)要求外，更需要注重耐久性，開裂滲漏是影響耐久性的主要因素。因此，相比于普通混凝土而言，用于地鐵建設(shè)的混凝土需要具備更高的耐久性能，對混凝土主要技術(shù)指標、配合比設(shè)計及相應(yīng)的制備和技術(shù)均有更高要求。

1 DW-2 防裂抗?jié)B復(fù)合材料特點

DW-2 防裂抗?jié)B復(fù)合材料能通過優(yōu)質(zhì)合成纖維“橋接效應(yīng)”，有效降低早期塑性開裂，提高整體體積穩(wěn)定性；利用高功能粉體材料改變水泥水化過程和水化產(chǎn)物的顆粒形貌及空間排列，有效提高混凝土拌合物和易性、致密性、抗?jié)B性能；高功能粉體材料能起到鎖水作用，降低孔隙水的表面張力，減少毛細孔失水產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。另外，其能增大混凝土中孔隙水的黏度，增強水在混凝土膠體中的吸附作用，減少混凝土的收縮應(yīng)力；高功能粉體材料有效降低混凝土水化絕熱溫升，減少因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的開裂。

2 配合比設(shè)計

通過比對江蘇省南通市地鐵 1 號線青年路站點工程實際使用的強度等級為 C 35 的混凝土（以下簡稱 A）與在 A 里摻加 DW-2 防裂抗?jié)B復(fù)合材料（以下簡稱 B）的混凝土，通過對 A 、B 兩種混凝土的拌和物配合比、力學(xué)性能、變形性能、耐久性能、早齡期收縮裂縫性能進行對比試驗，研究其對地鐵站點混凝土性能的改善效果。

2.1 配合比

A、B 兩種混凝土配合比對照詳見表 1。

2.2 試驗方法及判定依據(jù)

混凝土試件的試驗方法，根據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》和 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的規(guī)定執(zhí)行。判定依據(jù)為 T/CECS 10001—2019《用于混凝土中的防裂抗?jié)B復(fù)合材料》。

表1 A、B 兩種混凝土配合比對照表

2.3 試件制備及測試

平板壓縮開裂試驗試塊尺寸為 8 0 0 m m×6 0 0 mm×100 mm，混凝土試件(抗壓、劈裂抗拉試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，滲透高度試件為Φ150 mm×175 mm×185 mm 的圓錐體試件），回縮試驗用砂漿試塊尺寸為 40 mm×40 mm×160 mm。通過攪拌、振搗、抹平成型后，在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護 24 h 后脫模。試件脫模后，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至各齡期，進而分別測試 7 d、28 d 混凝土試件的抗壓、劈裂抗拉和 28 d 混凝土試件的滲透高度，并進行混凝土早齡期抗裂性等測試試驗。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 DW-2 對混凝土拌和物性能的影響

新拌混凝土性能試驗結(jié)果見表 2 。經(jīng)過拌和試驗及拌和物出機口性能試驗，所拌和配合比 A 及 B 坍落度及塌損均在控制范圍內(nèi)，B 無塌損且擴展度增加了 30 mm，說明 B 比 A工作性好。B 比 A 的終凝時間延長 7 h，說明 B 比 A 的水化熱絕熱溫升峰值大大延緩。

表2 新拌混凝土性能試驗結(jié)果

3.2 DW-2 對混凝土力學(xué)性能的影響

依據(jù) GB/T 50081—2002 進行標準養(yǎng)護（溫度為20±2℃、相對濕度＞95%）。達到相應(yīng)試驗齡期后，對照 T/CECS 10001—2019 進行各項指標檢測?；炷亮W(xué)性能分析表見表 3。從表 3 可以看出，摻加 DW-2 材料的混凝土7 d、28 d 抗壓強度、劈裂抗拉強度有所增長；抗?jié)B能力明顯增加，說明混凝土的密實度明顯提高；相對耐久性顯著提高。

表3 混凝土力學(xué)性能分析表

3.3 DW-2 對砂漿回縮變形的影響

從各齡期試驗結(jié)果可以看出， A 及 B 回縮規(guī)律正常；由于 DW-2 材料的摻入，B 各齡期回縮率明顯低于 A。砂漿回縮試驗結(jié)果見表 4，回縮率與齡期關(guān)系見圖 1。

表4 砂漿回縮變形試驗結(jié)果（×10-6）

圖1 砂漿回縮與齡期關(guān)系圖

從圖 1 可看出，摻加 DW-2 防裂抗?jié)B復(fù)合材料與基準相比可以明顯降低水泥膠砂的回縮，兩周的回縮可以比基準降低 22.4%。

4 實際工程應(yīng)用

4.1 實測溫度場和應(yīng)力場變化

使用 2 個振弦式應(yīng)變傳感器，分別將其置于 A 和 B 混凝土澆筑體內(nèi)。選取地下混凝土工程典型部位，對工程現(xiàn)場進行溫度場、應(yīng)變場實時監(jiān)測，指導(dǎo)混凝土工程養(yǎng)護，建立仿真模型,對開裂的可能性進行預(yù)測。A 配合比混凝土應(yīng)力分布、溫度與養(yǎng)護時間關(guān)系分布見圖 2，B 配合比混凝土應(yīng)力分布、溫度與養(yǎng)護時間關(guān)系分布見圖 3。由圖 2 和圖3 對比可見：B 混凝土溫度峰值比 A 降低 4 K。A 在 9 h 達到應(yīng)力峰值 90.38 微應(yīng)變，B 在 27 h 達到應(yīng)力峰值 68.12微應(yīng)變。由此可見，與 A 相比 B 峰值到來的時間比延緩 18 h，且峰值降低 22.26 微應(yīng)變。B 應(yīng)力變化比較平緩，A 在第 8 d 成斷崖式下降。數(shù)值顯示，A 應(yīng)變計所在位置在 1 d和 8 d 可能出現(xiàn)較大的開裂風(fēng)險。實際情況是，A 出現(xiàn)很多開裂并且滲漏；B 施工的混凝土共 2 648 m2，至今沒有滲漏，僅發(fā)現(xiàn) 3 條長度 ＞3 000.0 mm、寬度 ＜0.2 mm 的裂縫（其中有 2 條出現(xiàn)在端頭井距離 3 m 的 2 個壁柱中間），數(shù)條長度 ＜100.0 mm 的裂紋。所有裂紋開裂面積總計1 814.65 mm2。對照 GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標準》的 L-V 級（最高），即開裂面積占比 ≤100 mm2/m2的要求，摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料的地鐵側(cè)板墻的開裂面積占比只有 0.685mm2/m2。對照 T/CECS10001—2019 標準，裂縫降低系數(shù)達到 99.99993%，接近 100%。

圖2 A 配合比混凝土應(yīng)力分布、溫度與養(yǎng)護時間關(guān)系分布

圖3 B 配合比混凝土應(yīng)力分布、溫度與養(yǎng)護時間關(guān)系分布

4.2 現(xiàn)場實體強度回彈檢測

B 實體 28 d 回彈強度見表 5，平均值為 39.42 MPa，標準偏差為 2.46 MPa，推定值為 36.96 MPa。結(jié)果表明，28 d實體強度滿足設(shè)計要求。

表5 B 實體 28 d 回彈強度 MPa

5 結(jié) 語

本次研究得出的試驗結(jié)果表明 B 配合比的混凝土相對于A 配合比的混凝土有下列優(yōu)勢。

(1) B 配合比的混凝土相對于 A 的坍落度沒有影響，且沒有經(jīng)時損失，1 h 擴展度略有增加。凝結(jié)時間延緩 7 h，能夠提高混凝土密實度，和易性好，泌水率小。

(2) 各項力學(xué)性能有較大幅度的提高：裂縫降低系數(shù)100%，7 d 抗壓強度提高 109%，28 d 強度提高 102%，劈裂抗拉強度提高 104%，滲透高度提高 37%，相對耐久性提高 92%。

(3) 實際工程 28 d 實體強度為 36.96 MPa，達到設(shè)計要求。與 A 相比現(xiàn)場監(jiān)測混凝土溫度峰值下降 4 K，應(yīng)力峰值延緩了 18 h，且降低了 22.26 微應(yīng)變。

(4) 對照 GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》，現(xiàn)場 B 混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值為 18.4 K，≤50.0 K；混凝土澆筑體里表溫差為 12.5 K，≤25.0 K；混凝土澆筑體降溫速率為 3.2 K/d，＞2.0 K/d；拆除保溫覆蓋時混凝土澆筑體表面與大氣溫差為 7.3 K，≤20.0 K。由此可見，如果重視養(yǎng)護，加強保溫措施使降溫速率≤2.0 K，混凝土澆筑體的效果將會更加完美。

綜上所述，DW-2 防裂抗?jié)B復(fù)合材料能改善混凝土在地鐵施工環(huán)境中的成型效果，大幅減少混凝土表面裂縫的產(chǎn)生，同時提高了地下結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能。