智慧城市地下管廊及地鐵站臺(tái)抗裂防滲高性能混凝土設(shè)計(jì)研究

湯國(guó)芳，曹永，王曉妍，孟祥輝，盧傳泰，馬忠華，付智，2

（1. 江蘇誠(chéng)意工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 徐州 221000 2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088 ）

0 引言

針對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)開裂滲漏普遍嚴(yán)重的現(xiàn)狀，結(jié)合徐州市地理位置特點(diǎn)，開展高性能抗裂混凝土的研究與應(yīng)用工作， 重點(diǎn)解決地下工程混凝土裂縫控制的瓶頸問題， 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)混凝土耐久性與抗裂性協(xié)同設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)用原材料

水泥：采用江蘇誠(chéng)意水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，比表面積為350 m2/kg，表觀密度為3 100 kg/m3，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成分別見表1、2。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

礦粉：采用徐州中誠(chéng)建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉， 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成分別見表3、4。礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的質(zhì)量要求。

表2 水泥的化學(xué)組成 %

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表4 礦粉的化學(xué)組成 %

粉煤灰：采用華潤(rùn)電力F 類Ⅰ級(jí)粉煤灰，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成分別見表5、6。粉煤灰各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的質(zhì)量要求。

細(xì)集料：細(xì)集料分別采用機(jī)制砂和天然江砂，技術(shù)指標(biāo)見表7，砂顆粒級(jí)配屬于II 區(qū)。砂的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

粗集料：采用徐州明陽石灰?guī)r碎石，篩分結(jié)果如表8 所示。

表5 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

表6 粉煤灰的化學(xué)組成 %

表7 砂技術(shù)指標(biāo)

表8 所用碎石的篩分結(jié)果

碎石壓碎值指標(biāo)為8.0%，表觀密度為2 700 kg/m3，針片狀含量5%，含泥量0.1%。兩種碎石均符合《普通混凝土用砂、 石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52-2006）的要求。本次試驗(yàn)采用5～16 mm 和16～31.5 mm 兩種級(jí)配碎石搭配，配合比設(shè)計(jì)大小石混合比例均采用4∶6。

外加劑：采用徐州鑄建科技有限公司HPWRS 聚羧酸系高性能減水劑，其性能指標(biāo)見表9。

表9 外加劑性能指標(biāo)

防腐劑：采用深圳道特公司產(chǎn)品，達(dá)到JC/T 1011—2006《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》要求。

水：徐州地區(qū)生活用水。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 配合比設(shè)計(jì)方案

根據(jù)科研技術(shù)指標(biāo)、 規(guī)范要求及原材料性能，固定用水量， 通過外加劑用量調(diào)整混凝土的流動(dòng)性，控制坍落度為180～220 mm。以水灰比、砂率（礦粉、粉煤灰、防腐劑）摻量為因素，每一個(gè)因素取四個(gè)水平，以五因素四水平(表10)進(jìn)行正交試驗(yàn)研究。

2.2 正交設(shè)計(jì)的因素水平（見表10）

2.3 正交試驗(yàn)方案（見表11）

2.4 正交試驗(yàn)配合比（見表12）

表10 因素水平

表11 正交試驗(yàn)方案L16(45)

表12 正交試驗(yàn)配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 機(jī)制砂、天然砂混凝土性能檢測(cè)結(jié)果分別見表13、14。

表13 機(jī)制砂混凝土性能檢測(cè)結(jié)果

表14 天然砂混凝土性能檢測(cè)結(jié)果

3.2 混凝土檢測(cè)結(jié)果分析

從表13、14 可以得出：

（1）隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大；混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減??；砂的細(xì)度模數(shù)為2.7，砂率在40%～49%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；礦粉加入一定的比例有利于中后期混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，說明了由于礦粉顆粒比較細(xì)而產(chǎn)生的微集料效應(yīng)［1］及礦粉均勻地分散在水泥漿中，在水泥水化過程中的“晶核效應(yīng)”［2］，三大效應(yīng)提高了混凝土的密實(shí)度和膠凝強(qiáng)度， 從而提高了混凝土的整體強(qiáng)度。加入一定量的粉煤灰，對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度有不利的影響， 但是有利于混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，過摻時(shí)，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度非常不利。防腐劑摻入小于10%時(shí)， 會(huì)隨著加入量的增加抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)，當(dāng)加入量超過10%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度的下降明顯。

（2）隨著水灰比的增大，混凝土的電通量數(shù)值隨之增加，耐久性下降；砂率在40%～49%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的電通量數(shù)值變化較小，但都出現(xiàn)先下降后增大的現(xiàn)象，說明有一個(gè)最佳砂率，是最密實(shí)的狀態(tài)；隨著礦粉摻量的增加，混凝土的電通量值明顯降低；隨著粉煤灰摻量的增加，電通量數(shù)值出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)；隨著防腐劑的加入，電通量數(shù)值出現(xiàn)大幅度下降，說明防腐劑的加入，對(duì)混凝土抗Cl-滲透的效果明顯。礦物摻合料的加入，可以改善混凝土中的微小孔隙率，水泥的水化產(chǎn)物與礦粉、粉煤灰等礦物摻合料在堿性條件下起到了很好的火山灰效應(yīng)和微集料的填充效應(yīng)，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)及水化產(chǎn)物的組成[3]，提高了混凝土的抗Cl-滲透性。

（3）混凝土的滲透度隨著水灰比的增大而明顯增加，說明混凝土的密實(shí)性隨著水灰比的增大而下降； 砂率在40%～49%時(shí)對(duì)混凝土抗?jié)B性能影響不明顯；隨著礦粉摻量的增加，滲透出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明礦粉可以增加混凝土的致密性；加入一定量的粉煤灰，混凝土的滲水下降，但是過量加入時(shí)，抗?jié)B性能下降明顯；隨著防腐劑摻量的增加，混凝土的抗?jié)B透能力上升。

（4）隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)干縮率隨之增大，水化反應(yīng)與收縮同時(shí)進(jìn)行。加入的粉煤灰，未參與二次水化反應(yīng)的粉煤灰可有效填充于混凝土的孔隙中，抑制混凝土的收縮。

（5）水灰比在0.40～0.49 時(shí)，隨著水灰比的增加，混凝土的干縮率相應(yīng)減?。浑S著砂率的增加，混凝土的干縮率隨之變大； 隨著礦粉摻量的增加，混凝土的早期干縮率增大，后期摻加一定比例礦粉的混凝土的干縮率小于不摻礦粉的混凝土。礦粉的摻加會(huì)增大混凝土早期干縮率， 增加早期裂縫風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)混凝土后期的干縮有一定的抑制作用;粉煤灰的加入對(duì)混凝土的干縮影響不大。隨著防腐劑摻量的增加，對(duì)機(jī)制砂混凝土干縮率出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，說明在一定比例范圍內(nèi)加入防腐劑可以抑制機(jī)制砂混凝土的干縮。

（6）隨著水灰比的增大，碳化深度增加明顯，混凝土的抗碳化能力下降；砂率對(duì)混凝土的抗碳化性能關(guān)系不大，但是在混凝土強(qiáng)度最高時(shí)的砂率所對(duì)應(yīng)的碳化深度相應(yīng)最小。隨著礦粉、粉煤灰、防腐劑摻量的增加，混凝土的碳化深度隨之增加，抗碳化性能下降。

3.3 機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土對(duì)比

（1）對(duì)比表13、14 數(shù)據(jù)，分析二類砂配制的混凝土抗壓強(qiáng)度的數(shù)值，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度基本高于天然砂混凝土抗壓強(qiáng)度，說明機(jī)制砂表面比天然砂粗糙，有較好的表面能與水泥漿結(jié)合，在相同水灰比的情況下與天然砂混凝土相比，可以獲得更高的混凝土抗壓強(qiáng)度。

（2）機(jī)制砂混凝土總體電通量值小于天然砂混凝土，說明機(jī)制砂混凝土的密實(shí)性優(yōu)于天然砂混凝土，機(jī)制砂與水泥漿的粘結(jié)性能強(qiáng)于天然砂對(duì)水泥漿的粘結(jié)性，微觀孔隙更少。

（3）機(jī)制砂混凝土的碳化深度與天然砂混凝土的碳化深度相差不大，說明二者抗碳化性能相當(dāng)。

（4）機(jī)制砂混凝土的滲水高度基本低于天然砂混凝土的滲水高度，說明機(jī)制砂混凝土具有更好的抗水滲透性，具有更好的耐久性。

4 結(jié)論

在當(dāng)前天然砂資源日益枯竭的情況下，用機(jī)制砂代替天然砂配制混凝土，力學(xué)性能優(yōu)于天然砂混凝土，其耐久性并沒有明顯削弱，且大部分耐久性能優(yōu)于天然砂混凝土。通過配合比的調(diào)整，機(jī)制砂完全可以替代天然砂配制出符合要求的高性能抗?jié)B防裂混凝土。

（1）膠凝材料用量、水膠比、膠凝材料體系對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度、變形性能與耐久性能均有較大影響；

（2）膠凝材料體系應(yīng)選擇粉煤灰與礦粉的復(fù)合體系；

（3）在保證混凝土工作性能良好的前提下，選擇適當(dāng)?shù)乃冶?，合理使用減水劑，優(yōu)選原材料，不僅可以保證混凝土強(qiáng)度，還可以減小混凝土收縮率，提高混凝土工程耐久性；

（4）混凝土澆筑過程中常常出現(xiàn)的氣泡、麻面、蜂窩、混凝土水化紋等外觀質(zhì)量缺陷，可以通過優(yōu)化混凝土外加劑、使用合理的脫模劑和加強(qiáng)震搗來減少這些外觀質(zhì)量缺陷， 達(dá)到提升混凝土質(zhì)量品質(zhì)、提高混凝土耐久性的目的。