抗裂劑在海工大體積混凝土中的應用研究

謝彪，徐文，王育江，張堅，吳玲正

（1.東南大學，江蘇南京 211103；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇南京 211103；3.深中通道管理中心，廣東中山 528400）

0 前言

身處海洋環(huán)境的大體積混凝土一旦出現開裂問題，海水的侵蝕會加速鋼筋混凝土劣化。國內對于海洋大體積混凝土的裂縫控制主要是以鋪設冷卻水管及混凝土控溫等技術進行大體積混凝土控裂施工，通過降低混凝土入模溫度、混凝土溫峰值、減小混凝土里表溫差及環(huán)境溫差等方法抑制混凝土溫度裂縫的形成，其中GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》對大體積混凝土溫控施工做出了詳細的規(guī)定。但大量工程統(tǒng)計表明，對于某些強約束、自收縮較大的結構，即使進行了極其嚴格的溫控措施，混凝土結構面依然會或多或少的出現裂縫，而這些裂縫的存在將會導致海工大體積混凝土劣化加劇，對結構的整體穩(wěn)定性不利。

混凝土開裂是復雜的多因素耦合作用過程，在大體積混凝土控裂設計中，設計單位通常僅是考慮溫降作用引起的收縮開裂，但實際過程往往要復雜得多[1-2]?；炷恋拈_裂通常可以總結為混凝土的收縮受到約束時（既有內約束也有外約束），其產生的拉應力大于極限抗拉強度，混凝土就會開裂[3-5]?；炷恋膽冏冃未笮∈腔炷灵_裂與否的重要參數，當然引起混凝土應變的驅動力包括溫度應力、干縮變形、自收縮和碳化收縮等，對于某些大體積且約束較大的部位，各種收縮變形是相互疊加的，單純的溫控措施往往很難達到混凝土控裂的目的。

采用由特殊工藝制備的抗裂劑，通過降低膠凝材料早期水化放熱速率以及分階段全過程補償混凝土收縮變形的雙重調控技術，能有效延緩水泥水化放熱、降低大體積混凝土的溫峰值；同時，由全過程微膨脹性能補償混凝土收縮時產生的拉應力，從而到達混凝土控裂的目的。總體上可以簡化溫控措施（不布置冷卻水管）、加快施工進度、降低工程成本，對于大體積混凝土控裂施工具有重要意義。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：海螺P·Ⅱ42.5S水泥；砂：細度模數為2.6的贛江Ⅱ區(qū)中砂，含泥量小于2.0%；碎石：5～25 mm連續(xù)級配，粒形良好、質地堅硬、線膨脹系數小的潔凈碎石；粉煤灰：諫壁Ⅰ級粉，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的F類Ⅰ級要求；礦粉：唐山S95級礦渣粉，比表面積不大于500 m3/kg；減水劑：江蘇蘇博特減縮型高性能聚羧酸減水劑，減水率26.3%，固含量20%；抗裂劑：由氧化鈣、輕燒氧化鎂及水化熱調控材料復合而成，江蘇蘇博特新材料股份有限公司；拌合水：自來水。

1.2 配合比設計

本工程為身處海洋環(huán)境的隧道側墻結構，側墻厚度達1.5 m，分段澆筑長度20 m，屬于典型的海工大體積混凝土，因側墻結構澆筑在底板之上，側墻大體積混凝土在溫降階段會受到先澆底板的約束，導致側墻內應力集中，在混凝土內約束及底板外約束的作用下，混凝土容易開裂。

針對上述情況，該海工大體積混凝土結構設計強度為C28d45、C56d50，抗裂混凝土設計原則為低溫升，并具有一定微膨脹性，具有收縮補償作用。實際配合比參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的設計原則及GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》、JTS 202-2—2011《水運工程混凝土質量控制標準》的要求進行合理設計，經綜合考量，混凝土設計配合比如表1所示。

表1 大體積混凝土的配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 抗裂劑對高性能減水劑和混凝土強度的影響

內摻抗裂劑，使其取代8%的膠凝材料（取代34 kg/m3礦粉），混凝土水膠比均為0.34，減水劑摻量以占膠凝材料質量百分比計，具體摻量根據混凝土拌合物坍落度為200 mm進行確定，其它材料種類及用量不變?；炷恋男阅苋绫?所示。

表2 摻減縮型聚羧酸減水劑和高效抗裂劑混凝土的性能

對比1#（普通混凝土）、2#（抗裂混凝土）試驗組可知，摻入抗裂劑后，為保持相同混凝土流動性，減水劑摻量需稍微增加，這可能是由于抗裂劑粉體對聚羧酸分子有一定的吸附作用，使拌合時的有效減水劑量降低，可通過減水劑摻量進行調整，但總體對于混凝土的工作性影響不大。從強度數據可知，1#、2#混凝土的強度均滿足設計要求，摻抗裂劑組7 d及28 d的強度比未摻抗裂劑略低，但56 d強度高于1#對比組。這是由于抗裂劑具有水化熱調控作用，在保證總放熱量基本不變的前提下，延緩早期水泥水化放熱速率。因此，2#摻抗裂劑的混凝土早期抗壓強度低于1#，但隨著水化的持續(xù)進行，2#混凝土56 d抗壓強度略高于1#。

2.2 抗裂劑對海工混凝土氯離子滲透系數的影響

在海工大體積混凝土中，除了溫降和自收縮等原因引起的混凝土開裂破壞外，鋼筋混凝土由于受到氯離子侵蝕而引起的劣化破壞也是需要重點關注的方面[6-8]，其中氯離子滲透系數是直接反應混凝土抗氯離子滲透性能的重要參數。按表1配合比，根據RCM法進行氯離子滲透系數測試，2組混凝土試件1#、2#的氯離子滲透系數分別為2.9、1.8×10-12cm/s。

試驗結果表明，摻入抗裂劑后，混凝土的氯離子滲透系數較未摻時減小，說明摻抗裂劑能提高混凝土的抗氯離子滲透性能。這主要是由于抗裂劑的膨脹作用可以影響骨料和水泥砂漿的結構面結構、硬化水泥漿體孔結構，改善混凝土漿體孔徑分布，減少連續(xù)孔，進而降低混凝土的孔隙率，使得結構密實度提高[9-11]，從而提高海工混凝土的抗氯離子滲透性能，防止氯離子對鋼筋混凝土的侵蝕破壞。

2.3 抗裂劑的水化熱調控作用

大體積混凝土抗裂研究中，配合比除應滿足強度等級外，還應該盡可能的降低混凝土絕熱溫升值。具有較低絕熱溫升的大體積混凝土，在溫降過程中溫降幅度更小，混凝土自身受到的溫度應力也就越小，對整體結構抗裂性能的提升有利。本工程通過抗裂劑的水化調控作用，延緩水泥水化速率，使膠凝材料放熱量在更長的時間內釋放，同時利用結構敞開面的自身散熱，最終實現實體工程結構最高溫峰值的降低，從而降低結構開裂風險。為對比抗裂劑的水化熱調控效果，按表1配合比（下同）進行普通混凝土與抗裂混凝土絕熱溫升對比試驗，結果見圖1。

圖1 抗裂混凝土的絕熱溫升試驗結果

從圖1可以看出，抗裂混凝土不同階段的絕熱溫升均明顯低于普通混凝土，具體特征溫升統(tǒng)計值如表3所示。

表3 混凝土絕熱溫升特征值 ℃

由表3可見，抗裂劑對水泥水化放熱調控作用明顯。3 d時普通混凝土絕熱溫升42.16 ℃，而抗裂混凝土絕熱溫升僅為28.56 ℃，極大的延緩早期水泥水化放熱速率；9 d時普通混凝土絕熱溫升為45.35 ℃，而抗裂混凝土絕熱溫升為42.24。結合圖1分析可知，普通混凝土絕熱溫升已基本持平，抗裂混凝土絕熱溫升仍有一定的上升趨勢，抗裂劑的水化調控作用僅僅是將放熱歷程延長，而對最終總放熱量影響不大，這也與表2所示早期強度略微降低、后期強度逐漸趕超的發(fā)展規(guī)律相符合。

2.4 抗裂劑對海工混凝土膨脹歷程調控作用

在許多收縮膨脹性能測試標準中，往往能發(fā)現測試方法基本與實際工況條件是無法完全匹配的，試驗測試的收縮膨脹值僅能反映產品的性能是否符合標準指標。但值得一提的是，實際的施工工況是復雜的，混凝土溫度場更是變化的，為了解恒溫實驗室條件下測試的收縮膨脹指標是否合適指導施工應用，對海工混凝土在實體結構中的應變變形規(guī)律進行研究，通過模擬實際溫度場，測試普通海工混凝土和抗裂海工混凝土的變溫變形規(guī)律，試驗結果如圖2～圖4所示。

圖2 變溫變形試驗結果

由圖2可見，在變溫條件下，混凝土應變變形先增大后減小，變形最大值出現在3 d的溫峰處，其中普通混凝土最大應變值262.5 με，而抗裂混凝土最大應變值為600.0 με，這說明摻抗裂劑混凝土在溫升階段比普通混凝土多膨脹337.5 με，早期溫升階段的膨脹，混凝土結構在受到約束時會產生預壓應力，這部分壓應力會儲存在結構中，對抵抗后期溫降階段的收縮變形是有利?；炷翜胤暹^后，混凝土溫度開始降低，混凝土的應變值也隨之降低，其中普通混凝土在14 d的變形已經為負值-108.5 με，此時混凝土受力狀態(tài)為拉應力，而抗裂混凝土的應變變形依然為正值353.9 με。

圖3 溫升變形試驗結果

圖4 溫降變形試驗結果

目前市場上有許多抗裂劑摻與不摻效果差別不大，甚至有時摻抗裂劑裂縫更多，然而它們的檢測指標都合格。究其原因，是因為許多抗裂劑的膨脹性能在溫升階段就已經反應殆盡，后期對混凝土并未發(fā)揮收縮補償作用，甚至會引起更大的收縮，因此才會出現相反的效果。在膨脹歷程調控中，膨脹性能不僅僅只在溫升階段發(fā)揮，還需要在溫降階段發(fā)揮持續(xù)膨脹的能力，以補償溫降階段的混凝土收縮變形。對溫升和溫降過程分段進行分析可知：在溫升階段（見圖3）普通混凝土和抗裂混凝土單位溫度變形值分別為9.1 με/℃和4.0 με/℃，說明抗裂劑在溫升階段已經開始發(fā)揮膨脹作用；在溫降階段以溫峰頂點為0點開始作圖（見圖4），普通混凝土和抗裂混凝土的最終收縮值分別為-364.1 με 和-246.0 με，說明抗裂混凝土在收縮階段依然在進行收縮補償，補償收縮應變值達118.1 με，此結果符合預期，對裂縫控制是有利的。

2.5 有限元仿真計算分析

根據上述混凝土配合比性能參數以及工程實體結構，由于夏季溫度較高，開裂風險普遍較大，因此對普通混凝土和抗裂混凝土配合比分別在夏季施工工況下進行仿真模擬計算，入模溫度32 ℃，根據分段長度分別按式（1）計算開裂風險系數η：

式中：σ（t）——t時刻的混凝土最大拉應力，MPa；

ft（t）——t時刻的混凝土抗拉強度，MPa。

參照JTS 202-1—2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規(guī)程》混凝土開裂風險評判準則：一般認為η＞1.0時，混凝土一定會開裂；考慮材料性能波動性，認為0.7<η<1.0時，混凝土存在較大的開裂風險；η＜0.7時，混凝土基本不會開裂[5]。側墻澆筑長度開裂風險系數計算結果如圖5所示。

圖5 有限元仿真開裂風險系數計算結果

由圖5計算結果可知，抗裂混凝土在相同澆筑條件下具有更低的抗裂風險系數，即開裂風險更低，抗裂混凝土經過計算發(fā)現,在長度小于20 m時，開裂風險系數η＜0.7，一次性澆筑長度遠遠高于普通混凝土，經過抗裂混凝土在澆筑長度以及施工工藝上具有明顯的控裂優(yōu)勢。

3 結論

通過摻抗裂劑的技術方案替代鋪設冷卻水管的控裂方案，結果表明抗裂混凝土工作性、絕熱溫升以及變溫變形均表現優(yōu)異。

（1）摻抗裂劑會略微增加減水劑摻量，可通過提高減水劑摻量進行調整，對混凝土工作性能基本無影響，抗裂劑會略微降低28 d強度，但56 d強度逐漸趕超普通混凝土。

（2）抗裂劑具有溫度場與膨脹場雙重調控作用，能夠降低早期水化速率，降低混凝土絕熱溫升值，同時在溫降階段膨脹回落值小，能夠持續(xù)發(fā)揮收縮補償作用，補償收縮值達118.1 με，對抑制混凝土后期收縮開裂效果顯著。

（3）通過有限元仿真計算，在分段長度20 m內，澆筑入模溫度32 ℃時，摻抗裂劑的海工大體積混凝土的開裂風險系數η 小于0.7，側墻基本不會開裂，方案滿足施工設計要求。