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抗裂劑在南京橫江大道隧道側墻的應用效果監(jiān)測

2021-01-20 02:38李明林慶雄
江蘇建材 2020年6期
關鍵詞:膨脹率側墻溫升

李明,林慶雄

(中交三航局第三工程有限公司,江蘇 南京210000)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快, 地下混凝土結構工程建設占據城市建設的比重日益增加,地鐵、隧道、 綜合管廊等均需建造各種超長地下結構[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至關重要。 研究表明,普通C40 混凝土滲透系數(shù)約10-7cm/s[2]。 普通地下結構滲透深度不超過10 cm,不開裂時C40 混凝土完全滿足剛性防水要求。 然而, 一旦出現(xiàn)裂縫,混凝土的滲透系數(shù)呈數(shù)量級增加[3]。工程實踐發(fā)現(xiàn),1 m 高水壓下,僅需2 min 左右時間水即可從裂縫處滲穿1 m 厚混凝土。 已公開報道的資料表明,由于收縮開裂等原因,地下隧道工程存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。治理滲漏水問題時間長、難度大,并嚴重影響結構混凝土的耐久性能[4]。

采取有效措施控制混凝土開裂,是隧道工程建設的重大技術需求。本文結合南京橫江大道紫創(chuàng)路隧道工程,研究了溫控防滲抗裂劑對C40 混凝土強度、變形、熱學性能及耐久性能的影響,監(jiān)測了抗裂劑在某段側墻的應用效果,為隧道工程的裂縫控制提供技術支撐。

1 抗裂劑的抗裂機理

利用膨脹組分在水化過程中產生適量膨脹補償混凝土收縮是解決大體積和超長結構混凝土裂滲問題的有效技術途徑。抗裂劑是近年來補償混凝土收縮和裂縫控制領域的研究熱點,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,可實現(xiàn)對混凝土收縮的分階段、全過程補償。

HME-V 混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑是鈣質、鎂質及水化熱調控組分多元復合,具有溫度調控作用的高效抗裂劑。 與傳統(tǒng)緩凝劑相比,抗裂劑采用了新型的水泥水化調控技術,其主要影響水泥水化加速期水化放熱速率,能大幅度降低水化速率峰值(圖1),延長水化放熱過程,充分利用結構的散熱條件,為結構散熱贏得寶貴時間,能大幅度地緩解水化集中放熱程度, 削弱溫峰和溫降過程,降低溫度開裂風險。 在降低混凝土結構溫升的基礎上,抗裂劑還復合了不同活性MgO 等膨脹組分,可實現(xiàn)密封條件下硬化混凝土分階段、全過程收縮抑制[5]。

圖1 緩凝劑與水化熱調控材料的區(qū)別

2 工程背景

南京橫江大道紫創(chuàng)路隧道工程位于南京市江北新區(qū),毗鄰南京長江五橋。隧道鄰近長江,地下水豐富。 南京屬于亞熱帶季風氣候,“夏熱冬寒”的特殊氣候,給混凝土后期養(yǎng)護帶來很大困難。 根據紫創(chuàng)路隧道設計圖紙,側墻混凝土采用自防水結構形式,添加抗裂劑作為一種有效措施。 工程中涉及大體積混凝土施工,需要防止混凝土在凝結硬化過程中產生早期收縮及溫升,造成收縮率過大,引起開裂,破壞混凝土耐久性。

3 原材料與實驗方法

3.1 原材料

水泥采用P·O 42.5 水泥; 粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰;礦粉采用S95 級礦粉;砂采用天然河砂,砂細度模數(shù)為 2.61;骨料為(5~25) mm 連續(xù)級配的碎石;減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA-10 聚羧酸高性能減水劑;抗裂劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的HME-Ⅴ混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑(簡稱“抗裂劑”)。 水泥的化學成分見表1。

表1 水泥化學成分檢測結果 wt.%

3.2 配合比

C40 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, 以膠凝材料總量計摻量為4.6%、8%。通過減水劑等外加劑控制混凝土的坍落度在(180~220) mm。摻入抗裂劑后,混凝土的和易性良好,凝結時間相近,均屬于正常范圍內。

3.3 實驗方法

3.3.1 不同恒溫養(yǎng)護條件下C40 混凝土的限制膨脹測試

表2 摻膨脹劑的C40 強度等級混凝土配合比

混凝土限制膨脹測試參照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》和JGJ 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》 進行。 每個配比成型6 條帶10 mm 鋼筋限制器的(100×100×300)mm 限制膨脹混凝土試件, 用于測定20 ℃、40 ℃水養(yǎng)條件下混凝土的限制膨脹率。 試件在溫度為(20±1) ℃,抗壓強度(3~5) MPa 脫模,測完初長后分別放在不同溫度的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護,進行限制膨脹率的測試。

3.3.2 摻抗裂劑的C40 混凝土的絕熱溫升

絕熱溫升試驗參照GB 50496—2009 《大體積混凝土施工規(guī)范》的試驗方法。 混凝土絕熱溫升采用舟山市博遠科技開發(fā)有限公司BY-ATC/JR 型絕熱溫升測定儀測試。

3.3.3 C40 混凝土的力學性能

混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試。

3.3.4 C40 混凝土的耐久性能

C40 混凝土耐久性能的測試試驗參照GB/T50082—2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的試驗方法。

3.3.5 側墻C40 混凝土現(xiàn)場監(jiān)測

采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司自主研發(fā)的“混凝土應變無線監(jiān)測系統(tǒng)”分別對紫創(chuàng)路隧道某段側墻進行了變形和溫度監(jiān)測。側墻長30 m,厚度1.2 m。 監(jiān)測位置位于側墻的中心位置。

4 結果與討論

4.1 抗裂劑對C40 混凝土的限制膨脹率的影響

表3 為摻加抗裂劑混凝土不同配合比混凝土的試驗結果。 從表中可以看出,20 ℃情況下,限制膨脹率分別為 0.019%、0.035%,28 d 與 14 d 限制膨脹量差值分別為0.007%、0.008%。 40 ℃情況下,限制膨脹率分別為0.028%、0.040%,28 d 與14 d限制膨脹量差值分別為0.011%、0.015%。摻入抗裂劑后,C40 混凝土的限制膨脹率滿足JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》的抗裂性要求,滿足對墻體結構的限制膨脹率設計取值。

表3 摻抗裂劑的C40 混凝土的限制膨脹率 %

摻入抗裂劑的混凝土14 d 限制膨脹率得到顯著提高。 同時,28 d 與14 d 限制膨脹量差值約為未摻加抗裂劑混凝土配合比的4~5 倍。 混凝土摻加抗裂劑可以更好地抵抗混凝土的收縮變形, 混凝土的開裂風險也會降低。同時,可全過程補償混凝土收縮變形。 養(yǎng)護溫度越高,限制膨脹率越高,抵抗開裂的能力越強,對于大體積混凝土、高強度以及夏季高溫施工下的混凝土變形,有更好的補償收縮作用。

4.2 抗裂劑對C40 混凝土絕熱溫升的影響

1~3 d 混凝土絕熱溫升變化速度較快,3 d 之后速度逐漸變緩,約6 d 之后混凝土絕熱溫升逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖2 基準及摻抗裂劑的C40 混凝土的絕熱溫升

由圖2 可知,C30 基準混凝土9 d 的絕熱溫升約50.5 ℃,摻39 kg/m3抗裂劑的C50 混凝土9.3 d的絕熱溫升約44.1 ℃。 抗裂劑能很好地放緩膠材水化放熱歷程,有效地降低膠凝材料中水泥早期水化放熱速率,延緩水化歷程,大幅度緩解水泥水化集中放熱、水化產物的膨脹性能。

4.3 抗裂劑對C40 混凝土力學性能的影響

摻抗裂劑的C40 混凝土抗壓強度滿足C40 混凝土設計強度要求,且摻HME-V 混凝土(溫控、防滲) 高效抗裂劑并未降低C40 混凝土的抗壓強度(表 4)。

表4 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗壓強度

4.4 抗裂劑對C40 混凝土耐久性能的影響

4.4.1 抗?jié)B性能

基準混凝土與摻入抗裂劑的C40 混凝土相比,抗裂劑對C40 混凝土的抗?jié)B性能有明顯提高,相同試驗水壓力下有效降低了滲水高度,抗?jié)B性能檢測結果見表5。

表5 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B性

4.4.2 抗氯離子侵蝕

摻入抗裂劑的C40 混凝土低于基準混凝土,表明抗裂劑提升了C40 混凝土的抗氯離子侵蝕性能,檢測結果見表6。

表6 摻與未摻抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B透性能

4.5 隧道某段側墻的C40P8 抗裂混凝土的溫度-變形監(jiān)測及抗裂效果

此段混凝土的抗裂劑摻量是8%。 由圖3 可知,初凝后混凝土中心位置的溫升達40 ℃。 溫升階段,厚度方向膨脹變形達776 με,長度方向膨脹變形達403 με。 混凝土溫升階段,厚度方向和長度方向膨脹變形隨溫度呈直線增長,厚度方向的單位膨脹變形為 20.83 με/℃, 長度方向的單位膨脹變形為10.11 με/℃。監(jiān)測數(shù)據表明,抗裂劑在側墻結構中產生了有效膨脹變形。

圖3 某段C40P8 混凝土的側墻中心位置溫度-變形監(jiān)測結果(30 m 長、1.2 m 厚)

觀察采用上述抗裂劑并進行溫度-變形監(jiān)測的紫創(chuàng)路隧道某段C40P8 側墻混凝土外觀, 未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫及滲漏。

5 結論

(1)添加抗裂劑的C40 混凝土14 d 水養(yǎng)限制膨脹率均能夠達到0.015%, 已經滿足補償收縮混凝土的設計取值,能夠在混凝土內部產生約(0.2~0.7)MPa的膨脹應力。 14 d~28 d 水養(yǎng)條件的限制膨脹率持續(xù)增長, 表明添加抗裂劑能夠補償混凝土早期自收縮, 而且能夠補償混凝土的溫降收縮和后期拆模后的干燥收縮, 但7 d~28 d 內水養(yǎng)條件下的限制膨脹增長幅度明顯低于7 d 內的膨脹變形, 表明混凝土在28 d 以后的膨脹會趨于收斂, 不存在安定性問題。

(2)摻入蘇博特制備的HME-V 混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑能較好地降低混凝土膠凝材料的早期水化反應速率,降低溫升。 結合抗壓強度數(shù)據分析,摻入HME-V 型混凝土抗裂劑能夠抑制混凝土早期溫升且不影響混凝土后期強度。 相比基準C40 混凝土,摻入抗裂劑的C40 混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子滲透性能得到大幅度提高。

(3)監(jiān)測數(shù)據表明,抗裂劑在隧道某段側墻結構中產生了有效膨脹變形。對采用上述抗裂劑某段C40P8 側墻混凝土外觀觀測,未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫及滲漏。

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