低熱抗裂沉管混凝土膠材體系優化研究

劉敏，李社偉

（中鐵隧道集團二處有限公司南昌市紅谷隧道工程施工項目經理部，江西 南昌 330209）

低熱抗裂沉管混凝土膠材體系優化研究

劉敏，李社偉

（中鐵隧道集團二處有限公司南昌市紅谷隧道工程施工項目經理部，江西 南昌 330209）

本文通過水化熱、小圓環抗裂試驗，研究了粉煤灰、礦渣粉對低熱抗裂沉管混凝土膠材體系水化放熱性能和抗裂性能的影響。結果表明，粉煤灰和礦渣粉可明顯降低膠材體系的水化放熱速率及放熱總量，降低升溫速率；20% 粉煤灰和 20%礦渣粉制備的砂漿抗裂性能最好；摻入 20% 粉煤灰和 20% 礦渣粉的 C60F20K20 膠凝材料體系適合配制沉管主體混凝土，而摻入20% 粉煤灰和 10% 膨脹劑的 C70F20P10 膠凝材料體系適合配制后澆帶混凝土。

低熱抗裂；沉管混凝土；水化熱；小圓環抗裂試驗

大體積混凝土是指混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于 1m 的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土[1]。隨著工程規模的逐漸增大，混凝土構件尺寸逐步增大，混凝土設計強度不斷提高。為達到設計要求的較高強度，混凝土中膠凝材料用量不斷增大，水化熱和收縮增加，混凝土的抗拉強度并沒有隨抗壓強度的提高而成比例提高，反而導致混凝土抗裂能力有一定程度的下降。因配合比設計不合理，混凝土水化放熱迅速、水化溫度升高，導致的大體積混凝土開裂問題十分普遍。因此，水化熱和抗裂能力是大體積混凝土設計和施工過程中的關鍵控制參數。[2-3]

南昌市紅谷隧道連接南昌市紅谷灘新區與東岸老城區，采用沉管法進行施工，沉管段為鋼筋混凝土結構，全長1305m，共 12 節管段。沉管橫斷面寬 30m，高 8.3m，底板厚1.2m，頂板厚 1.1m，側墻厚 1.0m，屬于大體積混凝土。因此，配制低熱抗裂高性能混凝土是控制沉管大體積混凝土裂縫的關鍵因素之一。

本文介紹該工程通過水化熱和小圓環抗裂試驗，研究了粉煤灰、礦渣粉對膠凝材料體系水化放熱和抗裂性能的影響，優選并確定了低熱抗裂沉管混凝土的膠凝材料組成。

1 原材料

水泥：江西贛江海螺水泥有限公司生產 P·O42.5 水泥，比表面積 319m2/kg，其物理性能見表1。

表1 水泥物理性能

粉煤灰：江西益材粉煤灰開發公司生產的 F 類 Ⅰ 級粉煤灰，45μm 篩余 5.4%，需水量比 95%，燒失量 3.6%。

礦粉：新余中冶環保資源開發有限公司生產的 S95 礦渣粉，比表面積 410m2/kg，流動度比 100%，28d 活性指數95%。

砂：江西贛江河砂，含泥量 0.8%，細度模數 2.4，堿活性 0.04%。

膨脹劑：北京成城交大建材有限公司生產 CC-12 型膨脹劑，國際Ⅰ型產品，水中 7d 限制膨脹率 0.074%，空氣中 21d限制膨脹率 0.026%。

2 試驗方法

2.1 水化熱試驗

水化熱試驗，采用英國 Wexham 公司 JAF-4 膠凝材料體系水化熱測定裝置進行，自動采集并自帶分析軟件計算放熱曲線，用于評價膠凝材料體系在水化過程中放熱性能。水膠比 0.50，水化熱試驗膠凝材料配比見表2。

表2 水化熱試驗膠凝材料配比 %

2.2 小圓環試驗

中華民族遠古不同的部落有不同的圖騰，在部落融合的過程中，其圖騰也實現融合。中華民族主要圖騰龍和鳳均是融合了諸多動物元素的產物。良渚人對鳥的崇拜應看成是中華民族鳳崇拜的先聲。

小圓環試驗采用膠砂進行，水膠比 0.40，灰砂比 1:2，膠砂配比見表3。小圓環試件尺寸為內徑 41.3mm，外徑66.7mm，高度 25.4mm。所用成型標準模具包括內環、外環和底座（見圖 1），外環由兩個半環組成，并且用螺栓連接的薄鐵皮套箍加以固定。

圖 1 小圓環試驗

表3 小圓環試驗膠凝材料配比 g

每組成型 3 個試件。砂漿攪拌好之后，分兩次裝模，用小刀插搗，手動振搗成型。成型后立即移入溫度 (20±1)℃，濕度＞95% 的標準養護箱內養護，24h 后拆模。試件拆模后，立即移入溫度 (20±1)℃、濕度 (60±5)% 的干空室內放置。記錄試件表面的裂縫發展情況，記錄試件的開裂時間和裂縫寬度。開裂時間從加水攪拌后 24h 開始計算。

3 結果與分析

3.1 純水泥水化放熱性能

純水泥水化放熱數據每隔 10 秒采集一次，根據數據繪制純水泥水化放熱曲線，見圖 2。

圖 2 純水泥水化放熱性能

由于取值問題，圖中不能清晰地反映出 3h 前的水化放熱情況，但放熱總量不大，對溫度裂縫影響不大。初始水泥反應速率較大，其后由于鈣礬石的形成，使水化反應速率迅速減緩。在 3h 左右時達到低點，意味著水化反應誘導期結束開始進入加速反應期。在水化反應加速期，由于 C3S 的迅速水化，形成 C-S-H 和 CH，放出熱量，在 15h時達到整個水化過程的最高頂點，其放熱速率峰值為 2.5mW/g，此時水泥漿體已經終凝，開始硬化。此后，水化放熱速率快速降低，由于石膏消耗完畢，在 45h 左右，剩余的 C3A 水化產物與 AFt 反應生成 AFm，減緩了放熱速率的降低趨勢。這個階段之后，水化反應放熱速率降低到很小，并趨于逐漸穩定[4]。此外，水泥 12h 的放熱總量為 47.7J/g，1d 的放熱總量為 147.1J/g，3d的放熱總量為 248.5J/g。

3.2 粉煤灰對膠凝體系水化放熱的影響

粉煤灰可以降低大體積混凝土水化熱[5]，并改善其耐久性能。粉煤灰對膠凝材料材料體系放熱速率、放熱總量的影響見圖 3 和表4。

圖 3 摻 20% 粉煤灰體系的放熱性能

表4 單摻粉煤灰、礦渣粉膠凝體系的水化放熱特征

由圖 3 和表4 可知，摻入 20% 粉煤灰后，膠凝材料放熱總量和放熱速率均出現了一定程度的下降。C80F20 體系，在12h 時，水化放熱總量約為純水泥體系的 79%；在 24h 時，水化放熱總量約為純水泥體系的 82%；而到 36h 時，水化放熱總量約為純水泥體系的 85%，此后穩定在 87% 左右。這說明在水化反應的初始階段，粉煤灰參與水化放熱的程度較低，粉煤灰可以降低放熱速率，推遲水化放熱峰值出現的時間，減少放熱總量。摻入 20% 粉煤灰后，膠凝材料水化放熱總量可以降低 12% 左右，單位質量粉煤灰放熱量為水泥放熱量的4% 左右，放熱峰值出現的時間推遲 3h 左右。

3.3 礦渣粉對膠凝體系水化放熱的影響

圖 4 摻 30% 礦渣粉體系的放熱性能

摻入 30% 礦渣粉后，膠凝材料放熱總量和放熱速率同樣均出現了一定程度的下降。C70K30 體系，在 12h 時，水化放熱總量約為純水泥體系的 67%；在 24h 時，水化放熱總量約為純水泥體系的 76%；在 36h 齡期時，水化放熱總量約為純水泥體系的 77%，此后逐漸增大，到 135h 時，達到 85%左右，單位礦渣粉放熱量為水泥放熱量的 5% 左右。結果表明，礦渣粉參與水化反應的程度比粉煤灰高。摻入 30% 礦渣粉后，膠凝材料水化放熱總量可以降低 15% 左右，放熱峰值出現的時間推遲 4h 左右。

3.4 粉煤灰、礦渣粉復摻對膠凝體系水化放熱的影響

復摻 40%～60% 的粉煤灰、礦渣粉膠凝材料體系的水化放熱性能見圖 5和表5。復摻礦渣粉與粉煤灰后，隨著摻量的增加，膠凝材料體系的水化放熱速率、放熱總量明顯降低，最大放熱速率出現前后放熱速率增大與降低趨勢變緩，整個放熱過程的放熱速率曲線也趨于平緩。礦物摻合料摻量達到40% 時，在放熱主峰之后有放熱副峰出現，復混摻粉煤灰和礦渣粉更加有利于混凝土的溫控，實現“緩慢溫升－溫降”目的。

表5 混摻粉煤灰和礦渣粉體系的水化放熱特征

圖 5 復摻粉煤灰、礦渣粉體系的放熱性能

3.5 膠凝材料體系小圓環抗裂性能

膠凝材料體系小圓環試件的開裂時間和裂縫寬度結果見表6。

表6 小圓環試驗結果

結果表明，所有開裂的試件，均是從圓環半徑方向開裂，一般沒有開裂征兆，均是瞬間通裂。每個圓環試件產生一條裂縫后，不會在其它位置產生裂縫。裂縫的平均寬度與混凝土收縮量密切相關，收縮量越大，裂縫寬度越寬。純水泥體系和單摻礦渣粉體系的裂縫寬度較寬，平均達到0.20mm。摻入粉煤灰的體系裂縫寬度較小，一般為 0.10～0.15mm。C60F20K20 膠凝材料體系所成型的三個試件，在干空室放置 60d 時，尚未觀察到貫穿裂縫。C60F20P10 因摻入膨脹劑，圓環試件發生膨脹，在試件成型 7d 左右時，試件中間的鐵芯已經可以取出，試件未受到鐵芯的約束，試件未開裂。

隨著摻合料摻量的增大，膠凝材料的水化放熱速率峰值逐漸降低，峰值出現的時間推遲，水化放熱總量逐漸降低，從水化熱的角度說，摻合料摻量越大，混凝土水化放熱越少，產生溫度裂縫的可能性越低。

小圓環試驗是膠凝材料體系在干燥收縮條件下的抗裂性能的綜合反應，試件的開裂與砂漿的收縮量（收縮應力）和砂漿的抗拉強度兩個指標密切相關，砂漿的收縮應力超過抗拉強度時，在最薄弱的位置瞬時產生貫穿裂縫。研究表明，粉煤灰的摻入能降低混凝土的干燥收縮[6]，而礦渣粉的摻入幾乎沒有降低混凝土干燥收縮的作用。與純水泥體系相比，摻合料的摻入可以降低總水化熱，適當降低混凝土干燥收縮，降低收縮應力，但摻合料會降低混凝土的早期抗拉強度，因此礦物摻合料的摻入并非越多越好，而是存在合理低值。

綜合水化熱和小圓環試驗結果，同時考慮沉管混凝土抗滲性能等耐久性參數的要求，沉管主體混凝土采用摻入 20%粉煤灰和 20% 礦渣粉的膠凝材料體系，該膠凝材料體系水化熱較低，抗裂性能較好。后澆帶混凝土采用摻入 20% 粉煤灰和 10% 膨脹劑的 C70F20P10 膠凝材料體系。

4 結論

（1）摻入粉煤灰和礦渣粉等摻合料，可明顯降低膠凝材料水化放熱速率及放熱總量，降低升溫速率。粉煤灰對水化放熱總量的降低作用比礦渣粉略大。

（2）小圓環抗裂試驗結果表明，摻入 20% 粉煤灰和20% 礦渣粉的 C60F20K20 膠凝材料體系成型的砂漿抗裂性能最好。

（3）從水化熱溫升以及材料自身抗裂性能出發，采用摻入 20% 粉煤灰和 20% 礦渣粉的 C60F20K20 膠凝材料體系配制沉管主體混凝土。采用摻入 20% 粉煤灰和 10% 膨脹劑的C70F20P10 膠凝材料體系配制后澆帶混凝土。

[1] GB 50496—2009，大體積混凝土施工規范[S]．

[2] 趙娜，王凱挺，張立明． 橋梁大體積混凝土水化熱控制技術研究[J]． 山西建筑，2015, 28:152-153．

[3] 杜知博，陳省軍，劉慶宇，等．信達國際金融中心大體積混凝土底板施工技術[J]．施工技術，2016,9: 7-9．

[4] 李超，羅德龍，王迎飛，等． 青島海灣大橋膠凝材料體系水化放熱性能及開裂敏感性研究[J]．公路，2009, 9: 173-178.

[5] 劉生承．粉煤灰在菲律賓阿格諾河大壩工程大體積混凝土中的應用[J]．水利水電技術，2014, 4: 93-95+97．

[6] 王朝陽，范喜堯，江守恒．粉煤灰對混凝土干縮的影響[J].低溫建筑技術，2010, 4: 23-24．

［通訊地址］江西省南昌市東湖區沿江中大道新洲路 8 號 紅谷隧道經理部（330209）

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劉敏（1982—），男，工程師。