防裂抗滲復合材料對地鐵結構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）

地鐵是節省土地、減少噪聲、減少干擾、節約能源、減少污染的一種交通方式。地鐵工程屬大體積地下工程，技術復雜，投資巨大，設計年限長。地鐵混凝土除強度等級要滿足結構要求外，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，用于地鐵建設的混凝土需要具備更高的耐久性能，對混凝土主要技術指標、配合比設計及相應的制備和技術均有更高要求。

1 DW-2 防裂抗滲復合材料特點

DW-2 防裂抗滲復合材料能通過優質合成纖維“橋接效應”，有效降低早期塑性開裂，提高整體體積穩定性；利用高功能粉體材料改變水泥水化過程和水化產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、抗滲性能；高功能粉體材料能起到鎖水作用，降低孔隙水的表面張力，減少毛細孔失水產生的收縮應力。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，減少因溫度應力而產生的開裂。

2 配合比設計

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 防裂抗滲復合材料（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

混凝土試件的試驗方法，根據 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的規定執行。判定依據為 T/CECS 10001—2019《用于混凝土中的防裂抗滲復合材料》。

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，在標準養護室內養護 24 h 后脫模。試件脫模后，在標準養護室養護至各齡期，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果見表 2 。經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，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果

3.2 DW-2 對混凝土力學性能的影響

依據 GB/T 50081—2002 進行標準養護（溫度為20±2℃、相對濕度＞95%）。達到相應試驗齡期后，對照 T/CECS 10001—2019 進行各項指標檢測?；炷亮W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；抗滲能力明顯增加，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

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

表4 砂漿回縮變形試驗結果（×10-6）

圖1 砂漿回縮與齡期關系圖

從圖 1 可看出，摻加 DW-2 防裂抗滲復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 實際工程應用

4.1 實測溫度場和應力場變化

使用 2 個振弦式應變傳感器，分別將其置于 A 和 B 混凝土澆筑體內。選取地下混凝土工程典型部位，對工程現場進行溫度場、應變場實時監測，指導混凝土工程養護，建立仿真模型,對開裂的可能性進行預測。A 配合比混凝土應力分布、溫度與養護時間關系分布見圖 2，B 配合比混凝土應力分布、溫度與養護時間關系分布見圖 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 達到應力峰值 90.38 微應變，B 在 27 h 達到應力峰值 68.12微應變。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 微應變。B 應力變化比較平緩，A 在第 8 d 成斷崖式下降。數值顯示，A 應變計所在位置在 1 d和 8 d 可能出現較大的開裂風險。實際情況是，A 出現很多開裂并且滲漏；B 施工的混凝土共 2 648 m2，至今沒有滲漏，僅發現 3 條長度 ＞3 000.0 mm、寬度 ＜0.2 mm 的裂縫（其中有 2 條出現在端頭井距離 3 m 的 2 個壁柱中間），數條長度 ＜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，摻防裂抗滲復合材料的地鐵側板墻的開裂面積占比只有 0.685mm2/m2。對照 T/CECS10001—2019 標準，裂縫降低系數達到 99.99993%，接近 100%。

圖2 A 配合比混凝土應力分布、溫度與養護時間關系分布

圖3 B 配合比混凝土應力分布、溫度與養護時間關系分布

4.2 現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。結果表明，28 d實體強度滿足設計要求。

表5 B 實體 28 d 回彈強度 MPa

5 結 語

本次研究得出的試驗結果表明 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，且沒有經時損失，1 h 擴展度略有增加。凝結時間延緩 7 h，能夠提高混凝土密實度，和易性好，泌水率小。

(2) 各項力學性能有較大幅度的提高：裂縫降低系數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，達到設計要求。與 A 相比現場監測混凝土溫度峰值下降 4 K，應力峰值延緩了 18 h，且降低了 22.26 微應變。

(4) 對照 GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》，現場 B 混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值為 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 防裂抗滲復合材料能改善混凝土在地鐵施工環境中的成型效果，大幅減少混凝土表面裂縫的產生，同時提高了地下結構抗滲性能。