抗裂劑對鋼殼混凝土收縮及熱學性能的影響

齊 鵬，李海亮，程景瑜，胡 沖，陸安群

(1.中交二公局第二工程有限公司，陜西 西安 710119; 2. 江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

0 引言

南京長江五橋跨江主橋采用縱向鉆石型索塔中央雙索面三塔組合梁斜拉橋[1]。主塔采用鋼殼混凝土結構。混凝土與鋼構成現代建筑結構的兩種最重要的建筑材料。鋼殼混凝土是鋼殼內填充混凝土而成的鋼-混凝土組合結構。鋼殼內的混凝土受到鋼殼的側向約束處于三維受力狀態，抑制脆性破壞，提高了抗壓強度；同時克服了鋼結構易局部屈曲的缺點。鋼殼混凝土組合橋塔綜合發揮了鋼與混凝土材料性能的優勢，具有抗震性能好、結構阻尼大、抗風性能優越，使橋塔結構在整體力學性能上有極大優勢[2]。

鋼殼與其核心混凝土間的協同互補作用是鋼殼混凝土具有的一系列突出優點的根本所在。鋼殼混凝土澆注后，內部填充的混凝土與外部鋼殼壁是直接粘接的。但由于混凝土自身的收縮變形(主要是自收縮、溫度收縮)及徐變，隨著時間的推移，混凝土與鋼管壁極易產生嚴重的脫空、脫黏問題。鋼殼混凝土澆注后是否脫空直接影響到構筑物的承載力和鋼管混凝土的復合彈性模量，從而影響到構筑物的安全性及能否正常工作。如何補償或抑制混凝土的收縮變形及徐變，防止混凝土-鋼殼界面損失(脫空、脫黏)，成為工程界關注的熱點。

南京長江五橋塔柱為C50大體積混凝土結構。C50大體積混凝土絕熱溫升高，如不控制大體積混凝土溫升，極易因較大的溫降收縮和內表溫差大而產生收縮應力，從而導致核心混凝土開裂和混凝土-鋼殼脫空。因此，需對混凝土采用合理的溫度控制措施，設計要求混凝土內部溫度不大于65 ℃。

利用膨脹組分在水化過程中產生的體積膨脹補償混凝土的收縮，是防止鋼殼與核心混凝土脫空，提高鋼殼混凝土的結構穩定性的重要措施之一。目前鋼殼混凝土結構的高性能混凝土常采用低堿型UEA類膨脹劑，此類膨脹劑存在膨脹效能低和水化速率快的問題，難以有效補償鋼殼混凝土的自收縮、溫降收縮和徐變引起的收縮。采用具有補償收縮作用的抗裂材料是制備低溫升、高抗裂的無收縮混凝土的關鍵。

本研究根據南京長江五橋索塔設計要求，研究具有溫控效果的復合抗裂劑對索塔用鋼殼混凝土的變形及熱學性能的影響規律，為南京長江五橋鋼殼混凝土的無收縮和溫控提供技術支撐，從而保證工程質量。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺P·Ⅱ42.5型硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰；礦粉：梅寶S95粒化高爐礦渣粉；骨料：5～16及16～25 mm級別碎石；砂：Ⅱ區河砂，細度模數2.8；外加劑：江蘇某聚羧酸鹽減水劑。抗裂劑采用江蘇某材料股份有限公司制備的具有溫控、防滲效果的高效抗裂劑。原材料化學成分見表1。

表1 水泥和礦物摻合料的化學成分(單位:wt%)Tab.1 Chemical composition of cement and mineral admixture (unit: wt%)

江蘇某材料股份有限公司制備的抗裂劑具有溫度場和膨脹歷程雙重調控的技術特征。一方面利用溫升抑制材料，降低水泥水化加速期的放熱速率(緩凝劑主要延長誘導期時間)，避免早期水化放熱過于集中，達到降低混凝土結構溫升、溫降收縮，進而降低溫度開裂風險。另一方面，基于實體結構變形歷程特點，利用不同膨脹特性的膨脹組分實現分階段、全過程(溫升階段、溫降階段及硬化后期階段)的補償收縮。此外，溫升抑制材料和膨脹組分復合，在延緩結構的升溫速度的同時，可避免膨脹組分膨脹速率過快，為建立有效膨脹和膨脹壓應力的儲存贏得時間，增強其全過程補償收縮效果。上述抗裂劑材料技術特點如圖1所示。

圖1 抗裂劑的溫升抑制、微膨脹功能的技術特點Fig.1 Technical characteristics of temperature rise inhibition and micro-expansion function of anti-cracking agent

1.2 配合比

南京長江五橋索塔C50混凝土的配合比在滿足相應的力學性能的同時，需兼顧抗裂性能。通過減水劑等外加劑控制C50混凝土坍落度在220～240 mm，擴展度控制在550～600 mm。表2為設計的中上塔柱及中下塔柱C50混凝土的配合比。抗裂劑采用內摻、替代粉煤灰的方式。

表2 中上塔柱及中下塔柱C50混凝土的基準配合比(單位：kg/m3)Tab.2 Benchmarking mix proportion of C50 concrete for middle upper pillar and middle lower pillar (unit: kg/m3)

1.3 試驗方法

1.3.1 標準養護條件下的C50混凝土的力學性能

混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試。

1.3.2 20 ℃條件下C50混凝土的限制膨脹率

JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規程》指出，混凝土限制膨脹率是指混凝土的膨脹被鋼筋等約束體限制時導入鋼筋的應變值。混凝土限制膨脹率參考GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》測試，每個配比成型6條帶Φ10 mm鋼筋縱向限制器的100 mm×100 mm×300 mm限制膨脹混凝土試件，用于測試20 ℃水中養護、絕濕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3條試件立即放入(20±1) ℃ 恒溫水中，3條試件用錫箔紙密封后放入(20±1) ℃的室內。待到規定齡期測試長度。混凝土的絕濕條件下的限制膨脹率，試驗方法參考GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的混凝土限制膨脹率試驗方法。絕濕條件下混凝土的限制膨脹率測試，如圖2所示。絕濕條件是指混凝土與外界環境無任何濕度交換的條件。

圖2 絕濕條件下混凝土的限制膨脹率測試裝置Fig.2 Test device for restrained expansion rate of concrete under condition of absolute humidity

1.3.3 20 ℃條件下C50混凝土的自生體積變形

混凝土自生體積變形是指混凝土在恒溫絕濕情況下由于混凝土膠凝材料自身水化引起的體積變形。

混凝土自生體積變形參考SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行測試。混凝土試件放置于標準養護室[溫度(20±1) ℃、相對濕度(60±5)%]內。混凝土的自生體積變形測試采用BT?-AS100混凝土自收縮應變測試儀，如圖3所示。混凝土自生體積變形的0點選取混凝土在標準養護室[溫度(20±1) ℃、相對濕度(60±5)%]的初凝時間。

圖3 BT?-AS100混凝土自收縮應變測試儀Fig.3 BT?-AS100 concrete self-shrinkage strain gauge

1.3.4 C50混凝土的熱學性能

混凝土絕熱溫升采用舟山市某科技開發有限公司BY-ATC/JR型絕熱溫升測定儀測試。

1.3.5 模擬塔柱溫度歷程的C50混凝土的變形

在強度、限制膨脹率、自生體積變形及絕熱溫升測試的基礎上，基于理論計算的模擬某段塔柱溫度歷程，監測C50混凝土的變形。采用某集團NZS-15G2型差動電阻式應變計監測變形。

2 結果與討論

2.1 不同摻量抗裂劑對C50混凝土的力學性能的影響

表3為摻不同摻量抗裂劑的C50混凝土的抗壓強度發展趨勢。不同配合比的混凝土自由試塊7 d的抗壓強度在41.3～50.5 MPa，28 d的抗壓強度在53.5～60.1 MPa，60 d的抗壓強度在60.9～66.5 MPa。根據南京長江五橋設計要求C50混凝土配制60 d抗壓強度應59.9 MPa。各組配合比均能滿足其強度要求。

表3 摻不同摻量抗裂劑的C50混凝土的抗壓強度(單位：MPa)Tab.3 Compressive strength of C50 concrete mixed with different amounts of anti-cracking agent (unit: MPa)

在總膠材料450 kg/m3、水泥用量245 kg/m3的配合比中，隨著抗裂劑摻量的增加，混凝土抗壓強度逐漸降低；與1#-C50ref相比，1#-C50-30(內摻30 kg/m3)和1#-C50-35(內摻35 kg/m3)的抗壓強度分別降低4.5%，5.0%。摻入抗裂劑的混凝土7 d 強度相比1#-C50ref基準混凝土降幅在11.5%～16.1%，摻抗裂劑的混凝土后期強度增長幅度明顯高于基準混凝土。總膠材料450 kg/m3、水泥用量225 kg/m3的2#配合比中，隨著抗裂劑摻量的增加，混凝土抗壓強度的變化規律與1#配合比的規律相似。

通過對比各配合比各齡期強度發展規律可見，與基準組相比，摻入具有溫控效果的抗裂劑的混凝土早期強度增長較慢，尤其在7 d以內，強度發展較慢；7 d后混凝土強度持續增長，其增幅超過基準混凝土。其原因是具有溫控效果的抗裂劑延緩了水泥加速期的水化放熱速率，但并未影響水泥的最終放熱量的；宏觀表現出摻抗裂劑的混凝土早期強度相對低些，但后期強度增長幅度明顯超過基準混凝土。隨著齡期的增長，膠凝材料持續水化，摻抗裂劑的混凝土的強度繼續增長。南京長江五橋的C50鋼殼混凝土的強度參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試。實體鋼殼混凝土結構中，由于摻抗裂劑的混凝土體積膨脹，在鋼殼約束條件下，混凝土內部孔隙減少、混凝土結構更加致密，其強度明顯高于基準混凝土。

2.2 不同摻量抗裂劑對C50混凝土的限制膨脹率的影響

20 ℃水養條件下，總膠材料450 kg/m3，抗裂劑摻量分別為20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的限制膨脹率如圖4所示。20 ℃水養條件下，隨著抗裂劑摻量的增加，C50混凝土的限制膨脹率增大。在總膠材料450 kg/m3、水泥用量245 kg/m3的配合比中，摻20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的14 d限制膨脹率分別為1.69×10-4，2.48×10-4，3.19×10-4，3.57×10-4。總膠材料450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3的1#配合比的限制膨脹率和水泥用量225 kg/m3的2#配合比的限制膨脹率規律相近。

圖4 20 ℃水養條件下不同抗裂劑摻量的C50混凝土的限制膨脹率Fig.4 Restrained expansion rate of C50 concrete with different anti-cracking agent contents under condition of water curing at 20 ℃

20 ℃水中養護14 d，內摻30 kg/m3抗裂劑的C50混凝土限制膨脹率達到3.0×10-4，達到JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規程》中后澆帶、膨脹加強帶等部位的限制膨脹率設計取值。

20 ℃絕濕條件下，總膠材料450 kg/m3，抗裂劑摻量分別為20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的限制膨脹率如圖5所示。20 ℃水養條件下，隨著抗裂劑摻量的增加，C50混凝土的絕濕限制膨脹率增大。不摻抗裂劑的C50混凝土在絕濕條件下28 d產生了限制收縮，其收縮量約3.0×10-4。若索塔鋼殼混凝土收縮后，鋼殼和混凝土存在極大的脫空風險。當摻入25 kg/m3抗裂劑，混凝土28 d表現出膨脹變形，但10 d后存在收縮趨勢。當摻入30～35 kg/m3抗裂劑時，C50混凝土表現出微膨脹趨勢，且后期也未產生明顯的收縮趨勢。

圖5 20 ℃絕濕條件下不同抗裂劑摻量的C50混凝土的限制膨脹率Fig.5 Restrained expansion rate of C50 concrete with different anti-cracking agent contents under condition of absolute humidity at 20 ℃

在水養條件下，C50基準混凝土也表現出濕脹變形。在水養條件下，抗裂劑中的膨脹組分(氧化鈣-硫鋁酸鈣等)可充分水化反應，表現出較大的膨脹變形。絕濕條件下，基準混凝土的變形主要由自生水化產生的化學減縮所引起的自收縮。氧化鈣、硫鋁酸鈣的膨脹性能取決于混凝土孔溶液中水分含量及外界水的含量。圖3表明此種抗裂劑產生較大膨脹變形，所需自由水量少，在絕濕條件下仍可產生較大的膨脹變形。

2.3 不同摻量抗裂劑對C50混凝土的自生體積變形的影響

20 ℃條件下，總膠材料450 kg/m3，抗裂劑摻量分別為20，25，30和35 kg/m3的C50混凝土的自生體積變形如圖6所示。20 ℃密封養護條件下，膨脹持續時間隨抗裂劑摻量的增加而延長，膨脹量隨著抗裂劑摻量增加而增長。圖6(a)可知，以初凝為0點，未摻抗裂劑的C50基準混凝土(1#-C50ref)28 d的自收縮約2.30×10-4。每方混凝土摻入20 kg/m3抗裂劑時，混凝土28 d的變形仍處于收縮狀態。每方混凝土摻入25 kg/m3抗裂劑時，混凝土28 d內的變形處于膨脹狀態，其最大膨脹變形(7 d)為0.96×10-4；隨著齡期增長，混凝土的膨脹變形變小，28 d的膨脹變形為0.19×10-4。每方混凝土摻入30 kg/m3抗裂劑時，混凝土28 d的變形處于膨脹狀態，其最大膨脹變形(14 d)為1.93×10-4，且后期變形趨于穩定。每方混凝土摻入35 kg/m3抗裂劑時，混凝土28 d內的變形處于膨脹狀態，其最大膨脹變形(14 d)為2.43×10-4，后期變形趨于穩定，28 d的膨脹變形為2.29×10-4。總膠材料450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3的1#配合比的限制膨脹率和水泥用量225 kg/m3的2#配合比的限制膨脹率規律相近。

圖6 20 ℃條件下不同抗裂劑摻量的C50混凝土的自生體積變形Fig.6 Autogenous volume deformation of C50 concrete with different anti-cracking agent contents at 20 ℃

鋼殼混凝土的收縮變形以自收縮和溫降收縮為主。若要混凝土不脫空，C50鋼殼混凝土的變形需處于微膨脹狀態。抗裂劑摻量較低時，抗裂劑產生的膨脹變形無法抵御混凝土的自收縮；抗裂劑摻量達到30 kg/m3時，抗裂劑的補償收縮作用完全抑制了混凝土的自收縮。隨著齡期的增長，混凝土中膠凝材料自身水化和抗裂劑的反應基本完全后，混凝土的體積變形趨于穩定。

南京長江五橋索塔工程，混凝土硬化階段收縮主要以自收縮、溫降收縮和長期徐變收縮為主。根據設計指標要求，混凝土在密封條件下28 d自由膨脹值達到1.0×10-4～2.0×10-4即可。結合C50混凝土的力學性能、限制變形、自由變形性能考慮，擬對比研究每方混凝土中加30 kg/m3，35 kg/m3抗裂劑的配合比的熱學性能。

2.4 不同摻量抗裂劑對C50混凝土的熱學性能的影響

C50混凝土水化熱產生的溫度變化梯度大，易使結構物表面產生裂縫。尤其是大體積混凝土施工過程中，水泥水化過程釋放的水化熱帶來的溫度變化和混凝土自身收縮共同作用，產生的較大的溫度應力和拉應力，極易導致混凝土出現裂縫。在混凝土施工期間，如何降低水化熱，控制混凝土內外溫差和收縮裂縫是混凝土施工質量控制的重點。為此，對比研究了總膠材料450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂劑摻量分別為30 kg/m3和35 kg/m3的C50混凝土的絕熱溫升。

圖7為總膠材450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂劑摻量分別為30 kg/m3和35 kg/m3的C50混凝土的絕熱溫升。由圖7試驗測試結果可知，C50基準混凝土9.2 d的絕熱溫升約50.5 ℃，基準混凝土摻抗裂劑30 kg/m3的混凝土9.2 d的絕熱溫升約44.2 ℃，基準混凝土摻抗裂劑30 kg/m3的C50混凝土9.2 d的絕熱溫升約43 ℃。隨著抗裂劑摻量增加，混凝土9.2 d內的溫升降低，且混凝土升溫速率變緩，但溫升值在持續上升。具有溫控效果的抗裂劑，通過降低水泥水化熱過程中的水化放熱速率，延長水泥水化放熱過程。充分利用結構散熱條件，為混凝土結構散熱換取時間，減緩水泥水化集中放熱，減小溫度升高和降低速率。混凝土入模溫度約20 ℃，混凝土溫升約44.2 ℃，滿足索塔鋼殼結構混凝土內部溫度不大于65 ℃的設計要求。結合C50混凝土的力學性能、限制變形、自由變形、熱學性能及經濟性考慮，南京長江五橋索塔工程擬采用每方混凝土中加30 kg/m3抗裂劑的配合比(1#-C50-30，2#-C50-30)。

圖7 C50混凝土絕熱溫升曲線Fig.7 Adiabatic temperature rise curves of C50 concrete

2.5 模擬某段塔柱溫度歷程的C50混凝土的變形

在強度、限制膨脹率、自生體積變形及絕熱溫升測試的基礎上，基于理論計算的模擬某段塔柱溫度歷程，監測C50混凝土的變形。圖8為總膠材450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂劑摻量為30 kg/m3的C50混凝土在變溫條件下的變形。以初凝為0點，混凝土在溫升階段最大膨脹變形5.6×10-4；溫降階段，混凝土14 d后的變形趨于穩定。根據構件試驗結果，摻入30 kg/m3抗裂劑的C50混凝土處于微膨脹狀態。

圖8 C50混凝土的溫度-變形歷程Fig.8 Temperature-deformation history of C50 concrete

3 結論

(1)針對南京長江索塔鋼殼混凝土的無收縮、微膨脹要求，系統研究了具有溫控效果的抗裂劑對C50混凝土的力學、恒溫變形、熱學性能及變溫下的變形的規律。總膠材450 kg/m3，水泥用量245 kg/m3，抗裂劑摻量為30 kg/m3的C50混凝土能滿足鋼索塔不脫空的設計要求。

(2)摻入具有溫控效果的抗裂劑的C50混凝土后期強度增幅超過基準混凝土。鋼殼混凝土的收縮變形以自收縮和溫降收縮為主。若要混凝土不脫空，C50鋼殼混凝土的變形需處于微膨脹狀態。抗裂劑摻量較低時，抗裂劑產生的膨脹變形無法抵御混凝土的自收縮；抗裂劑摻量達到30 kg/m3時，抗裂劑的補償收縮作用完全抑制了混凝土的自收縮。隨著齡期的增長，混凝土中膠凝材料自身水化和抗裂劑的反應基本完全后，混凝土的體積變形趨于穩定。

(3)隨著抗裂劑摻量增加，混凝土早期溫升降低，且混凝土升溫速率變緩，但溫升值在持續上升。具有溫控效果的抗裂劑，通過降低水泥水化熱過程中加速期水化放熱速率，延長水泥水化加速期放熱過程。大體積混凝土結構在放熱過程，充分利用結構散熱條件，為結構散熱贏得寶貴時間，達到大幅度緩解水泥水化集中放熱程度，削弱溫峰和溫降速率的目的。