抗裂混凝土技術在船閘工程中的應用

嵇旭紅，潘利，王育江，姚婷

（1.常州市港航事業發展中心，江蘇 常州，213000；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103）

近年來隨著我國交通水運工程的高速發展，在建的船閘數量不斷增加。大體積混凝土是船閘工程中一種重要的結構形式，廣泛應用于閘首、閘室等主體部位。由于船閘結構形式復雜、截面尺寸多變、混凝土配筋率低等特點，大體積混凝土內部水化溫升、溫度應力、應力集中現象較為突出，已建成的船閘中大體積混凝土開裂問題較為普遍[1～4]。裂縫的產生，對混凝土防滲、抗凍、耐久性均有較大影響，嚴重時甚至影響工程服役壽命和運行安全性。

針對船閘大體積混凝土易開裂的問題，相關學者已進行了大量研究工作。何廣全[5]從設計預防、原材料優化和施工方法優化方面研究了船閘混凝土裂縫預防措施；覃茜等[6]通過有限元法研究了表面保溫、通水冷卻等溫控措施對船閘閘首混凝土溫度場和應力場的影響，并通過采取相應的溫控措施來降低結構開裂風險；李華等[7]通過理論計算與現場應用研究表明，摻氧化鎂膨脹劑可顯著提升船閘施工期混凝土抗裂性的影響。盡管目前采取的防裂措施取得了一定的效果，但仍難以避免裂縫產生，船閘大體積混凝土開裂問題依然突出。針對這一問題，本文從抗裂功能材料、混凝土配合比、工程應用及現場監測等方面研究了船閘大體積混凝土抗裂性提升技術，為類似工程提供參考。

1 原材料與配合比

試驗所用原材料包括：①水泥：P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為315m2/kg，28d 抗壓強度為45.7MPa；②粉煤灰：F 類II 級粉煤灰，比表面積為460 m2/kg，需水量比為98%；③砂：天然河砂，細度模數為2.6；④碎石：5～16mm、16～31.5mm、20～40mm 三級配碎石；⑤減水劑：聚羧酸減水劑，減水率為23.8%；⑥抗裂劑：HME-V 溫控膨脹抗裂劑，比表面積為255m2/kg；⑦水：生活用水。

根據材料特性及工程需求，為研究船閘閘首廊道、閘室墻等部位大體積混凝土抗裂性，開展了混凝土相關性能試驗，配合比如表1 所示，相比于基準組，試驗組中摻加25kg/m3抗裂劑等量取代基準配合比中的水泥，其他參數均相同。

表1 混凝土試驗配合比（kg/m3）

2 混凝土性能試驗

2.1 力學性能

為研究基準和抗裂混凝土的力學性能，進行了混凝土抗壓強度和劈拉強度試驗，試驗方法參照SL352-2020《水工混凝土試驗規程》進行，測試齡期為7d、14d、28d，試驗結果如圖1 所示。由試驗結果可知，抗裂組混凝土7d、14d 強度比基準組低，7d、14d 抗壓強度分別低20.6%、9.3%，7d、14d 劈拉強度分別低13.1%、7.5%，28d 抗裂組抗壓強度和劈拉強度與基準組基本相同。由此說明，混凝土中摻入抗裂劑后，早期強度有所較低，但不影響后期強度，主要原因是抗裂劑具有延緩水泥水化的作用，早期水化較慢，有利于避免放熱集中，后期持續均勻水化，從而不影響混凝土力學性能。

圖1 抗裂混凝土力學性能

2.2 變形性能

自生體積變形可以表征混凝土早齡期自收縮發展趨勢，是評價混凝土抗裂性能的關鍵指標之一，控制混凝土自收縮的能夠降低實體結構產生的收縮裂縫的風險[8]。對表1 中兩組配合比進行了自生體積變形試驗，結果如圖2 所示，圖中變形值為正值表示膨脹變形，負值表示收縮變形。由試驗結果可知，基準組自生體積變形始終為收縮，28d 變形值為-133.2；抗裂組則始終表現為膨脹變形，7d 變形值為92.4、28d 變形值為111.6，28d 后變形逐漸趨于平緩。試驗結果表明，抗裂混凝土早期產生足夠的膨脹來抵抗水泥混凝土產生的自收縮變形，抗裂劑具有良好的補償收縮作用，可減小結構混凝土收縮開裂風險，提升混凝土抗裂性能。

圖2 抗裂混凝土自生體積變形

2.3 耐久性能

為研究基準與抗裂混凝土耐久性能，對表1 中配合比進行了混凝土抗滲性和抗凍性試驗。抗滲性采用抗滲等級（逐級加壓）測試法，抗凍性采用快速凍融試驗方法確定混凝土抗凍等級，試驗參照SL352-2006《水工混凝土試驗規程》及GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。經過抗水滲透試驗后，基準組和抗裂組混凝土抗滲等級均在W6 以上，可滿足抗滲性設計要求；經過100 次凍融循環后，基準組和抗裂組混凝土試件質量損失率分別為1.82%、1.67%，相對動彈性模量分別為91.5%、92.3%，達到抗凍等級F100。試驗結果表明，抗裂混凝土耐久性良好，可滿足設計要求。

3 工程應用

為驗證抗裂混凝土在船閘工程中的應用效果，在江蘇某船閘閘室墻部位開展了工程應用。閘室墻高度上分兩次澆筑，第一次澆筑倒角和部分墻身，第二次澆筑剩余部分墻體，一次性澆筑長度為20m，混凝土等級為C25，施工配合比選用表1 中抗裂組配合比。在混凝土澆筑前，對于易開裂的閘室墻倒角部位進行了溫度和變形傳感器的布置，自混凝土澆筑起對其內部溫度和變形進行實時監測，以驗證應用效果。監測內容包括：閘室墻倒角中心長度方向和厚度方向變形、中心溫度、表面溫度、環境溫度，實體結構監測結果如圖3 所示。由監測結果可知，閘室墻倒角中心最高溫度為67.5℃，最大溫升值約為40℃，側表面最高溫度為53.2℃，降溫階段中心溫度變化較為均勻，側表面受環境影響呈波動性下降趨勢；對于變形結果，中心長度方向和厚度方向最大變形分別為493.3、776.4，在溫升階段產生了明顯的膨脹，隨后降溫階段產生一定的收縮，降溫階段收縮變形速率明顯小于升溫階段膨脹變形速率，且變形監測曲線平滑、無明顯突變點，說明未監測到混凝土開裂。從現場情況開，混凝土澆筑3 個月后未發現裂縫，抗裂效果良好。

圖3 閘室墻混凝土溫度變形監測結果

4 結論

（1）室內試驗研究表明，摻入抗裂劑制備的抗裂混凝土，早期力學性能有所降低，后期力學性能基本無影響，混凝土自生體積變形為膨脹變形，具有較好的體積穩定性，有利于混凝土抗裂性能提升，且抗裂劑對混凝土耐久性能無不利影響。

（2）工程應用表明，抗裂混凝土在船閘閘室墻結構中表現出良好的抗裂性能，在實體結構中溫升階段產生明顯膨脹變形、溫降階段具有補償收縮作用，變形監測曲線平滑，混凝土澆筑3 個月后無裂縫，抗裂效果良好，可為類似工程提供參考。