摻抗裂硅質防水劑的大體積混凝土耐久性試驗研究

王寧寧，劉 明，何宏榮，紀少波，李書進，錢紅萍

(1.江蘇省交通科學研究院有限公司，南京 210017；2.常州工學院，常州 213002)

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摻抗裂硅質防水劑的大體積混凝土耐久性試驗研究

王寧寧1，劉 明1，何宏榮1，紀少波1，李書進2，錢紅萍2

(1.江蘇省交通科學研究院有限公司，南京 210017；2.常州工學院，常州 213002)

采用摻抗裂硅質防水劑(SC)的方法對大體積混凝土配合比進行調整優化，并通過混凝土絕熱溫升、力學性能、干燥收縮、限制膨脹率、早期抗裂、電通量、孔結構分析等試驗測試，分析了摻SC對混凝土物理性能、體積穩定性和抗裂防滲性能的影響。結果表明：與CP0和CP2混凝土相比，摻10%SC混凝土早期抗壓強度偏低，后期強度增長較快，28 d限制膨脹率為0.052%；混凝土14 d補償收縮量169 μm，占總收縮量的77%，膨脹能發揮高效、穩定；絕熱溫升峰值下降幅度達到10 ℃，且水化放熱速率降低，放熱過程延長；早期開裂面積和電通量數值最小，降低了混凝土開裂風險，提高了抗滲能力；無害孔、有害孔及多害孔數量明顯減少，并改善了混凝土孔結構分布。

抗裂硅質防水劑； 地下車站； 抗裂防水； 耐久性； 大體積混凝土

1 引 言

近年來，城市軌道交通建設工程發展迅速，由于車站主體結構混凝土具有體積大，且位于地下水位以下等特點，使得混凝土抗裂防滲問題越來越受重視。但已公開資料表明，由于種種原因，地下混凝土結構均存在不同程度的開裂、滲漏現象，且治理時間長、難度大，需消耗大量資金[1]。混凝土作為地下工程抗裂防水的主體，要起到抗裂防水作用，除混凝土本身具有較高的致密性、抗滲性以外，還要求混凝土施工后不開裂，特別是不能產生貫穿性裂縫。合理選擇原材料、優化配合比并使用功能性抗裂材料是從源頭上減小大體積混凝土結構的溫降收縮和自收縮，抑制結構混凝土開裂的主要措施。

在原材料選擇與配合比優化方面采用水化熱低的水泥品種、嚴格控制砂石骨料的含泥量和級配、摻加粉煤灰等礦物摻合料、降低水泥用量等技術已取得一定應用效果[2]。但僅采用這些措施抑制混凝土的開裂還遠遠不夠，通過摻膨脹劑能補償收縮，是提高超長結構混凝土抗裂性的主要措施，大多用于控制有害裂縫的鋼筋混凝土結構工程，并在一些軌道工程中得到了應用，如上海地鐵、蘇州地鐵等[3,4]。但目前現有膨脹混凝土還存在膨脹歷程與混凝土的溫度歷程不匹配等問題，由此導致其應用效果褒貶不一。

抗裂硅質防水劑作為一種新型材料，旨在提高混凝土的抗裂防水作用，在城市軌道交通中的應用范圍及相關研究較少，因此，有必要對這種新產品的應用效果進行研究。為解決地下車站側墻及頂板混凝土易開裂、滲水的問題，尤其是長三角地區地下水系發達，富水砂層較厚。采用10%SC與粉煤灰、礦粉復摻取代部分水泥，研究了在降低混凝土溫升的同時有效補償混凝土的收縮變形以及混凝土抗裂防滲性能，并對混凝土膨脹歷程及水化放熱歷程調控技術進行探究。

2 試 驗

2.1 原材料

(1)水泥：試驗所用水泥為揚子P.O42.5水泥，水泥的化學成分見表1，水泥物理力學性能見表2。水泥的基本性能符合《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007中對硅酸鹽水泥的有關規定，滿足設計要求。

表1 水泥的化學成分Tab.1 Chemical composition of cement /wt%

表2 水泥的物理力學性能Tab.2 Physical and mechanical properties of cement

(2)粉煤灰：實驗所用粉煤灰等級為I級，產地為常州國電，其技術指標如表3所示。符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596-2005標準規范中I級要求。

表3 粉煤灰技術指標Tab.3 Technical index of fly ash

(3)粒化高爐礦渣粉：試驗所用粒化高爐礦渣粉等級為S95級，其技術指標如表4所示，產地為常州中鼎。符合《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T18046-2008標準規范中S95級要求。

(4)碎石：試驗所用骨料采用碎石(16～25 mm)與瓜子石(5～16 mm)按照70%:30%比例進行摻配得連續級配，產地為江西，其技術指標如下表5所示。符合《建筑用卵石、碎石》GB/T14685-2011標準規范中相關要求。

表4 粒化高爐礦渣粉技術指標Tab.4 Technical index of granulated blast furnace slag

表5 碎石技術指標Tab.5 Technical index of gravel

(5)河砂：試驗所用河砂產地為洞庭湖，其技術指標如下表6所示。符合《建筑用砂》GB/T14684-2011標準規范中Ⅱ區中砂要求，品質優良。

表6 河砂技術指標Tab.6 Technical index of riversand

(6)外加劑：江蘇蘇博特PCA高性能聚羧酸減水劑。

2.2 試驗方法

(1)混凝土設計強度為C35，膠材用量為388 kg/m3，水膠比0.41，砂率42%，粉煤灰和粒化高爐礦渣粉摻量為30%。CP0作空白樣，不摻SC，CP1摻10%SC，CP2摻10%其它類型的抗裂防水劑(簡稱HM)，坍落度為180 mm，試驗配比如表7所示：

表7 試驗混凝土基準配合比Tab.7 Test concrete benchmark mix proportion /kg·m-3

(2)混凝土絕熱溫升：試驗根據《水工混凝土試驗規程》SD105-82規范要求，采用博遠BY-ATC/JR型混凝土絕熱溫升測定儀進行試驗，試驗配比見表7。

(3)混凝土抗壓強度：按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081-2002，試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，用標準試驗方法測得的極限抗壓強度，試驗配比同上。

(4)非接觸式混凝土收縮變形：依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2008)中非接觸式混凝土收縮試驗方法，試件尺寸100 mm×100 mm×550 mm，試驗采用CABR-NES型非接觸式混凝土收縮變形測定儀。混凝土養護溫度和濕度分別控制為(20±2) ℃和60%±5%，測定自成型開始至14 d的混凝土自由收縮變形，試驗配比同上。

(5)混凝土限制膨脹率：根據《混凝土膨脹劑》GB 23439-2009 附錄B中摻膨脹劑的混凝土限制膨脹和收縮試驗方法進行，先水中養護14 d，然后干養至28 d，試驗配比同上。

(6)平板法早期抗裂：依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082-2008測試混凝土試件在約束條件下的早期抗裂性能，試驗采用800 mm×600 mm×100 mm的平面薄版型試件鋼制模具，每組2個試件測試，試驗配比同上。

(7)混凝土電通量：按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082-2009中混凝電通量試驗規范要求，試件尺寸φ100 mm×50 mm，一組3個，養護至56 d，試驗采用HLD-08A型混凝土電通量測定儀進行測定，試驗配比同上。

(8)混凝土氣孔結構分析：根據《水工混凝土試驗規程》DL/T5150-2001和《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》TB10424-2010執行，試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，養護至28 d，進行切片制樣，所用儀器為TR-AH型硬化混凝土氣孔結構分析儀，配比同上。

3 結果與討論

3.1 混凝土物理性能

圖1 CP0、CP1混凝土絕熱溫升曲線圖Fig.1 CP0、CP1 concrete adiabatic temperature rise curve

(1)混凝土絕熱溫升試驗

試驗方法見2.2節，如圖1所示，CP0、CP1混凝土絕熱溫升試驗結果。

由圖1，在絕熱條件下，CP0混凝土溫升達到55～56 ℃，CP1混凝土溫升最高到45 ℃，兩者最高溫升數值之差高達10 ℃，且與CP0混凝土相比，CP1混凝土溫升速率較低。可見，在結構處于散熱條件下時，水化放熱速率的降低和放熱過程的延長，為大體積混凝土散熱贏得時間，降低混凝土結構內的溫升以及混凝土開裂的風險。

(2)混凝土抗壓強度試驗

試驗方法同上，如表8所示，CP0、CP1、CP2混凝土抗壓強度試驗結果。

表8 CP0、CP1、CP2混凝土抗壓強度試驗結果Tab.8 Compressive strength results of CP0、CP1、CP2 concrete

由表8，與CP0混凝土相比，CP1混凝土3 d和7 d抗壓強度偏低，14 d后抗壓強度增長較快，28 d時，抗壓強度均已高于CP0和CP2混凝土；CP2混凝土早期強度發展較快，14 d后抗壓強度無顯著增長。說明摻SC混凝土早期抗壓強度發展較慢，后期抗壓強度增長較快；摻HM混凝土早期強度發展較快，對后期凝土強度發展影響較小。

3.2 混凝土體積穩定性

(1)混凝土限制膨脹率測定試驗方法同上，如表9所示，CP0、CP1、CP2混凝土限制膨脹率試驗結果。

由表9，與CP2相比，CP1混凝土3d、7d、14 d和28 d的限制膨脹率均優于CP2混凝土，且最高值為0.062%，滿足GB23439-2009中Ⅱ型混凝土膨脹性能0.050%的指標要求，說明了摻SC混凝土的限制膨脹率優于摻HM混凝土。

表9 混凝土不同齡期限制膨脹率試驗結果Tab.9 Limited expansion ratio results of different age concrete

(2)混凝土干燥收縮試驗

試驗方法同上，如圖2所示，CP0、CP1、CP2混凝土自成型開始至14 d的自由收縮變形試驗結果：

圖2 CP0、CP1、CP2混凝土干燥收縮曲線Fig.2 CP0、CP1、CP2 concrete drying shrinkage curve

由圖2，CP1混凝土總的干燥收縮量明顯小于CP0、CP2混凝土。由于SC遇水后劇烈的化學反應及膠凝材料的快速水化，混凝土收縮量增大，僅在0～5 h范圍內，收縮量增長達到峰值219 μm；至5 h后，混凝土膨脹能快速釋放，收縮量顯著下降，在35～38 h時，到達最低值23 μm，補償混凝土收縮量196 μm，直至139 h，穩定在49～51 μm范圍波動，混凝土處于膨脹狀態。而CP0混凝土干燥收縮量逐漸增大，最大值為574 μm，混凝土始終處于干燥收縮的狀態；CP2混凝土干燥收縮量最高，膨脹能發揮較短，效果不明顯。可見，CP1混凝土補償混凝土干縮最為顯著，且膨脹能發揮高效、穩定。

3.3 混凝土抗裂防滲性能

(1)混凝早期抗裂性能試驗試驗方法同上，如表10所示，CP0、CP1、CP2混凝土早期抗裂性能試驗結果：

表10 混凝土早期抗裂性能試驗Tab.10 Early cracking resistance test of concrete

由表10，與CP0、CP2混凝土相比，CP1混凝土的平均開裂面積僅為68 mm2/m2，最小。依據JGJ/T193-2009對混凝土早期抗裂性能等級劃分，CP1>CP0>CP2，可見，摻SC混凝土早期抗裂效果最好。

(2)混凝土電通量測定

試驗方法同上，如表11所示，CP0、CP1、CP2混凝土56 d電通量試驗結果：

表11 混凝土56 d電通量試驗結果Tab.11 56 d electric fux test of concrete

由表11，CP0、CP1、CP2混凝土56 d電通量大小關系為CP2> CP0>CP1。可見，摻SC的CP1混凝土電通量最低，摻HM的CP2混凝土電通量最大，說明了摻SC沒有對混凝土滲透能力造成不利影響。

(3)混凝土孔結構分析

試驗方法同上，如表12、圖3所示，CP0和CP1混凝土孔結構分析結果：

表12 混凝土孔結構分析結果Tab.12 Pore structure analysis result of concrete

圖3 混凝土孔結構分析各孔徑分布圖Fig.3 Different size distribution of concrete pore structure analysis

由表12可以看出，與CP0混凝土相比，由于摻SC混凝土處于膨脹狀態，CP1混凝土總氣泡數量增加了70%，含氣量增長了1.36%，漿氣比有下降，而每厘米氣泡頻率、氣泡間距系數和氣泡的平均弦長無明顯變化；由圖3，CP1混凝土0～200 μm氣泡所占比例85.94%，CP0混凝土為86.25%，200～500 μm氣泡所占比例11.69%，CP0混凝土為10.91%，500～2000 μm氣泡所占比例2.36%，CP0混凝土為2.45%，2000 μm以上氣泡所占比例0.0%，CP0混凝土為0.17%。

根據資料[5]，混凝土氣孔結構分級包括無害孔級(孔徑<200 μm)、少害孔級(孔徑=200～500 μm)、有害孔級(孔徑=500～2000 μm)和多害孔級(孔徑>2000 μm)。可見，摻SC的CP1混凝土無害孔、有害孔及多害孔數量均少于CP0混凝土，但是，CP1混凝土中30～220 μm范圍的少害孔數量有所增加。說明摻SC可以改善混凝土內部的孔結構分布情況，未出現孔徑大于2000 μm的多害粗孔，減少了孔徑為500～2000 μm的有害孔，但會增加少害氣泡數量，對抗壓強度和滲透性能無影響。

4 結 論

(1)物理性能：與CP0混凝土相比，摻10%SC的CP1混凝土絕熱溫升數值降低了10 ℃，絕熱溫升速率較低；且CP1混凝土早期抗壓強度發展較慢，達到14 d后，抗壓強度增長較快，混凝土28 d抗壓強度高于CP0、CP2混凝土；

(2)體積穩定性：摻10%SC的CP1混凝土28 d限制膨脹率0.052%，膨脹性能較高；與CP0、CP2混凝土相比，CP1混凝土收縮值最小，5 h時，峰值為219 μm，35～38 h時，最低值為28 μm，139 h后，收縮量在50 μm左右趨于穩定，混凝土最高補償收縮量191 μm，最低169 μm，混凝土處于膨脹狀態；

(3)抗裂防滲性能：混凝土早期抗裂性能的平均開裂面積大小關系CP0 >CP2 >CP1，電通量為CP2>CP0>CP1；與CP0混凝土相比，摻SC的CP1混凝土中無害孔、有害孔及多害孔數量明顯減少，30～220 μm范圍的少害孔數量有所增加，但改善了混凝土氣孔結構，使其分布更加均勻。可見，摻10%SC混凝土的早期抗裂性能和滲透能力均較優。

[1] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].中國建筑工業出版社，1997.

[2] 喬艷靜,費治華,田 倩,等.礦渣、粉煤灰摻量對混凝土收縮、開裂性能的研究[J].長江科學院院報,2008, 25(4):90-95.

[3] 陳志城,閻培渝.補償收縮混凝土的自收縮特性[J].硅酸鹽學報,2010,38(4)：568-569.

[4] 田 倩,王育江,張守治,等.基于溫度場和膨脹歷程雙重調控的側墻結構防裂技術[J].混凝土與水泥制品,2014,217(5):21-24.

[5] 廉慧珍,童 良,陳恩義.建筑材料物相研究基礎[M].北京：清華大學出版社,1996.

Experiment Research on Durability of Mass-Concrete with Silicon Crack Waterproof Agent

WANGNing-ning1，LIUMing1，HEHong-rong1，JIShao-bo1，LIShu-jin2，QIANHong-ping2

(1.Jiangsu Transportation Institute Co.Ltd，Nanjing 210017,China；2.Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002,China)

By the method of adding the silicon crack waterproof agent (SC) ,mix proportion of mass concrete was adjusted and optimized.The effect of doped SC on Physical properties,Volume stability, crack resistance and impermeability was analyzed by the test of mechanical properties, limiting expansion rate, early cracking, adiabatic temperature rise, drying shrinkage, pore structure analysis, electric flux and so on.The results showed compared with CP0 and CP2 concrete, the early compressive strength of 10%SC concrete was lower, the later strength was larger and the limiting expansion rate of 28 d was as high as 0.052%. Compensating concrete dry shrinkage of 14 d was 169 μm, the total dry shrinkage of 77%,which made the expansion efficient and stable;The peak of adiabatic temperature rise was dropped by as much as 10 ℃,what's more, the heat release rate was decreased, and also,the heat transfer process was prolonged;the early cracking area and electric flux were smaller,lowering concrete cracking risk and penetration ability;the number of harmful holes, harmful holes and multiple holes were obviously reduced, which could improve the distribution of concrete structures.

slicon crack waterproof agent;underground station;cack resistance and impermeability;durability;mass concrete

江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2015029-01)

王寧寧(1986-)，男，碩士，工程師.主要從事城市軌道交通工程混凝土耐久性方面的研究.

李書進，教授.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2629-06