地鐵車站抗滲高性能混凝土配合比設計與裂縫控制方法研究

黃曉芹

鐵正檢測科技有限公司

1 前言

廈門軌道交通項目地處四面環海的廈門島建設，地緣比較特殊，地下20m～30m 的深度，靜水壓力可達200kPa～300kPa，也就是每平米壓力為200kN～300kN。在項目建設過程中出現了不同程度的滲水，可觀察到明顯的滲水點、滲水線，經過多方面分析發現，混凝土裂縫是造成滲水的主要原因。

混凝土裂縫的出現不但會影響混凝土的抗滲性能，還會因海水中的氯離子滲透造成鋼筋銹蝕，嚴重縮短建筑結構物的使用壽命。因此，研究高性能混凝土的裂縫控制具有重要的工程應用價值。

為此，作者進行了抗滲高性能混凝土的試配、配合比優化設計以及裂縫開裂控制方法的研究，并通過選材、優化及現場施工方面來控制高性能混凝土收縮裂縫產生的數量和深度，以滿足工程建設的需求。

2 試驗設計

2.1 材料選擇

水泥：海螺水泥P.O42.5。

摻合料1：石獅鴻山電廠粉煤灰，Ⅱ級。

摻合料2：福建三寶鋼鐵有限公司礦渣粉，S95級。

粗骨料：（5～20）mm。

碎石：（16～31.5）mm碎石=7：3，連續級配。

細骨料：河砂，Ⅱ區中砂，細度模數2.9。

減水劑：福建科之杰，摻量1.4%。

以上材料各項參數經過試驗全部符合國家現行標準要求。

2.2 配合比設計

按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行了抗滲高性能混凝土的配合比設計，并按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行了強度試驗研究，所設計的抗滲高性能混凝土滿足GB 50108—2008《地下工程防水技術規范》中的有關要求，所有試件均在標準條件下養護至齡期。

抗滲高性能混凝土配合比設計的基本原則如下。

保持混凝土膠凝材料總量不變、水灰比不變，通過摻合料摻量和種類變化進行設計，詳細配合比設計如表1所示。抗滲高性能混凝土的和易性、強度變化和抗滲性能等如表2所示，收縮試驗觀測其收縮率變化。經過對比分析，最終選出最優配合比，經現場澆筑抗滲高性能混凝土進行驗證，主要測量其裂縫寬度、長度、條數，并在監測過程中，復測抗滲高性能混凝土回彈強度和滲水情況。

表1 混凝土配合比參數表

3 試驗結果分析

3.1 坍落度試驗結果分析

抗滲高性能混凝土的拌合物性能，包括坍落度、保水性、流動性和粘聚性，試驗結果如表2所示。與基準混凝土相比，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的坍落度逐漸增大，摻量為10%時，和易性達到最優值，粉煤灰的顆粒形貌以球型為主，且含有大量的玻璃微珠，在漿體中發揮形態效應，使混凝土具有較優的和易性；礦粉對混凝土和易性影響有粉煤灰相似。當礦粉與粉煤灰摻量各為10%時，混凝土的和易性優于單獨摻加礦物摻合料的混凝土。

表2 高性能混凝土拌合物性能參數表

3.2 抗壓強度試驗結果分析

抗滲高性能混凝土的抗壓強度是確定高性能混凝土配合比的最關鍵指標之一，同時為控制施工質量提供可靠參考依據。本文采用試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的標準試件，在標準養護條件下養護至28天齡期，測得其軸向抗壓強度值如圖1所示。

由圖1可知，粉煤灰及礦粉對混凝土抗壓強度影響基本趨于一致。隨著粉煤灰、礦粉摻量的增加，混凝土的7d、28d抗壓強度逐漸降低；5#（粉煤灰10%、礦粉10%）混凝土7d抗壓強度低于純水泥混凝土，但28d抗壓強度高于純水泥混凝土；養護時間的增加，使礦物摻合料微粉與Ca（OH）2充分進行火山灰反應，強度較低的Ca（OH）2被消耗，使混凝土后期強度發展較快，使其強度高于純水泥混凝土。

圖1 高性能混凝土抗壓強度

5#配合比通過復合摻加礦粉、粉煤灰制備高性能混凝土，該配合比在達到預期技術性能的原則下，減少了水泥用量，可滿足經濟性要求。

3.3 抗滲性能試驗結果分析

抗滲性能采用滲水高度法進行測定，抗滲等級P12（水壓1.2MPa），試驗結束后等間距測量10個測點的滲水高度值，以一組6個試件滲水高度的算術平均值作為該組試件滲水高度的測量值，測試結果如圖2所示。

圖2 高性能混凝土抗壓強度和滲水高度試驗結果

5#組結果最優是由于粉煤灰減少水化熱，降低收縮作用，與礦粉填充微小空隙的綜合作用。水泥中的f-CaO及Mg（OH）2水化速度緩慢，在水泥水化后才開始進行，反應造成的不均勻膨脹會使水泥石生成縫隙；在混凝土中使用礦粉、粉煤灰等礦物摻合料，降低了水泥用量，從而降低了SO3等有害物質含量，能有效降低體積膨脹帶來的裂縫，從而提高抗滲性能。

3.4 收縮試驗結果分析

采用接觸法測定無約束和規定溫濕度條件下硬化高性能混凝土試件的收縮變形性能。制作試件規格100mm×100mm×515 mm的棱柱體，每組三個，試驗結果如表3所示。

表3 高性能混凝土收縮率試驗結果（×10-6）

3.5 礦物摻合料對收縮的影響

抗滲高性能混凝土的干縮分為急劇收縮期與收縮平穩期兩個階段。齡期1d～30d為急劇收縮期，該階段高性能混凝土中的水一部分通過毛細管蒸發，另一部分被水泥水化反應產生C-SH 凝膠所吸附，水分的大量缺失使得硬化漿體中毛細管內靜水張力缺失，導致高性能混凝土體積大幅收縮。礦物摻合料微粉較好的顆粒級配帶來良好的填充效應，使得水泥石的結構及接觸界面更加密實，減少毛細管曲率半徑的同時，也降低了毛細管的連通性，阻止了水分蒸發，使其中的靜水張力得以保持。

圖3 高性能混凝土收縮試驗結果圖

結果分析表明，其他情況不變條件下，與基準混凝土相比，采用摻加料的高性能混凝土的收縮率都有所減小，其作用機理是：（1）粉煤灰有效降低水化熱，減少熱漲從而減少了前期開裂。（2）礦粉的微小顆粒填充效應，使收縮減小，并且礦粉反應過程中吸水少，保證了水泥水化用水量及減緩水泥水化速度。（3）摻過量礦粉時，水從混凝土流失，并形成毛細通道，毛細孔干縮反而引起混凝土收縮。（4）雙摻時礦粉與粉煤灰共同作用，使混凝土收縮性能得到明顯改善。

3.6 微觀機理分析

粉煤灰與礦粉帶來玻璃微珠及表面粗糙的塊狀顆粒，與混凝土中的絮狀的C-S-H凝膠相互膠結，孔隙得到填充，干燥收縮產生的連通孔通道得到較好阻斷。且強度較低的板狀的Ca（OH）2被消耗，含量較低。粉煤灰及礦粉顆粒充分發揮著微集料效應，使混凝土的強度及耐久性得到改善。

4 結論

針對廈門軌道交通項目中車站外墻結構施工過程中的高性能混凝土開裂問題，進行了抗滲高性能混凝土配合比優化設計和裂縫控制方法的研究，為抑制高性能混凝土開裂提供了一種有效的控制方法，為抗滲高性能混凝土在地鐵車站等工程結構中的應用提供了技術保障。主要結論如下：（1）摻粉煤灰，可有效改善高性能混凝土性能，減少裂縫出現，但隨摻量增多，會影響強度。（2）摻礦粉，少量摻加會改善高性能混凝土性能，減少裂縫出現。但隨摻量增多會導致高性能混凝土和易性降低。（3）適當比例的粉煤灰與礦粉雙摻，在不影響強度、和易性情況下，可增加高性能混凝土抗滲能力，有效減少裂縫出現。（4）施工過程中的養護水平也對墻體產生干縮裂縫有很大影響。最后，粉煤灰與礦粉的摻量比例，不同的水土壓力對高性能混凝土硬化前期形成內部毛細水通道都會產生不同的影響，應根據工程實際情況做合理的調整。