行业要闻

 

摘 要： 通过掺入缓凝高效减水剂、优化碎石级配、调整胶凝材料组成、添加防裂组分等方式逐步提高或改善混凝土的各项性能，使其符合低碱、抗渗、防裂且便于施工的要求。试验结果表明：通过掺入缓凝高效减水剂可减少单位立方米用水量及降低 W/C，提高混凝土的抗压强度及抗渗等级；优化碎石级配可以改善混凝土的泌水；掺入粉煤灰或矿粉可以明显改善混凝土内部结构，提高混凝土的抗渗性能；添加抗裂硅质防水剂与阻裂纤维大大提高了混凝土的抗裂性能。

关键词： 抗渗；防裂；氯离子渗透；电通量；氯离子含量；总碱量

 

      地下混凝土结构与地表以下土壤相接触，长期受地下水及腐蚀介质的侵蚀^[1]，如混凝土自身抵抗侵蚀的能力不足，将严重受到介质腐蚀，从而影响其耐久性，即无法保障其长期使用功能。提高混凝土的抗渗防裂能力，减少其内部的连通孔隙及表面裂缝的产生，可有效阻碍地下水或腐蚀介质的侵蚀。通过提高混凝土密实度，降低混凝土内部孔隙率或阻碍孔隙的连通均能有效的提高混凝土抗渗能力，但混凝土裂缝产生的原因比较复杂^[2-4]，如混凝土原材料质量、配合比、内外温差、施工及养护工艺、碱-集料反应、碳化或氯离子渗透引起的钢筋锈蚀等，本研究仅从原材料控制及配合比优化着手，以提高混凝土的抗渗防裂能力。

 

      该工程为福州市地铁 1 号某站点地下室主体结构，设计强度等级为 C35，抗渗等级为 P8，防裂等级为 I 级，设计坍落度为（130~170）mm，混凝土碱含量不大于 3.0 kg/m³，混凝土氯离子含量不大于胶凝材料的 0.1%，采用泵送方式施工。

 

      （1）水：混凝土拌和用水，选择不含影响水泥正常凝结、硬化或促进钢筋锈蚀的自来水。

      （2）水泥：选择强度高、水化热低、氯离子含量及碱含量低的海螺牌 P·O 42.5R 级水泥。

      （3）砂：选择含泥量少、级配佳、无碱活性、细度模数为 2.7的闽江砂。

      （4）碎石：选择含泥量少、无碱活性、由 5~10mm、10~20mm、16~31.5 mm 三种粒级的反击破碎石组成。

      （5）外加剂。①减水剂：选择具有缓凝作用的高效减水剂。②防水剂：选择抗裂硅质防水剂。

      （6）矿物掺合料。①粉煤灰：II级粉煤灰。②矿粉：S95 级矿粉。上述原材料中氯离子含量、碱含量详见表 1 所示。

      （7）纤维：抗拉强度为 455 MPa，直径为（18±2）μm，长度为（12±2）mm 的聚丙烯纤维。

 

      依据该工程的设计要求，首先以设计强度、坍落度、抗渗等级为设计主线，以混凝土中氯离子含量、总碱量为控制要素，对混凝土配合比进行初步设计。三组配合比中碎石比例均为5~10 mm∶10~20 mm∶16~31.5 mm=3∶3∶4，B 组相对 A 组而言，掺入了 1.5%的缓凝高效减剂，不仅减少了单位立方米用水量，而且将 W/C 降低了 0.03，C 组在 B 组的基础了增大了缓凝高效减水剂的掺量，为1.8%，同时进一步降低了单位立方米用水量和W/C，三组配合比、氯离子含量、碱含量详见表 2 所示，混凝土性能详见表 3 所示。

      表 2 中数据显示，混凝土中氯离子含量、碱含量均满足设计要求。掺入缓凝高效减水剂后，可以明显减少水泥用量，从而降低混凝土中的碱含量，还可以降低由水泥水化所产生的水化热，可以有效减小混凝土中碱-骨料反应及水化热过高导致混凝土裂缝产生的概率。表 3 中数据显示，掺入缓凝型高效减水剂后，混凝土的凝结时间延长，有助于水化热的延缓释放；随着缓凝高效减水剂量的增加，W/C 的降低，混凝土常压泌水、压力泌水均有所减小，28 d 抗压强度及抗渗等级均有所提高。综合试验结果分析，相对 A、B 两组而言，C 组配合比制作的混凝土性能更佳。

      C 组配合比虽然优于 A、B 组，但混凝土的常压泌水、压力泌水均较大，不适宜泵送施工 JGJ/T 10—95《混凝土泵送施工技术规程》中规定泵送混凝土压力泌水不宜超过 40%，为减小混凝土的泌水，本节试图通过调整碎石中各粒径的比例，D 组比例为 5~10 mm∶10~20 mm∶16~31.5 mm=4∶3∶3，E 组比例为 5~10 mm∶10~20 mm∶16~31.5 mm=3∶4∶3，C、D、E 三组配合比相同，混凝土性能详见表 4 所示。特别指出的是，混凝土性能测试结果中渗水高度数据是混凝土抗渗试件在水压力为 0.8 MPa 作用下恒定 24 h 后测试所得。

      表 4 中数据显示，E 组配合比配制的混凝土常压泌水、压力泌水（小于 40%）最小，28 d 抗压强度最高，渗水高度最小，可见 E 组中碎石比例最为合适。

      大量的文献[5-10]指出，以一定量的矿物掺合料来取代水泥，可以大大的改善混凝土的性能，如掺入矿物掺合料，可以减少水泥用量，降低水泥水化热及延长水泥水化时间；矿物掺合料在水泥水化后期与水泥水化产物发生二次反应，生成的产物进一步填充混凝土内部孔隙，以及自身的微填充效应，可以明显的改善混凝土孔隙结构，提高混凝土强度及抗渗透性能。表 5 中 F、G、H 三组配合比中掺入不同的矿物掺合料，其混凝土性能详见表 6 所示，由于掺入矿物掺合料后混凝土强度发展有所滞后，故抗压强度及抗渗性能测试龄期均为 56 d。图 1~4分别为 E、F、G、H 四组配合比制作的混凝土抗裂效果图，该试验方法及评定均依据 CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。

      表 6 中数据显示，掺入矿物掺合料后，混凝土的坍落度有所增加，凝结时间有所延长，泌水有所降低，56 d 抗压强度有一定的提高，渗水高度、碳化深度、氯离子扩散系数、电通量均有所降低。

由图1可见，E组有较粗的裂纹，平均开裂面积为7.01mm²，单位面积裂缝数目为13.9根/m²，单位面积总开裂面积为97.4mm²/m²，抗裂性评价为 III 级。

      由图2可见，F组有非常细的裂纹，平均开裂面积为5.14mm²，单位面积裂缝数目为16.7根/m²，单位面积总开裂面积为85.8mm²/m²，抗裂性评价为 II 级。

      由图3可见，G组有非常细的裂纹，平均开裂面积为5.03mm²，单位面积裂缝数目为13.9根/m²，单位面积总开裂面积为75.3mm²/m²，抗裂性评价为 II 级。

      由图4可见，H组有非常细的裂纹，平均开裂面积为4.69mm²，单位面积裂缝数目为11.1 根/m²，单位面积总开裂面积为52.1mm²/m²，抗裂性评价为 II 级。

      结合图 1~4 中效果图及相关数据，掺入矿物掺合料可明显改善混凝土的抗裂性能。

      综合上述试验结果分析，掺入矿物掺合料可以明显改善混凝土拌合物性能、提高混凝土的抗压强度、抗渗及抗裂性能。并可以看出，采用粉煤灰与矿粉复合取代部分水泥配制混凝土，改善的效果最佳，即 H 组为最佳配合比。

      H 组配合比配制的混凝土性能较其他几组好，但其抗裂等级亦仅为 II 级，尚不能满足设计要求，为进一步提高混凝土的抗裂性能，使其满足设计要求（抗裂等级 I 级），本节采取了抗裂硅质防水剂单掺、抗裂硅质防水剂与阻裂纤维（聚丙烯纤维）复掺两种形式配制混凝土，见表 7、8 及图 5、6。

      从表 8 中可以看出，掺入抗裂硅质防水剂、阻裂纤维后，混凝土的各项性能均有所改善，从数据可以得出，混凝土的强度及抗渗能力均进一步提高，尤其是抗裂能力得以大大的提高，混凝土的抗裂等级均达到 I 级。结合图 5、6 及相关数据分析：抗裂硅质防水剂与阻裂纤维的共同作用，可以很好的阻碍裂缝的产生，抗裂效果比单掺硅质防水剂效果更好，故 J 组配合比配制的混凝土性能最佳，均能满足设计要求。

      由图5可见，I组有非常细的裂纹，平均开裂面积为4.97mm²，单位面积裂缝数目为8.3根/m²，单位面积总开裂面积为41.3 mm²/m²，抗裂性评价为 I 级。

      由图6可见，J组有非常细的裂纹，平均开裂面积为3.64mm²，单位面积裂缝数目为5.6 根/m²，单位面积总开裂面积为20.4 mm²/m²，抗裂性评价为 I 级。

 

      （1）通过掺入缓凝型高效减水剂，大大减少了混凝土单位立方米用水量和降低了 W/C，不仅可以大大减少水泥用量、混凝土中氯离子含量、碱含量，而且还可以提高混凝土抗压强度及抗渗等级。

      （2）调整粗集料的级配可以较大程度地减少混凝土的泌水，从而保证混凝土具有良好的可泵性。

      （3）采用矿物掺合料取代部分水泥可以提高混凝土的抗压强度、抗渗性能（抗水渗透、抗 CO₂渗透、抗氯离子渗透）。

      （4）掺入抗裂硅质防水剂或阻裂纤维可以明显改善混凝土的抗裂性能，同时掺入抗裂硅质防水剂与阻裂纤维对混凝土的抗裂性能改善效果更佳。