某隧道工程大体积混凝土早期收缩性能及强度实验研究

黄伟东，王新玲，王灵仙（.郑州市市政工程管理处，河南 郑州　45005；.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州　45000；.河南省勘察设计协会，河南 郑州　45000）

某隧道工程大体积混凝土早期收缩性能及强度实验研究

黄伟东1，王新玲2，王灵仙3
（1.郑州市市政工程管理处，河南 郑州450053；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州450001；3.河南省勘察设计协会，河南 郑州450002）

采用非接触法混凝土收缩变形测定仪，在实验室和施工现场进行了混凝土早期收缩测试，分析了膨胀剂掺量、养护条件对混凝土早期收缩性能和强度的影响。结果表明，混凝土收缩率在浇筑成型后的12 h内增长极为显著，之后趋于平稳；随着膨胀剂掺量的增加，混凝土早期收缩率减小；当膨胀剂掺量为6%和8%时，混凝土28 d抗拉强度基本相同；当膨胀剂掺量达到10%时，混凝土28 d抗拉强度明显降低。另外，随着养护湿度的降低，混凝土收缩率增大，相同膨胀剂掺量的混凝土28 d抗拉强度亦降低。建议了合理的膨胀剂掺量（8%）和湿度要求，将实验结果用于指导龙湖公路隧道混凝土施工，取得了较好的效果。

隧道工程；大体积混凝土；收缩性能；抗拉强度

随着我国经济的快速发展，城市公路、隧道、地铁等大体积混凝土施工日益增多，而大体积混凝土质量通病中的裂缝是影响混凝土结构和使用的主要问题［1-5］。大体积混凝土施工后由于收缩、温度等原因，引起混凝土开裂不仅会影响到结构的外观、渗漏等问题，而且还为氯离子渗透提供路径，从而引发钢筋锈蚀等一系列耐久性问题［6-8］。在工程中要完全避免混凝土的收缩开裂几乎不可能，但是需要满足裂缝的宽度、长度和位置。虽然通过各种措施包括材料、设计和施工等措施能够一定程度上抑制混凝土的收缩，但是，由于以前实验设备的限制，已进行的混凝土的收缩研究主要集中在混凝土浇筑2～3 d以后，而浇筑成型48 h内混凝土收缩量变化及对混凝土开裂性能的影响，成为目前混凝土收缩研究的热点。

郑州市某隧道工程全长4520 m，引坡段全长440 m，暗埋段全长4080 m；隧道布置为双向六车道，标准段采用双折板拱形钢筋混凝土整体箱涵结构，单孔宽13.5 m。隧道属于城市一类隧道。由于隧道工程部分位于水下区，隧道工程的渗漏问题是工程建设者最为关注的问题，而混凝土收缩引起的开裂，对结构的渗漏有着至关重要的影响。受业主委托，本文结合该在建隧道工程，对纤维膨胀剂掺量、养护条件对混凝土收缩性能和抗拉强度的影响进行实验研究，建议了降低混凝土收缩的方案。

1　混凝土早期收缩实验方案

1.1实验材料与混凝土配合比设计

实验材料由郑州市2家商品混凝土搅拌站提供：水泥为孟电水泥公司P·O42.5水泥，砂为信阳河砂，商品混凝土搅拌站A和B使用的石子分别为新乡碎石和贾峪碎石，使用的粉煤灰分别为焦作鑫丰Ⅱ级粉煤灰和焦作神发Ⅰ级粉煤灰，矿粉采用S95磨细矿渣，减水剂为聚羧酸高效减水剂，膨胀剂为中铝纤维膨胀剂。

根据郑州市隧道工程混凝土强度等级要求，设计为C40，其配合比如表1所示；纤维膨胀剂掺量分别占胶凝材料质量的6%、8%和10%，研究纤维膨胀剂对混凝土早期收缩的影响。

表1　混凝土配合比设计　kg/m3

1.2实验设备和方法

为了完整测试混凝土自入模开始至7 d及10 d的全部收缩率，本文实验设备采用非接触法混凝土收缩变形测定仪，如图1所示，可以测试混凝土自浇筑完毕后至所需要的时间内的收缩。实验分为实验室内实验与施工现场实验（见图2）。室内实验所用材料及配合比由表1所示的商品混凝土搅拌站提供，养护温度为（20±2）℃、湿度分别为50%和80%；现场实验采用某施工标段浇筑混凝土时的商品混凝土，其材料和配合比如表1所示，养护条件与该标段隧道浇筑的混凝土相同（放在该标段工程部某办公室，无暖气和空调）。

图1　非接触式混凝土收缩实验（实验室）

图2　现场浇筑混凝土试件收缩实验

2　混凝土早期收缩及抗拉强度结果与分析

2.1混凝土收缩结果及分析

采用非接触法进行收缩实验，混凝土收缩率按式（1）计算：

式中：εst——测试期为t时的混凝土收缩率，t从初始读数时算起；L10——左侧位移传感器的初始读数，mm；L1t——左侧位移传感器测试期为t时的读数，mm；L20——右侧位移传感器的初始读数，mm；L2t——右侧位移传感器测试期为t时的读数，mm；L0——试件的测量标距，mm。

2.1.1实验室室内收缩实验及分析

采用2个商品混凝土搅拌站的混凝土进行收缩实验，第1批实验时间为7 d、第2批实验时间为8 d，2次实验收缩规律相同，图3为A、B两组试件的收缩率曲线，其中A组试件养护环境温度19℃、湿度80%，B组试件养护环境温度20℃、湿度50%。

由图3可以看出，随时间的延长，混凝土收缩量增大；膨胀剂掺量和养护湿度对混凝土收缩性能影响显著。随着膨胀剂掺量的增加，混凝土早期收缩率减小；随着养护湿度的降低，混凝土收缩率增大；当相对湿度由80%降到50%时，收缩率增加了近5倍。混凝土在浇筑后12 h和72 h时，收缩率突增；168h（7d）以后，收缩率减小。因此，要求施工过程中，在混凝土浇筑12h和72h状态时，应加强养护。

图3　室内收缩实验混凝土收缩率经时变化曲线

2.1.2现场收缩实验结果及分析

为掌握现场施工所用商品混凝土的收缩情况，特选取A、B两个标段进行现场收缩实验，其中，A标段采用商品混凝土搅拌站A的混凝土，B标段采用商品混凝土搅拌站B的混凝土，膨胀剂掺量均为8%；每个标段取3组试件进行实验。图4 为A、B标段混凝土自浇筑完毕至14 d为止所测得的混凝土收缩率。

由图4可见，混凝土浇筑成型后收缩率先急剧增大而后趋于平缓，在混凝土浇筑后的12 h内增长极为显著，之后混凝土收缩率曲线趋于平缓。其中A标段12 h以后，其中的2组试件的收缩率变化很小，另1组试件收缩率继续增加较快，直到200 h（8 d）左右时，超过前2个试件，收缩率达到950× 10-6，以后收缩率缓慢增加，至本次实验结束，收缩率达到最大值1050×10-6、平均值920×10-6。B标段的实验结果与A段实验结果相似，在12 h时突变，收缩率平均值达到900×10-6，稍大于A标段混凝土平均收缩率；在200 h（8 d）左右时，3组试件平均值达到1280×10-6，超过A标段混凝土平均收缩率880×10-6。之后，混凝土收缩率基本稳定，直至14 d，3组试件收缩率平均值基本无继续增大。

图4　现场收缩实验混凝土收缩率经时变化曲线

比较实验室内收缩率与现场收缩率结果发现，在混凝土浇筑12 h内，混凝土收缩率增加最快，二者实验结果一致；但此时现场1组试件最大收缩率达到900×10-6、3组试件收缩率平均值710×10-6，远远大于实验室状态测试的混凝土同期最大收缩率。7 d（168 h）时，A标段3组试件收缩率平均值达到880×10-6，仍大于室内实验添加6%膨胀剂、湿度为50%时的测试值800×10-6。

综上所述，混凝土收缩率随时间的延长不断增大；14 d内混凝土收缩应变主要发生在混凝土浇筑后的12 h内，约达到14 d应变的50%；96 h混凝土收缩应变约达到14 d应变的90%；168 h（7 d）后混凝土收缩应变基本稳定。因此，混凝土早期收缩量很大，施工过程中应加强混凝土的早期养护，尤其是冬期施工时必须对混凝土进行保温保湿处理。

2.2混凝土抗拉强度实验分析

为了测试添加不同比例膨胀剂混凝土的强度变化，检验现场混凝土强度是否满足要求，在混凝土收缩实验结束后，将试模拆除，继续养护至28 d，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测试混凝土的抗拉强度。

2.2.1实验室内混凝土的抗拉强度（见表2）

表2　实验室内混凝土的抗拉强度

表2结果表明，当膨胀剂掺量为6%和8%时，混凝土28 d抗拉强度基本相同；当膨胀剂掺量达到10%时，混凝土的28 d抗拉强度明显降低。随着养护相对湿度的降低，相同膨胀剂掺量的混凝土28 d的抗拉强度亦降低。

2.2.2现场混凝土的抗拉强度（见表3）

表3　现场混凝土的抗拉强度　MPa

由表3可见，混凝土抗拉强度高于C40混凝土抗拉强度标准值2.39 MPa，满足强度设计要求。但现场实验测得混凝土抗拉强度均小于实验室内混凝土强度；这进一步说明养护条件和施工方法的重要性。

综上分析，在满足混凝土强度的基础上，使收缩较小的合理膨胀剂添加量为8%，后期的隧道工程混凝土配合比中的膨胀剂掺量均采用8%。

3　工程应用分析

工程建设一期，由于没有混凝土早期收缩实验结果，已建成的隧道某标段侧墙模板拆除后发现，单侧每15 m会有2～3道裂缝，裂缝宽度在0.2～0.5 mm，裂缝自水平施工缝向上至顶板折角处往下1～2 m，裂缝呈垂直或倒八字型，如图5所示。

根据本文实验结果，该隧道第二期浇筑的商品混凝土中掺入8%纤维膨胀剂，同时加强混凝土的早期养护，侧墙混凝土收缩裂缝得到显著改善（见图6）。

图5　隧道侧墙混凝土收缩裂缝

图6　掺纤维膨胀剂后的隧道侧墙

4　结论

（1）实验室内混凝土早期收缩实验结果表明，随着膨胀剂掺量的增加，混凝土早期收缩率减小；随着养护湿度的降低，混凝土收缩率增大。

（2）现场混凝土收缩率实验结果表明，混凝土收缩率在混凝土浇筑成型后的12 h内增长极为显著，之后混凝土收缩率趋于平稳，说明在浇筑后12 h内应加强养护。

（3）随着纤维膨胀剂掺量的增大，混凝土早期收缩减小；当膨胀剂掺量为6%和8%时，混凝土28 d抗拉强度基本相同；当膨胀剂掺量达到10%时，混凝土28d抗拉强度明显降低。随着养护相对湿度的降低，相同膨胀剂掺量的混凝土28 d抗拉强度亦降低。

（4）根据本文的试验结果，商品混凝土中掺入8%纤维膨胀剂，同时加强混凝土的早期养护，隧道侧墙混凝土收缩裂缝得到显著改善。

［1］桂海清.混凝土早期收缩与抗裂性能实验研究［D］.杭州：浙江大学，2004.

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Study on the early shrinkage performance and strength of mass concrete of a tunnel project

HUANG Weidong1，WANG Xinling2，WANG Lingxian3
（1.Zhengzhou City Municipal Engineering Administration，Zhengzhou 450053，China；2.School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；3.Henan Provincial Association for Exploration and Design，Zhengzhou 450002，China）

The early-age shrinkage was tested in laboratory and construction site by using advanced concrete shrinkage deformation measuring instrument with non-contact method and the effect of expansive agent and curing conditions on the early shrinkage performance and strength of concrete were investigated.Results indicate that a rapid increase in concrete shrinkage occurred within 12 h after casting，and was followed by a relatively stable period.Additionally，the early shrinkage of concrete decreased with the increase in the amount of expansive agent.The 28-day tensile strengths of concrete with expansion agent of 6% or 8%were almost the same，while the 28-day concrete tensile strength decreased significantly when the amount of expansion agent was 10%.In addition，the shrinkage increased with the decrease in curing humidity，and 28-day tensile strengths of concrete with the same amount of expansion agent also decreases.A reasonable amount of expansive agent（8%）and humidity requirements were proposed.The experimental results are used to guide the construction of Long-lake road tunnel，which achieved good results.

tunnel project，mass concrete，shrinkage performance，tensile strength

TU522.1；TU502

A

1001-702X（2016）04-0036-04

河南省重点科技攻关项目（132102310277）

2015-11-23；

2016-01-21

黄伟东，女，1967年生，河南郑州人，高级工程师，主要从事混凝土耐久性方面的研究。通讯作者：王新玲，地址：郑州市科学大道100号，E-mail：xinlingwang@zzu.edu.cn。