抗裂剂在南京横江大道隧道侧墙的应用效果监测

李明，林庆雄

（中交三航局第三工程有限公司，江苏 南京210000）

0 引言

随着我国城市化进程的加快， 地下混凝土结构工程建设占据城市建设的比重日益增加，地铁、隧道、 综合管廊等均需建造各种超长地下结构[1]。由于地下水环境的特殊性和刚性防水要求， 混凝土裂缝控制对于地下工程质量至关重要。 研究表明，普通C40 混凝土渗透系数约10-7cm/s[2]。 普通地下结构渗透深度不超过10 cm，不开裂时C40 混凝土完全满足刚性防水要求。 然而， 一旦出现裂缝，混凝土的渗透系数呈数量级增加[3]。工程实践发现，1 m 高水压下，仅需2 min 左右时间水即可从裂缝处渗穿1 m 厚混凝土。 已公开报道的资料表明，由于收缩开裂等原因，地下隧道工程存在不同程度的渗漏现象。治理渗漏水问题时间长、难度大，并严重影响结构混凝土的耐久性能[4]。

采取有效措施控制混凝土开裂，是隧道工程建设的重大技术需求。本文结合南京横江大道紫创路隧道工程，研究了温控防渗抗裂剂对C40 混凝土强度、变形、热学性能及耐久性能的影响，监测了抗裂剂在某段侧墙的应用效果，为隧道工程的裂缝控制提供技术支撑。

1 抗裂剂的抗裂机理

利用膨胀组分在水化过程中产生适量膨胀补偿混凝土收缩是解决大体积和超长结构混凝土裂渗问题的有效技术途径。抗裂剂是近年来补偿混凝土收缩和裂缝控制领域的研究热点，相比传统钙矾石类膨胀剂，对外界环境湿度要求低、水化需水量小、膨胀效能大，可实现对混凝土收缩的分阶段、全过程补偿。

HME-V 混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂是钙质、镁质及水化热调控组分多元复合，具有温度调控作用的高效抗裂剂。 与传统缓凝剂相比，抗裂剂采用了新型的水泥水化调控技术，其主要影响水泥水化加速期水化放热速率，能大幅度降低水化速率峰值（图1），延长水化放热过程，充分利用结构的散热条件，为结构散热赢得宝贵时间，能大幅度地缓解水化集中放热程度， 削弱温峰和温降过程，降低温度开裂风险。 在降低混凝土结构温升的基础上，抗裂剂还复合了不同活性MgO 等膨胀组分，可实现密封条件下硬化混凝土分阶段、全过程收缩抑制[5]。

图1 缓凝剂与水化热调控材料的区别

2 工程背景

南京横江大道紫创路隧道工程位于南京市江北新区，毗邻南京长江五桥。隧道邻近长江，地下水丰富。 南京属于亚热带季风气候，“夏热冬寒”的特殊气候，给混凝土后期养护带来很大困难。 根据紫创路隧道设计图纸，侧墙混凝土采用自防水结构形式，添加抗裂剂作为一种有效措施。 工程中涉及大体积混凝土施工，需要防止混凝土在凝结硬化过程中产生早期收缩及温升，造成收缩率过大，引起开裂，破坏混凝土耐久性。

3 原材料与实验方法

3.1 原材料

水泥采用P·O 42.5 水泥； 粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰；矿粉采用S95 级矿粉；砂采用天然河砂，砂细度模数为 2.61；骨料为（5~25） mm 连续级配的碎石；减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-10 聚羧酸高性能减水剂；抗裂剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的HME-Ⅴ混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂（简称“抗裂剂”）。 水泥的化学成分见表1。

表1 水泥化学成分检测结果 wt.%

3.2 配合比

C40 强度等级的混凝土配合比， 如表2 所示。膨胀剂采用内掺方式， 以胶凝材料总量计掺量为4.6%、8%。通过减水剂等外加剂控制混凝土的坍落度在（180~220） mm。掺入抗裂剂后，混凝土的和易性良好，凝结时间相近，均属于正常范围内。

3.3 实验方法

3.3.1 不同恒温养护条件下C40 混凝土的限制膨胀测试

表2 掺膨胀剂的C40 强度等级混凝土配合比

混凝土限制膨胀测试参照GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》和JGJ 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》 进行。 每个配比成型6 条带10 mm 钢筋限制器的（100×100×300）mm 限制膨胀混凝土试件， 用于测定20 ℃、40 ℃水养条件下混凝土的限制膨胀率。 试件在温度为（20±1） ℃，抗压强度（3~5） MPa 脱模，测完初长后分别放在不同温度的养护箱内养护，进行限制膨胀率的测试。

3.3.2 掺抗裂剂的C40 混凝土的绝热温升

绝热温升试验参照GB 50496—2009 《大体积混凝土施工规范》的试验方法。 混凝土绝热温升采用舟山市博远科技开发有限公司BY-ATC/JR 型绝热温升测定仪测试。

3.3.3 C40 混凝土的力学性能

混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2019 《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试。

3.3.4 C40 混凝土的耐久性能

C40 混凝土耐久性能的测试试验参照GB/T50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的试验方法。

3.3.5 侧墙C40 混凝土现场监测

采用江苏苏博特新材料股份有限公司自主研发的“混凝土应变无线监测系统”分别对紫创路隧道某段侧墙进行了变形和温度监测。侧墙长30 m，厚度1.2 m。 监测位置位于侧墙的中心位置。

4 结果与讨论

4.1 抗裂剂对C40 混凝土的限制膨胀率的影响

表3 为掺加抗裂剂混凝土不同配合比混凝土的试验结果。 从表中可以看出，20 ℃情况下，限制膨胀率分别为 0.019%、0.035%，28 d 与 14 d 限制膨胀量差值分别为0.007%、0.008%。 40 ℃情况下，限制膨胀率分别为0.028%、0.040%，28 d 与14 d限制膨胀量差值分别为0.011%、0.015%。掺入抗裂剂后，C40 混凝土的限制膨胀率满足JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》的抗裂性要求，满足对墙体结构的限制膨胀率设计取值。

表3 掺抗裂剂的C40 混凝土的限制膨胀率 %

掺入抗裂剂的混凝土14 d 限制膨胀率得到显著提高。 同时，28 d 与14 d 限制膨胀量差值约为未掺加抗裂剂混凝土配合比的4～5 倍。 混凝土掺加抗裂剂可以更好地抵抗混凝土的收缩变形， 混凝土的开裂风险也会降低。同时，可全过程补偿混凝土收缩变形。 养护温度越高，限制膨胀率越高，抵抗开裂的能力越强，对于大体积混凝土、高强度以及夏季高温施工下的混凝土变形，有更好的补偿收缩作用。

4.2 抗裂剂对C40 混凝土绝热温升的影响

1～3 d 混凝土绝热温升变化速度较快，3 d 之后速度逐渐变缓，约6 d 之后混凝土绝热温升逐渐趋于稳定值。

图2 基准及掺抗裂剂的C40 混凝土的绝热温升

由图2 可知，C30 基准混凝土9 d 的绝热温升约50.5 ℃，掺39 kg/m3抗裂剂的C50 混凝土9.3 d的绝热温升约44.1 ℃。 抗裂剂能很好地放缓胶材水化放热历程，有效地降低胶凝材料中水泥早期水化放热速率，延缓水化历程，大幅度缓解水泥水化集中放热、水化产物的膨胀性能。

4.3 抗裂剂对C40 混凝土力学性能的影响

掺抗裂剂的C40 混凝土抗压强度满足C40 混凝土设计强度要求，且掺HME-V 混凝土（温控、防渗） 高效抗裂剂并未降低C40 混凝土的抗压强度（表 4）。

表4 掺与未掺抗裂剂的C40 混凝土的抗压强度

4.4 抗裂剂对C40 混凝土耐久性能的影响

4.4.1 抗渗性能

基准混凝土与掺入抗裂剂的C40 混凝土相比，抗裂剂对C40 混凝土的抗渗性能有明显提高，相同试验水压力下有效降低了渗水高度，抗渗性能检测结果见表5。

表5 掺与未掺抗裂剂的C40 混凝土的抗渗性

4.4.2 抗氯离子侵蚀

掺入抗裂剂的C40 混凝土低于基准混凝土，表明抗裂剂提升了C40 混凝土的抗氯离子侵蚀性能，检测结果见表6。

表6 掺与未掺抗裂剂的C40 混凝土的抗渗透性能

4.5 隧道某段侧墙的C40P8 抗裂混凝土的温度-变形监测及抗裂效果

此段混凝土的抗裂剂掺量是8%。 由图3 可知，初凝后混凝土中心位置的温升达40 ℃。 温升阶段，厚度方向膨胀变形达776 με，长度方向膨胀变形达403 με。 混凝土温升阶段，厚度方向和长度方向膨胀变形随温度呈直线增长，厚度方向的单位膨胀变形为 20.83 με/℃， 长度方向的单位膨胀变形为10.11 με/℃。监测数据表明，抗裂剂在侧墙结构中产生了有效膨胀变形。

图3 某段C40P8 混凝土的侧墙中心位置温度-变形监测结果（30 m 长、1.2 m 厚）

观察采用上述抗裂剂并进行温度-变形监测的紫创路隧道某段C40P8 侧墙混凝土外观， 未发现贯穿性裂缝及渗漏。

5 结论

（1）添加抗裂剂的C40 混凝土14 d 水养限制膨胀率均能够达到0.015%， 已经满足补偿收缩混凝土的设计取值，能够在混凝土内部产生约（0.2～0.7）MPa的膨胀应力。 14 d～28 d 水养条件的限制膨胀率持续增长， 表明添加抗裂剂能够补偿混凝土早期自收缩， 而且能够补偿混凝土的温降收缩和后期拆模后的干燥收缩， 但7 d～28 d 内水养条件下的限制膨胀增长幅度明显低于7 d 内的膨胀变形， 表明混凝土在28 d 以后的膨胀会趋于收敛， 不存在安定性问题。

（2）掺入苏博特制备的HME-V 混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂能较好地降低混凝土胶凝材料的早期水化反应速率，降低温升。 结合抗压强度数据分析，掺入HME-V 型混凝土抗裂剂能够抑制混凝土早期温升且不影响混凝土后期强度。 相比基准C40 混凝土，掺入抗裂剂的C40 混凝土的抗渗性和抗氯离子渗透性能得到大幅度提高。

（3）监测数据表明，抗裂剂在隧道某段侧墙结构中产生了有效膨胀变形。对采用上述抗裂剂某段C40P8 侧墙混凝土外观观测，未发现贯穿性裂缝及渗漏。