大体积现浇抗裂混凝土施工裂缝防治研究

陈彦红 陈季 杨建新 窦建瑜 张扬 黄钰程 唐强 史培新

摘 要：在大体积混凝土施工中由于大幅度温度升降引起的微应变，而导致微裂缝的产生与发展，为此，混凝土抗裂剂凭借出色的补偿收缩性能在大体积混凝土施工中得到了试验与运用。本文运用补偿收缩混凝土技术，研究添加不同浓度HME-V抗裂剂掺量（0%，4%，8%，12%，16%）的抗渗混凝土施工和易性、散热情况及力学性能，同时和掺入0.4%聚丙烯纤维的抗渗混凝土做对比研究，采用Abaqus有限元软件对隧道的顶板与侧墙施工过程中的温度场与塑性损伤进行数值模拟计算。试验结果表明，抗裂剂配制的抗渗混凝土和易性更佳，力学性能相较原始混凝土有良好的保证，并在塑性损伤及大体积散热方面有不错的表现。

关键词：混凝土;抗裂剂;坍落流动性;力学性能，温度监测;Abaqus 数值模拟

中图分类号：TU528    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）01-0105-06

Abstract：In order to control the strain caused by large temperature drop in mass concrete construction， which leads to the generation and development of micro cracks， concrete anti-cracking agent has been tested and applied in mass concrete construction with its excellent performance of compensating shrinkage. In this paper， the construction workability， heat dissipation and mechanical properties of impermeable concrete with different concentrations of HME-V anti-cracking agent （0， 4%， 8%， 12%， 16%） are studied by using the shrinkage compensating concrete technology. Meanwhile， it is compared with the impermeable concrete with 0.4% polypropylene fiber. ABAQUS finite element software is used to numerically simulate the temperature field and plastic damage during the construction of the roof and side walls of the tunnel. The test results show that the impermeable concrete prepared with anti-cracking agent has better workability， better mechanical properties than the original concrete， and has good performance in plastic damage and mass heat dissipation.

Keywords：Concrete; crack-resistant agent; slump flow; mechanical properties; temperature monitoring; Abaqus nume-rical simulation

0 引言

近年來，我国大力建设地下隧道工程，提升交通通行速度，减缓交通拥堵。随着地下工程建设迅猛发展，我国的隧道工程总里程已占据全球第一，并能成功克服各类复杂地形地质条件的束缚，隧道工程在全国范围内得到了广泛的建设运用[1-3]。然而，在隧道大量建设与使用的同时，各类工程问题及难题的出现在所难免。隧道普遍存在渗漏水、开裂和围岩破损等损坏现象。其中，隧道裂缝病害是影响隧道工程安全的关键。

隧道裂缝产生的诱因众多，而混凝土浇筑施工与养护过程中的温缩影响最为严重。城市地下隧道大多为大体积混凝土浇筑，其顶板、侧墙与底板的浇筑往往在很短的工期内完成一次浇筑与养护。巨大方量的混凝土在浇筑成型过程中大量放热升温，并伴随着体积膨胀，在养护期间降温收缩使得内部变形在所难免[4-7]，因此导致微小裂缝与孔洞的产生。当隧道投入使用时，这些微小裂缝孔洞在外部荷载与内部应力扩散的作用下延展与扩张，逐渐发展成较大的裂缝病害，并对行车安全以及人的生命财产带来未知隐患[8-9]。

目前，针对大体积混凝土浇筑的补偿收缩混凝土技术得到了广泛的研究与运用。混凝土膨胀剂在浇筑养护过程中，降低水化热并限制膨胀，有效地控制了温度的变化幅度，同时缓解了内部变形与应力集中现象，抑制了裂缝隧道的产生与发展[10-13]。对补偿收缩混凝土技术的研究是解决隧道裂缝的关键，不同工程运用的膨胀剂也有所不同。本文旨在通过坍落度试验、温度检测试验、力学强度试验与数值模拟等对HME-V混凝土抗裂剂在城市地下公路隧道中的裂缝防治性能进行研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次试验选用苏州市42.5级普通硅酸盐水泥。试验所用抗裂剂为江苏苏博特新材料的HME-V膨胀剂，膨胀剂主要由Al2O3 、SO3，以及少量的Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O、SiO2等组成。粉煤灰为实验室用II级粉煤灰。混凝土配合比的相关基本参数见表1。

试验采用实验室HJW-30升单卧轴小型卧式混凝土搅拌机如图1（a）所示;混凝土装模振动挤密选用1.5 m大型混凝土振动台如图1（b）所示;在混凝土抗折试验中用到的抗折夹具如图1（c）所示;图1（d）为自动式油泵压力试验机，最大量程为3 000 kN。

1.2 试验方案及测试方法

本次试验中混凝土的养护温度均在20 ℃±2 ℃，混凝土试体带模养护的湿度为95%。如图2所示，试件在制作24 h后脱模，并在70%左右的湿度条件下养护。依据《补偿收缩混凝土应用技术规程JGJ/T 178》的要求，在养护阶段用薄膜覆盖并定期喷雾。本文试验水灰比为0.45，每组配合比有3个平行试件，HME-V膨胀剂掺量分别选取0%、4%、8%、12%、16%（与胶结料的比值），另有一组0.4%聚丙烯纤维掺量的试样作对比试验。

（1）坍落度试验

运用坍落度仪器进行坍落流动性试验考究混凝土的流动性以及施工和易性，并以此研究不同膨胀剂配比对混凝土坍落流动性的影响，以及坍落度对后续抗渗性能与力学强度的影响。

（2）抗压强度试验

混凝土抗压强度试验中，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081—2019》的要求，试件7 d压力测试的加荷速度选取0.4 MPa/s，同时选取28 d测试的加荷速度为0.6 MPa/s。压力试验机为全自动模式，当试件压应力达到峰值后，机器继续施力直至破坏为止。为了更好地研究补偿收缩混凝土的力学性能，试验中在压力试验机夹板一侧增加了精度为0.01 mm的位移计。从而得到力-位移曲线[14]。

抗压强度试验主要是来测试混凝土试块的抗压强度，作为比较抗裂剂对强度影响的主要因素。混凝土试块的抗压强度按公式（1）计算：

fcc=FA。      （1）

式中：fcc为混凝土立方体试件抗压强度，MPa;F为试件破坏荷载，N;A为试块承压面积，mm2。

（3）抗折强度试验

在混凝土抗折强度试验中，试件尺寸为150 mm×150 mm×600 mm的长方体试件。由于抗折强度一般不高于5 MPa，其加荷速度与抗压强度试验相比有了较大的降低。试验中需压断试块，并记录损坏时的荷载和位置。作为比较抗裂剂对强度影响的因素之一。试件抗折强度按公式（2）计算：

ff=Flbh2。       （2）

式中： ff为混凝土抗折强度，MPa; F为破坏荷载，N; l为支座间跨度，mm; b为试件截面宽度，mm; h为试件截面高度，mm。

（4）温度监测试验

温度监测试验选在地下公路隧道侧墙浇筑的先期14 d，对侧墙中放置5处温度传感器，并对数据采取监控与收集，传感器布设如图3所示，分别在侧墙的长度方向中部中心、厚度方向中部中心、长度方向底部中心、内表面和外表面设置温度传感器。本次监测采用振弦式内置传感器，在整个监测过程中选用振弦式手持采集仪采集数据，采集频率范围400～3 500 Hz。7 d内每2 h监测一次，7～15 d监测频率为4 h一次。

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土坍落度

本试验混凝土坍落度试验研究不同膨胀剂配比对抗渗混凝土坍落度的影响。如图4所示，图4（a）和图4（b）分别为一立方有/无膨胀剂的混凝土自然卸料。有膨胀剂的混凝土料更易拌合，自然堆放的散落度、流动性更优。

不同膨胀剂掺量的混凝土坍落度对比如图5所示，6组混凝土的坍落度均在合理范围内（180±20 mm）。随着膨胀剂掺量的升高，坍落度值稳步上升。然而，过高的掺量使得坍落度偏高，并不利于实际施工的应用。混凝土纤维的加入同样旨在提高抗渗防裂性能，本试验0.4%聚丙烯纤维掺量的坍落度值相近于4%膨胀剂掺量的抗渗混凝土。

总体来说，8%左右的掺量能充分发挥混凝土胶结料的黏结作用，同时保证了施工和易性，不会导致浇筑后裂缝发展过快[15-16]。

2.2 混凝土抗压强度

依据《混凝土结构设计规范GB 50010—2010》要求，混凝土抗压强度按照标号有不同的要求。如图6所示，混凝土28 d抗压强度均超过40 MPa，超过规范中C35混凝土抗压强度要求，达到C40等级的强度标准。

膨胀剂的添加一定程度上降低了混凝土抗压强度，在7 d抗压强度中，0.4%纤维掺量混凝土的抗压强度比0%膨胀剂的纯混凝土强度还要高，但从28 d的强度来看，掺入纤维的混凝土抗压强度却低于所有膨胀剂试件。这表明，纤维在混凝土养护过程中起到了加固凝结的作用，先期较高的抗压强度得益于纤维在颗粒间黏结的摩擦力与附着力，这使得28 d的抗压强度变化很小，硬化带来的温降收缩对强度提升的影响不大[17-19]。

图7（a）与图7（b）分别为7 d与28 d养护期0%、8%膨胀剂与0.4%纤维掺量的混凝土抗压强度对比图。无膨胀剂与8%膨胀剂对比可以看出，无膨胀剂的混凝土抗压强度高于8%膨胀剂混凝土，0.4%纤维混凝土的强度和8%膨胀剂混凝土强度相近。当强度达到峰值后，普通混凝土强度骤降直至破坏，而膨胀剂与纤维的掺入，使得混凝土达到强度极限后的塑性发展更加明显，其强度下降较缓慢，也不会出现普通混凝土压碎断裂的现象。

2.3 混凝土抗折强度

混凝土抗折强度试验在我国规范中没有作特殊要求，本次试验试件28 d抗折强度均大于5 MPa，高于规范中对于C35混凝土抗折强度的要求。如圖8所示，

随着膨胀剂掺量增加，抗折强度有些许下降，总体变化幅度较小，掺入聚丙烯纤维的混凝土抗折强度与8%膨胀剂掺量混凝土抗折强度相近，这一定程度上说明了纤维在混凝土中起到了胶结料与骨料的黏结作用。

2.4 混凝土温度监测试验

从监测数据中不难看出，侧墙浇筑过程中温度升高幅值最大的在侧墙中部中心，沿长度方向与厚度方向的中部中心测点由于距离较近，实测值相差较小，越靠近中心的测点温度越高（表2）。隧道底部靠近下部土体，相比较中部温升下降了17.1 ℃，由于接近下部土体，其散热幅值也是最大的达到18.2 ℃。外表面温升与温降较慢，而得益于膨胀剂限制膨胀与补偿收缩的效果，中部两测点的温降速率很快，在5 d左右的时间降至低温状态，使得混凝土早期强度得到保证的同时，降低了内部细微裂缝产生的可能[20-23]。

3 结论

本文试验研究表明，HME-V膨胀剂在抗渗混凝土中的运用使得混凝土的先期与后期强度符合规范要求，一定程度上提高了流动性，并改善了混凝土施工和易性。对于养护期间内部温度的降低与限制体积膨胀起到很大的帮助。能有效防治裂缝产生与发展。本文试验所得结果对工程实践具有很好的指导意义。

（1）HME-V抗裂剂增加了混凝土流动性，8%膨胀剂混凝土的坍落度在180 mm左右，既有良好的施工和易性，同时混凝土卸货成型的稳定性也得到了保证。

（2）HME-V膨胀剂的掺入降低了混凝土强度，但降低幅度较小且在规范要求之内。膨胀剂的掺入使得混凝土达到峰值后的塑性发展更为明显。这表明，大体积混凝土养护过程中，膨胀与收缩引起的应力与变形将得到良好的限制，避免微裂缝的产生。

（3）隧道侧墙浇筑的温度监测数据显示，越靠近内部中心的温升、温降越大，普通混凝土在这一过程中易引起局部温度应力集中催生裂缝，而膨胀剂起到了限制膨胀与补偿收缩的作用，使得养护期每一个阶段的强度都很稳定。

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