微收缩高效减水剂在混凝土前期裂缝控制中的应用研究

摘要: 结合九华山隧道超长大体积混凝土主体结构抗渗混凝土施工, 通过和对膨胀剂类外加剂在同等条件下的对比试验, 首次在隧道工程中成功应用新型的聚羧酸微收缩高效减水剂, 减少了单位体积混凝土用水量, 大大减小了混凝土的收缩量, 防止了混凝土裂缝( 特别是纵向贯穿裂缝) 的产生, 有效地提高了混凝土的耐久性。

关键词: 抗渗混凝土; 收缩; 减水剂; 裂缝; 试验

中图分类号: TU528.042.2 文献标志码: A 文章编号: 1002- 3550-( 2007) 01- 0076- 03

0 概述

　　九华山隧道建成后位于玄武湖底下, 防水及耐久性就成了设计和施工的首要任务。按设计要求隧道主要以自防水为主, 混凝土裂缝是影响混凝土及其结构耐久性的关键因素, 而混凝土的收缩性能则是导致混凝土开裂的重要原因。混凝土早期塑性收缩、干燥收缩及温度收缩都将对混凝土结构稳定性带来挑战。

　　为保证混凝土在工程中的使用性能及耐久性, 必须对混凝土的体积稳定性进行深入的研究, 并采取有效措施对其加以控制。混凝土干缩产生的原因主要是混凝土内部的水分损失, 影响混凝土收缩性能因素主要有胶凝材料用量、水灰比、骨料性能及外加剂种类等等, 很难在这些有交互作用的因素中找出能提高混凝土干缩性能的普遍方法。使用AFt 类膨胀剂是我国隧道和地下工程减小混凝土材料收缩的常规做法, 而使用AFt 类膨胀剂对混凝土后期的不利影响也已被众多研究者证实。

　　从混凝土本身材料、结构和物理化学理论的角度, 结合已有研究项目积累的研究经验及国内外研究者的一些探索, 可考虑从骨料最佳堆积状态、混凝土内部养护、合理外加剂的选择使用等途径出发, 增大混凝土密实程度、提高混凝土材料弹性模量、阻止混凝土内部水分蒸发等, 减小混凝土收缩, 以改善耐久性能。

　　本文通过和对膨胀剂类外加剂在同等条件下的对比试验,首次在隧道工程中成功应用新型的聚羧酸微收缩高效减水剂,减少了单位体积混凝土用水量, 大大减小了混凝土的收缩量,防止了混凝土裂缝特别是纵向贯穿裂缝的产生, 有效地提高了混凝土的耐久性。

1 试验方案

　　试验测试仪器采用天津建筑仪器厂生产的YB-25 手持式应变仪。

1.1 试件尺寸及测头布置方式

　　试件尺寸分别为100mm×100mm×400mm ( Mode I、ModeⅡ) , 及100mm×100mm×300mm( Mode Ⅲ) , 铜质测头, 采用图1所示的三种测头类型及其布置方式。

1.2 试件养护制度

　　(1) 1.5d 拆模, 水养7d 后置于恒温恒湿室( ( 20±2) ℃, RH( 60±0.5) %) 待测;

　　(2) 1.5d 拆模, 直接放置于恒温恒湿室( ( 20±2) ℃, RH( 60±0.5) %) 待测。

1.3 基本情况

　　试验选用聚羧酸系高效减水剂MST 及JM-PCA; 膨胀剂有钙质膨胀剂JM-III 及镁质膨胀剂, 进行对比试验研究。所用水泥为华新42.5 级普通硅酸盐水泥, 骨料为5~31.5mm 连续及配石灰岩, 所用河砂为中砂( Mx=2.7, II 区) 。收缩试验所用到的配合比如表1。

2 非限制收缩试验( FS 组)

　　FS 组测头布置方式为Mode I, 见图2, 从3d 开始放入水中养护7d 取出, 放置于恒温恒湿室( ( 20±2) ℃, RH60%) 待测。( 1) 试验结果

( 2) 结果分析

　　从图2 中可以开出, 三组配比下混凝土试件的收缩相差不大, 聚羧酸组最小, 镁质膨胀剂组次之, 而钙质膨胀剂收缩值最大; 每组三个试件的收缩值比较接近, 数据可靠。钙质膨胀剂早期膨胀效果不如镁质膨胀剂明显。

FS- 1.5 组: y=117.74Ln( x) - 291.59( R2=0.962 6)

FS- 2.1 组: y=137.21Ln( x) - 344.12( R2=0.933 6)

FS- 3.1 组: y=128.74Ln( x) - 327.49( R2=0.921 1)

　　对试验数据进行二次曲线拟合分析( 见图3) 可知: 拟合曲线与试验数据相关性较好。需要指出的是, 不同拟合函数拟合出的趋势( 斜率) 会有所不同, 同次试验主要为了比较不同外加剂对混凝土收缩性能的相对影响情况。

3 非限制收缩试验( FE 组)

　　FE 组测头布置方式为Mode II, 从3d 开始放入水中养护7d 取出, 放置于恒温恒湿室( ( 20±2) ℃, RH60%) 待测。

　　(1) 试验结果

　　( 2) 结果分析

　　从图4 可以看出, 该组试验中各配比的不同试件间收缩值差异很小, 不同配比间的差异也不大。胶凝材料用量及水泥用量是该组试验中收缩的主要影响因素。

FE- 1.3 组: y=137.8Ln( x) - 340.6( R2=0.945 6)

FE- 1.5 组: y=140.94Ln( x) - 348.17( R2=0.903)

FE- 1.7 组: y=147.45Ln( x) - 356.08( R2=0.917)

FE- 2.1 组: y=170.35Ln( x) - 430.23( R2=0.876 1)

　　对试验数据进行二次曲线拟合分析( 见图5) 可知: 拟合曲线与试验数据相关性较好。

4 限制收缩试验( CS 组)

　　测头布置方式为Mode III, 3d 时开始放入水中养护7d 取出, 放置于恒温恒湿室( ( 20±2) ℃, RH60%) 待测。

　　(1) 试验结果

　　(2) 结果分析

　　从图6 中可以看出, CS- 2.1 组收缩最大, CS- 3.1 组次之,CS- 1.5 组收缩值最小; 不同配比的各试件收缩情况基本相同;钙质膨胀剂在早期的膨胀效果并不明显。

　　对试验数据进行二次曲线拟合分析( 见图7) 可知: 拟合曲线与试验数据相关性较好。

CS- 1.5 组: y=119.89Ln( x) - 330.8( R2=0.952 5)

CS- 2.1 组:y=135.41Ln( x) - 340.69( R2=0.946 5)

CS- 3.1 组:y=150.83Ln( x) - 98.51( R2=0.951 4)

5 结论

　　通过不同外加剂对混凝土早期收缩性能的影响对比试验可知, 无论对于自由干缩试件或限制收缩试件, 聚羧酸系微收缩高效减水剂的使用都不会对混凝土后期的收缩性能有负面影响, 而膨胀剂尤其是AFt 类膨胀剂对后期混凝土性能有潜在的劣化可能性。采用聚羧酸外加剂, 通过改变混凝土孔隙中固、液、气三相的表面物理化学特性, 达到减少收缩的目的, 一旦加入, 在混凝土中终生有效, 使得混凝土的收缩降低, 提高抗裂性能。通过掺加JM-PCA 与萘系高效减水剂的混凝土干燥收缩比较, 可以看出, 其减缩效果很明显。使用JM-PCA 有效提高了九华山隧道工程混凝土的抗裂性, 保证了九华山隧道的工程质量。