刘敏，李社伟

（中铁隧道集团二处有限公司南昌市红谷隧道工程施工项目经理部，江西 南昌 330209）

低热抗裂沉管混凝土胶材体系优化研究

刘敏，李社伟

（中铁隧道集团二处有限公司南昌市红谷隧道工程施工项目经理部，江西 南昌 330209）

本文通过水化热、小圆环抗裂试验，研究了粉煤灰、矿渣粉对低热抗裂沉管混凝土胶材体系水化放热性能和抗裂性能的影响。结果表明，粉煤灰和矿渣粉可明显降低胶材体系的水化放热速率及放热总量，降低升温速率；20% 粉煤灰和 20%矿渣粉制备的砂浆抗裂性能最好；掺入 20% 粉煤灰和 20% 矿渣粉的 C60F20K20 胶凝材料体系适合配制沉管主体混凝土，而掺入20% 粉煤灰和 10% 膨胀剂的 C70F20P10 胶凝材料体系适合配制后浇带混凝土。

低热抗裂；沉管混凝土；水化热；小圆环抗裂试验

大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于 1m 的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土[1]。随着工程规模的逐渐增大，混凝土构件尺寸逐步增大，混凝土设计强度不断提高。为达到设计要求的较高强度，混凝土中胶凝材料用量不断增大，水化热和收缩增加，混凝土的抗拉强度并没有随抗压强度的提高而成比例提高，反而导致混凝土抗裂能力有一定程度的下降。因配合比设计不合理，混凝土水化放热迅速、水化温度升高，导致的大体积混凝土开裂问题十分普遍。因此，水化热和抗裂能力是大体积混凝土设计和施工过程中的关键控制参数。[2-3]

南昌市红谷隧道连接南昌市红谷滩新区与东岸老城区，采用沉管法进行施工，沉管段为钢筋混凝土结构，全长1305m，共 12 节管段。沉管横断面宽 30m，高 8.3m，底板厚1.2m，顶板厚 1.1m，侧墙厚 1.0m，属于大体积混凝土。因此，配制低热抗裂高性能混凝土是控制沉管大体积混凝土裂缝的关键因素之一。

本文介绍该工程通过水化热和小圆环抗裂试验，研究了粉煤灰、矿渣粉对胶凝材料体系水化放热和抗裂性能的影响，优选并确定了低热抗裂沉管混凝土的胶凝材料组成。

1 原材料

水泥：江西赣江海螺水泥有限公司生产 P·O42.5 水泥，比表面积 319m2/kg，其物理性能见表1。

表1 水泥物理性能

粉煤灰：江西益材粉煤灰开发公司生产的 F 类 Ⅰ 级粉煤灰，45μm 筛余 5.4%，需水量比 95%，烧失量 3.6%。

矿粉：新余中冶环保资源开发有限公司生产的 S95 矿渣粉，比表面积 410m2/kg，流动度比 100%，28d 活性指数95%。

砂：江西赣江河砂，含泥量 0.8%，细度模数 2.4，碱活性 0.04%。

膨胀剂：北京成城交大建材有限公司生产 CC-12 型膨胀剂，国际Ⅰ型产品，水中 7d 限制膨胀率 0.074%，空气中 21d限制膨胀率 0.026%。

2 试验方法

2.1 水化热试验

水化热试验，采用英国 Wexham 公司 JAF-4 胶凝材料体系水化热测定装置进行，自动采集并自带分析软件计算放热曲线，用于评价胶凝材料体系在水化过程中放热性能。水胶比 0.50，水化热试验胶凝材料配比见表2。

表2 水化热试验胶凝材料配比 %

2.2 小圆环试验

中华民族远古不同的部落有不同的图腾，在部落融合的过程中，其图腾也实现融合。中华民族主要图腾龙和凤均是融合了诸多动物元素的产物。良渚人对鸟的崇拜应看成是中华民族凤崇拜的先声。

小圆环试验采用胶砂进行，水胶比 0.40，灰砂比 1:2，胶砂配比见表3。小圆环试件尺寸为内径 41.3mm，外径66.7mm，高度 25.4mm。所用成型标准模具包括内环、外环和底座（见图 1），外环由两个半环组成，并且用螺栓连接的薄铁皮套箍加以固定。

图 1 小圆环试验

表3 小圆环试验胶凝材料配比 g

每组成型 3 个试件。砂浆搅拌好之后，分两次装模，用小刀插捣，手动振捣成型。成型后立即移入温度 (20±1)℃，湿度＞95% 的标准养护箱内养护，24h 后拆模。试件拆模后，立即移入温度 (20±1)℃、湿度 (60±5)% 的干空室内放置。记录试件表面的裂缝发展情况，记录试件的开裂时间和裂缝宽度。开裂时间从加水搅拌后 24h 开始计算。

3 结果与分析

3.1 纯水泥水化放热性能

纯水泥水化放热数据每隔 10 秒采集一次，根据数据绘制纯水泥水化放热曲线，见图 2。

图 2 纯水泥水化放热性能

由于取值问题，图中不能清晰地反映出 3h 前的水化放热情况，但放热总量不大，对温度裂缝影响不大。初始水泥反应速率较大，其后由于钙矾石的形成，使水化反应速率迅速减缓。在 3h 左右时达到低点，意味着水化反应诱导期结束开始进入加速反应期。在水化反应加速期，由于 C3S 的迅速水化，形成 C-S-H 和 CH，放出热量，在 15h时达到整个水化过程的最高顶点，其放热速率峰值为 2.5mW/g，此时水泥浆体已经终凝，开始硬化。此后，水化放热速率快速降低，由于石膏消耗完毕，在 45h 左右，剩余的 C3A 水化产物与 AFt 反应生成 AFm，减缓了放热速率的降低趋势。这个阶段之后，水化反应放热速率降低到很小，并趋于逐渐稳定[4]。此外，水泥 12h 的放热总量为 47.7J/g，1d 的放热总量为 147.1J/g，3d的放热总量为 248.5J/g。

3.2 粉煤灰对胶凝体系水化放热的影响

粉煤灰可以降低大体积混凝土水化热[5]，并改善其耐久性能。粉煤灰对胶凝材料材料体系放热速率、放热总量的影响见图 3 和表4。

图 3 掺 20% 粉煤灰体系的放热性能

表4 单掺粉煤灰、矿渣粉胶凝体系的水化放热特征

由图 3 和表4 可知，掺入 20% 粉煤灰后，胶凝材料放热总量和放热速率均出现了一定程度的下降。C80F20 体系，在12h 时，水化放热总量约为纯水泥体系的 79%；在 24h 时，水化放热总量约为纯水泥体系的 82%；而到 36h 时，水化放热总量约为纯水泥体系的 85%，此后稳定在 87% 左右。这说明在水化反应的初始阶段，粉煤灰参与水化放热的程度较低，粉煤灰可以降低放热速率，推迟水化放热峰值出现的时间，减少放热总量。掺入 20% 粉煤灰后，胶凝材料水化放热总量可以降低 12% 左右，单位质量粉煤灰放热量为水泥放热量的4% 左右，放热峰值出现的时间推迟 3h 左右。

3.3 矿渣粉对胶凝体系水化放热的影响

图 4 掺 30% 矿渣粉体系的放热性能

掺入 30% 矿渣粉后，胶凝材料放热总量和放热速率同样均出现了一定程度的下降。C70K30 体系，在 12h 时，水化放热总量约为纯水泥体系的 67%；在 24h 时，水化放热总量约为纯水泥体系的 76%；在 36h 龄期时，水化放热总量约为纯水泥体系的 77%，此后逐渐增大，到 135h 时，达到 85%左右，单位矿渣粉放热量为水泥放热量的 5% 左右。结果表明，矿渣粉参与水化反应的程度比粉煤灰高。掺入 30% 矿渣粉后，胶凝材料水化放热总量可以降低 15% 左右，放热峰值出现的时间推迟 4h 左右。

3.4 粉煤灰、矿渣粉复掺对胶凝体系水化放热的影响

复掺 40%～60% 的粉煤灰、矿渣粉胶凝材料体系的水化放热性能见图 5和表5。复掺矿渣粉与粉煤灰后，随着掺量的增加，胶凝材料体系的水化放热速率、放热总量明显降低，最大放热速率出现前后放热速率增大与降低趋势变缓，整个放热过程的放热速率曲线也趋于平缓。矿物掺合料掺量达到40% 时，在放热主峰之后有放热副峰出现，复混掺粉煤灰和矿渣粉更加有利于混凝土的温控，实现“缓慢温升－温降”目的。

表5 混掺粉煤灰和矿渣粉体系的水化放热特征

图 5 复掺粉煤灰、矿渣粉体系的放热性能

3.5 胶凝材料体系小圆环抗裂性能

胶凝材料体系小圆环试件的开裂时间和裂缝宽度结果见表6。

表6 小圆环试验结果

结果表明，所有开裂的试件，均是从圆环半径方向开裂，一般没有开裂征兆，均是瞬间通裂。每个圆环试件产生一条裂缝后，不会在其它位置产生裂缝。裂缝的平均宽度与混凝土收缩量密切相关，收缩量越大，裂缝宽度越宽。纯水泥体系和单掺矿渣粉体系的裂缝宽度较宽，平均达到0.20mm。掺入粉煤灰的体系裂缝宽度较小，一般为 0.10～0.15mm。C60F20K20 胶凝材料体系所成型的三个试件，在干空室放置 60d 时，尚未观察到贯穿裂缝。C60F20P10 因掺入膨胀剂，圆环试件发生膨胀，在试件成型 7d 左右时，试件中间的铁芯已经可以取出，试件未受到铁芯的约束，试件未开裂。

随着掺合料掺量的增大，胶凝材料的水化放热速率峰值逐渐降低，峰值出现的时间推迟，水化放热总量逐渐降低，从水化热的角度说，掺合料掺量越大，混凝土水化放热越少，产生温度裂缝的可能性越低。

小圆环试验是胶凝材料体系在干燥收缩条件下的抗裂性能的综合反应，试件的开裂与砂浆的收缩量（收缩应力）和砂浆的抗拉强度两个指标密切相关，砂浆的收缩应力超过抗拉强度时，在最薄弱的位置瞬时产生贯穿裂缝。研究表明，粉煤灰的掺入能降低混凝土的干燥收缩[6]，而矿渣粉的掺入几乎没有降低混凝土干燥收缩的作用。与纯水泥体系相比，掺合料的掺入可以降低总水化热，适当降低混凝土干燥收缩，降低收缩应力，但掺合料会降低混凝土的早期抗拉强度，因此矿物掺合料的掺入并非越多越好，而是存在合理低值。

综合水化热和小圆环试验结果，同时考虑沉管混凝土抗渗性能等耐久性参数的要求，沉管主体混凝土采用掺入 20%粉煤灰和 20% 矿渣粉的胶凝材料体系，该胶凝材料体系水化热较低，抗裂性能较好。后浇带混凝土采用掺入 20% 粉煤灰和 10% 膨胀剂的 C70F20P10 胶凝材料体系。

4 结论

（1）掺入粉煤灰和矿渣粉等掺合料，可明显降低胶凝材料水化放热速率及放热总量，降低升温速率。粉煤灰对水化放热总量的降低作用比矿渣粉略大。

（2）小圆环抗裂试验结果表明，掺入 20% 粉煤灰和20% 矿渣粉的 C60F20K20 胶凝材料体系成型的砂浆抗裂性能最好。

（3）从水化热温升以及材料自身抗裂性能出发，采用掺入 20% 粉煤灰和 20% 矿渣粉的 C60F20K20 胶凝材料体系配制沉管主体混凝土。采用掺入 20% 粉煤灰和 10% 膨胀剂的C70F20P10 胶凝材料体系配制后浇带混凝土。

[1] GB 50496—2009，大体积混凝土施工规范[S]．

[2] 赵娜，王凯挺，张立明． 桥梁大体积混凝土水化热控制技术研究[J]． 山西建筑，2015, 28:152-153．

[3] 杜知博，陈省军，刘庆宇，等．信达国际金融中心大体积混凝土底板施工技术[J]．施工技术，2016,9: 7-9．

[4] 李超，罗德龙，王迎飞，等． 青岛海湾大桥胶凝材料体系水化放热性能及开裂敏感性研究[J]．公路，2009, 9: 173-178.

[5] 刘生承．粉煤灰在菲律宾阿格诺河大坝工程大体积混凝土中的应用[J]．水利水电技术，2014, 4: 93-95+97．

[6] 王朝阳，范喜尧，江守恒．粉煤灰对混凝土干缩的影响[J].低温建筑技术，2010, 4: 23-24．

［通讯地址］江西省南昌市东湖区沿江中大道新洲路 8 号 红谷隧道经理部（330209）

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刘敏（1982—），男，工程师。