抑温抗裂防水剂在明挖隧道侧墙混凝土中的功效研究

抑温抗裂防水剂在明挖隧道侧墙混凝土中的功效研究

李支元

中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽 合肥 230000

摘要：为研究混凝土抑温抗裂防水剂（以下简称抑温剂）对混凝土水化热和强度等指标以及抗裂效果的影响,通过室内和现场工艺性试验，测试原材料、混凝土温度，进行混凝土强度和耐久性指标试验，对比掺抑温剂的混凝土较基准混凝土抑温抗裂功效。试验结果表明: 参加抑温剂的混凝土，具有明显的物理减水性能，与外加剂有良好的相容性，具有梯度缓释功能，能够抑制胶凝材料水化放热速率，降低最高温升，从而减小早期温度收缩应力[1]，降低温度收缩开裂概率，对硬化混凝土的强度和耐久性能指标基本无影响。

关键词:抑温抗裂防水剂；混凝土温度；强度；耐久性；水化放热速率

1.前言

近年来，建筑结构砼强度普遍提高，较大的胶凝材料用量带来放热速率快、水化放热量大、混凝土芯部温升增大、里表温差较大等问题，导致像地铁车站墙身[2]、隧道衬砌墙身等中等厚度混凝土结构，在早期因温度收缩开裂的现象出现较多，已成为造成混凝土工程病害的难题，严重影响砼结构防水性和耐久性[3]。传统的低胶材用量、大掺量矿物掺合料配置混凝土和多项物理降温方式，无法达到理想效果，且费时费力、代价较高。

目前市面上出现的抑温剂，在混凝土升温阶段可持续释放抑温功能组份，起到抑制混凝土水化放热速率、降低混凝土内部温度和里边温差的作用，对降低混凝土结构开裂发挥作用。其掺加量较小，采用可溶膜包装，投料方便无粉尘，具有很好的社会经济效益。

1.工程案例简介

某高速铁路隧道，采用明挖法施工，开挖深度为1.4～18.1m，采用放坡+喷锚支护、SMW工法桩+内支撑、地连墙+内支撑支护结构体形式。其中U0\U1型衬砌结构底板厚度0.8m，侧墙厚度0.6m，高度为3.42m，混凝土设计为C45 P12防水混凝土。施工时采用泵送分层浇筑和逐层震捣，分层厚度50cm，浇筑长度15m，模板采用整体式钢模板，侧墙混凝土浇筑后，在硬化早期出现间隔2-3米的竖向裂缝。经分析，认为混凝土早期水化放热大、放热集中，而混凝土早期抗拉强度较低，温度应力产生的拉应力造成混凝土内部出现温度应力裂缝，随龄期增加裂缝由内部向外部发育，造成混凝土质量问题。为此，本文研究抑温剂对明挖隧道侧墙混凝土性能及抑制水化热的作用效果，验证混凝土温度变化对裂缝产生的影响，为对类似工程项目提供一定的参考经验。

2.混凝土原材料

混凝土原材料包括：①P·O42.5水泥；②F类Ⅱ级粉煤灰；③天然河砂，中砂，级配良好；④5-31.5㎜碎石；⑤拌合水；⑥聚羧酸高性能外加剂；⑦JX-E混凝土抑温剂。

3.室内配合比试验

基准混凝土采用C45配合比，对比配合比（掺抑温剂）在基准配合比基础上每方添加0.4㎏抑温剂，材料用量如表1。

图1 混凝土配合比试配          图2 混凝土性能试验

使用HJW-60型砼搅拌机搅拌强制搅拌时间180s，进行混凝土拌合物性能测试，并制作150 mm×150 mm×150 mm及φ100 mm×50mm试件，在温度(20士2)℃、相对湿度≥90%条件下标准养护至规定龄期，进行规定龄期抗压强度试验，电通量法测定试件56d电通量，试验结果汇总见表2。

4.现场工艺性试验

选取D1K19+644.06～D1K19+629.06侧墙为工艺性试验段，其衬砌侧墙厚度0.6m，长度15米，浇筑高度为3.42m，左侧墙使用基准配合比浇筑，右侧墙使用对比配合比浇筑，现场施工均采用泵送分层浇筑，分层厚度为50cm，模板采用整体式钢模板，提前在拟浇筑的基准和对比混凝土内埋设自动测温探头（分别记测点1，测点2），以及环境测温探头（记测点3）[4]。施工选择温度较低时段进行，混凝土罐车运输中做好相关防晒保温措施，发车间隔2h。混凝土生产搅拌前对搅拌环境和使用的原材料进行测温。

 图3 原材料温度测定           图4 拌合站混凝土试验

   图5 混凝土浇筑施工           图6 浇筑点混凝土试验

每车混凝土由试验人员在拌合站和浇筑现场分别测定温度、坍落度、扩展度、含气量，保证混凝土坍落度在160-200㎜，出机温度不大于35℃，入模温度不大于30℃，含气量不小于4.5%。

混凝土浇筑完毕后采用土工布＋薄膜进行保温保湿养护，自动测温设备监测各时刻混凝土的芯部、表面及环境温度见表5。浇筑完毕36小时后拆模，检查左、右侧墙均无裂缝产生，第18d检查发现左侧墙（未添加抑温剂）产生两条竖向裂缝，右侧墙未发现裂缝，第56d检查发现左侧墙裂缝增加至两条，右侧墙未发现裂缝。龄期14d、28d采用回弹法检测混凝土强度，左侧墙（未加抑温剂）回弹强度推定值分别为47.3MPa、52.6 MPa，右侧墙（添加抑温剂）回弹强度推定值分别为49.3MPa、54.2 MPa，均满足设计要求。

图7 实体质量现场测试

5.试验结果分析

5.1抑温剂对砼拌合物性能的影响

通过表2、表4数据结果来看，添加抑温剂后对混凝土坍落度、含气量、电通量、强度无明显影响（见图1），其与混凝土各材料具有良好的适应性，能够改善混凝土和易性，优化混凝土结构分布，增加混凝土密实性，混凝土早期强度增长有所降低，但是随着龄期增加强度逐渐增大，至56d时强度追平甚至稍比基准混凝土有所增强。

图8混凝土性能对比      图9 强度变化曲线

5.2抑温剂对混凝土温度的影响

在相同条件下，表3中数据表明胶凝材料温度在31～35℃温度区间，骨料在28～33℃温度区间，拌和水在13～15℃温度区间条件下，基准和对比混凝土混凝土出机温度在28.1～28.9℃之间，对混凝土初始温度无明显影响，即初始温度高低取决于原材料和拌合环境温度。

根据表5的测温数据绘制温度-时间曲线（图10），工程现场测温曲线可以看出，基准混凝土入模温度29.7℃，实测最高温度66.9℃，出现时间为13h，最高温升值为35.8℃，最高温度时里表温差达22.8℃，达到最高温度后进入降温段，开始降温后一天降温15.3℃，降温速率为0.64℃/h。对比混凝土（掺抑温剂）入模温度29.5℃，最高温度51.8℃，出现时间为26.7h，最高温度出现时间推迟约13.7h，最高温升值为21.1℃，最高温升值降低了14.7℃，可减少温度收缩约147μξ。最高温度时里表温差仅为0.9℃，达到最高温度后进入降温段，开始降温后一天降温3.9℃，速率为0.16℃/h，降温速率远低于基准混凝土，温峰持续时间近24h，此时混凝土达到放散热平衡。

图10 混凝土温度-时间曲线

由于混凝土达到最高温度时强度较低，此时快速降温容易导致混凝土温度收缩开裂，降温速率越低，温度收缩发生的越缓慢，同时在应力松弛的作用下，会大大减小温度开裂的几率。

6.结论

混凝土抑温抗裂防水剂对混凝土拌合物性能无有害影响，对后期强度和耐久性指标没有劣化作用。用于混凝土施工可明显降低胶凝材料水化热速率、降低并延迟温度峰值，混凝土升温和降温速率大幅减少，可以起到降低结构混凝土温度收缩开裂概率的作用

[5]。同时要注意在用于工程实体前需根据推荐掺量进行混凝土试配，验证混凝土工作性、强度和耐久性满足要求才可用于工程施工。

参考文献：

[1]纪光磊,朱安龙,杨勇等.新型抑温抗裂防水剂效果测试及其在抽水蓄能电站隧洞工程中的应用[J].四川水泥,2024,(02):232-233+236.

[2]徐嘉祥. 地铁车站主体结构混凝土温度开裂机理与控制研究[D].山东大学,2024.DOI:10.27272/d.cnki.gshdu.2023.004716.

[3]王金生.控制大体积混凝土水化热危害的原材料选择及工艺措施[J].铁道建筑,2011(06):144-145.

[4]孙美燕,王永兴.掺抗裂硅质防水剂的大体积混凝土热学性能研究[J].西部交通科技,2022(09):198-201.DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2022.09.064.

[5]袁军,陈俊,林为胜.抑温抗裂防水剂对混凝土水化温升及性能的影响[J].工业建筑,2023,53(S1):650-652+594.