城市轨道交通混凝土抗裂防渗技术研究与应用

抑制混凝土开裂渗漏是保障城市轨道交通地下结构建设质量的重点和难点。以城市轨道交通地下车站为例,分析了混凝土开裂的主要原因,介绍了施工期混凝土抗裂性评估与设计方法,提出了混凝土材料抗裂性能控制指标,以及保障指标实现的材料、施工控制措施,结合实际工程,介绍了成套技术应用效果,为类似工程抗裂防渗建设质量提升提供指导。

自密实高抗裂混凝土在盾构隧道工作井侧墙中的应用

采用明挖顺作法施工的盾构隧道工作井侧墙位于由维护结构、环框梁、底板及模板组成的密封空间内,其受到的约束作用强,施工难度大,容易因混凝土收缩开裂及浇筑不密实导致渗漏。依托在建的江阴靖江长江隧道工程,在室内研究的基础上,通过现场系列模型试验,比较了采用不同混凝土材料及施工工艺时混凝土结构的密实性。模型试验及工程应用结果表明,采用自密实高抗裂混凝土,结合布料工艺、浇筑速率、分层浇筑静置时间的控制,并辅以必要的振捣,可保证混凝土浇筑密实,进一步结合抗裂温控措施,可消除混凝土收缩裂缝,避免工作井侧墙出现渗漏。

江阴靖江长江隧道大体积混凝土抗裂技术研究

江阴靖江长江隧道是国内在建最大直径盾构隧道,其明挖段主体结构混凝土最大厚度达2.2 m,面临着较大的开裂与渗漏风险。在水化与膨胀历程双重调控技术的基础上,进一步研究了高吸水树脂(SAP)的湿度历程调控对混凝土抗裂性能的影响。室内试验结果表明,SAP可显著提高自生体积膨胀变形并优化变形历程,且基本不影响胶凝材料水化放热历程;工程现场试验结果表明,在湿度、水化、膨胀历程多重调控作用下,混凝土温升值降低了4.5℃,温升阶段单位膨胀变形增大206.7%,温降阶段单位收缩变形减小27.5%,为解决裂缝控制难度较大结构的收缩开裂难题提供了材料技术方案。

城市轨道交通地下车站结构自防水关键技术及应用

抑制混凝土开裂是保障城市轨道交通地下车站结构自防水性能的关键。文章首先分析了混凝土抗渗性能以及出现开裂的主要原因,在此基础上,结合相关标准,介绍了包括抗裂性设计、混凝土材料、施工工艺、监测和检验在内的地下车站结构抗裂防渗成套技术以及工程实施效果。研究成果可以为提升地下车站结构自防水性能、解决工程渗漏难题提供有效的技术途径。

基于现场监测结果的实体结构现浇混凝土入模温度统计分析

入模温度对混凝土早期性能发展影响较大,入模温度越高对结构混凝土早期开裂风险产生一定的不利影响。基于笔者研究团队近年来20余个工程项目的200多个现浇混凝土浇筑段的入模温度的现场监测数据,数据涵盖不同季节、不同结构形式,去除其中人为控制入模温度的数据组,进行了剩余197组入模温度数据的统计分析。结果表明:入模温度测试数据符合正态概率分布,与环境气温呈强线性相关性关系,且两者的差值也符合正态概率分布,并给出两者差值的拟合计算式,R^(2)值在0.98以上,这样可根据拟合式和环境气温估算实时入模温度。分析结果可为施工组织中入模温度的预判、混凝土抗裂性预评估入模温度的选取提供一定的指导作用。

水化热调控剂对水泥水化作用的影响研究

添加水化热调控材料可以有效控制混凝土的水化温峰,进而降低混凝土温度裂缝的生成,提高混凝土的耐久性、延长服役寿命。通过水泥净浆微量热、砂浆水化热、混凝土抗压强度、TG、XRD、SEM等手段研究了新型复合水化热调控剂对水泥混凝土力学性能、体积稳定性、水化作用等的影响规律。结果表明,水化热调控剂可以在不影响后期强度的情况下,有效降低水泥早期水化速率,水泥砂浆水化温峰值较基准样下降了18.52%~44.89%,减少水泥水化产物(CH、C-S-H、AFm、AFt)生成;在与膨胀剂配伍使用时,可以提升膨胀效果。

水化温升抑制剂对钙类膨胀剂变温膨胀效能的影响

研究了水化温升抑制剂TR01B对掺钙类膨胀剂砂浆性能的影响。结果表明:TR01B主要影响砂浆的早期抗压强度,对凝结时间也有一定的影响,但对后期抗压强度的影响较小;掺TR01B可以降低水泥早期水化放热速率峰值、温度峰值及放热量;TR01B能够调控钙类膨胀剂的膨胀效能,延缓了水泥早期水化产物的生成,同时不影响水泥后期的水化程度。

机制砂混凝土的力学性能及体积变形试验研究

对比研究了相同配合比条件下,机制砂和天然砂对C35混凝土的力学性能及体积变形的影响。结果表明:机制砂混凝土的力学性能明显优于天然砂混凝土;180 d时,机制砂混凝土的抗压强度较天然砂混凝土提高了15.3%,劈裂抗拉强度提高了4.3%;90 d时,机制砂混凝土的静弹性模量较天然砂混凝土提高了5.8%;机制砂混凝土的体积变形明显大于天然砂混凝土,180 d时,机制砂混凝土较天然砂混凝土的自收缩增大了约16.4%;机制砂中石粉掺量不宜过大,否则会显著增大混凝土的收缩开裂。

裂缝控制材料对混凝土收缩及微观性能影响

研究了减缩剂、膨胀剂等裂缝控制材料对混凝土抗压强度和收缩性能的影响,并结合低场核磁共振、扫描电镜试验分析了裂缝控制材料对水泥的水化特性以及混凝土孔隙结构影响规律。研究结果表明:在混凝土中掺入减缩剂和膨胀剂后,试样的干燥收缩率明显降低,膨胀剂的改善作用效果优于减缩剂。与基准组相比,减缩剂和膨胀剂试样90 d的干燥收缩分别降低了4.1%~10.3%和14%~21.7%。同时,减缩剂试样应变发展速率系数从80.48降低至54.59,而膨胀剂试样降低至41.69。微观测试结果表明:膨胀剂的加入加速了水泥早期水化进程,但后期的水化程度低于基准组。减缩剂和膨胀剂的掺入一定程度上削弱了混凝土基体的微观结构,增加了基体中有害孔的含量,但降低了混凝土中孔径<50 nm的孔隙含量。

江阴靖江长江隧道工作井底板混凝土自防水技术与应用

江阴靖江长江隧道是内地最大直径的盾构隧道,其始发工作井底板宽53.6 m,长28 m,厚1.5 m,抗裂防水要求高,但这种一次性现浇大体积混凝土面临着突出的收缩开裂问题。基于多场耦合机制开裂风险评估,从材料与工艺措施两个方面来降低混凝土温度、全过程补偿混凝土收缩变形,实现了对混凝土抗裂性能的精准调控。试验结果表明,混凝土7 d绝热温为43.1℃,且1、7 d比值为48.6%,28 d自生体积膨胀变形202.4με,构件混凝土温升值降低了4℃,温升阶段单位膨胀变形增加了231.2%,单位温降收缩变形减小了15.2%。炎热气候按方案施工的工作井底板混凝土未出现收缩裂缝,达到预期目标。

MgO膨胀剂对长龄期混凝土性能的影响

在模拟实际工程变温条件下,对掺MgO膨胀剂混凝土的长期变形性能及微观形貌进行了跟踪监测,并表征了其在80℃高温养护下的变形性能.结果表明:在经历早期变温历程及后期常温养护条件下,MgO膨胀剂在混凝土中的补偿收缩性能随着MgO掺量的增加而增大,活性值高的MgO对混凝土的补偿收缩效能更为显著;当常温养护3.0 a时,掺MgO膨胀剂混凝土的变形基本稳定;在80℃高温密封养护条件下,3.5 a龄期以上的掺MgO膨胀剂混凝土相较基准混凝土未出现膨胀现象,甚至略有收缩;随着养护龄期的延长,混凝土中MgO颗粒与周围水泥浆体间的分界面呈现逐步融合的特征,MgO颗粒内部O、Mg原子比呈现逐渐上升的趋势.

太湖隧道铺装层混凝土裂缝控制研究与应用

太湖隧道是国内最长的水下超宽明挖现浇隧道,其底板铺装层为渐变面结构,厚14.9~43.9 cm,宽14.9 m,最大一次性浇筑长度超过60 m。受先浇筑底板的约束,这种大面积变截面结构混凝土收缩开裂问题突出。基于多场耦合机制开裂风险评估结果表明,当铺装层一次性浇筑长度≤30 m时,混凝土开裂风险随浇筑长度的增加而显著增大,当一次性浇筑长度超过30 m后,混凝土开裂风险系数变化不大。通过优选低碱水泥,掺加8%的抗裂剂,辅以适当的入模温度控制及养护措施后,可满足铺装层混凝土一次性浇筑长度超过60 m不开裂的建设需求。工程监测及持续超过6个月的现场跟踪结果表明,按方案施工的铺装层混凝土均未出现开裂。

不同养护条件对混凝土长期收缩变形性能的影响

研究了在不同养护条件下对不同强度等级混凝土长期收缩变形性能的影响,并将收缩变形测试结果与典型收缩模型的计算结果进行比较。研究表明,在前14 d密封养护随后进行干燥养护条件下,C60混凝土前14 d的自收缩最大,14 d后C60混凝土的干燥收缩变形明显较小,并且与直接干燥养护的混凝土相比,混凝土的总收缩变形显著增大。在先密封养护至自收缩稳定后进行干燥养护条件下,自收缩稳定后混凝土仍会产生较明显的收缩变形,但与直接干燥养护的混凝土相比,混凝土的总收缩变形显著减小。当采用EN1992、fib MC2010、ACI 209—2R和B4几种收缩模型计算时,fib MC2010模型的计算值与实测结果拟合程度最好,EN1992模型和B4模型其次,最后是ACI 209—2R模型。但几种模型计算值与实测结果的总体吻合度均较好,可用于预测混凝土的长期变形性能。

单层衬砌喷射混凝土层间力学特性与界面抗渗性能研究

对比选取C25喷射混凝土与C30模筑混凝土作为混凝土基体层,制作混凝土基体层-混凝土喷射层的模拟单层衬砌组合试件,通过界面抗压强度、钻芯拉拔及恒压水渗试验及界面水化微观分析,系统地探究了单层衬砌混凝土层间的力学特性及渗透行为。试验结果表明:采用双层湿法喷射工艺成型的单层衬砌组合试件界面粘结区存在力学薄弱区或裂缝缺陷,整体力学强度低于混凝土喷射层;与素喷层体系相比,纤维喷射层体系表现出更高的界面粘结强度(大于1.2 MPa),并与养护龄期遵循良好的抛物线发展规律,这是因为垂直界面粘结区方向纤维分布较多,并通过重排、桥接等方式改善了界面粘结区及组合混凝土整体的抗弯韧性;模筑混凝土基体层后期水化产物中存在丰富的氢氧化钙物相,为混凝土喷射层前期水化物相钙矾石的生成提供了充足的反应物,改善了界面区水化结构的致密性。

海底隧道C50衬砌混凝土抗裂技术研究与应用

海底隧道衬砌结构混凝土强度等级要求高,通常不低于C50,施工难度大,与传统的隧道衬砌工程相比在混凝土性能方面存在较大差异。结合某海底隧道工程,为解决海底隧道高强衬砌结构混凝土开裂问题,基于开裂风险计算模型进行评估设计,以混凝土不开裂为前提,优化原材料及配合比设计,并结合一次性浇筑长度、入模温度、拆模养护等施工工艺措施,最终形成了海底隧道C50衬砌混凝土裂缝控制技术,可有效避免早期收缩开裂。

常泰长江大桥主航道桥主墩承台大体积混凝土抗裂技术研究

常泰长江大桥主航道桥为主跨1 208 m的公铁两用双塔钢桁梁斜拉桥,主墩承台尺寸为77 m(横桥向)×39.8 m(顺桥向)×8 m(厚),采用C40混凝土,单个承台混凝土超过2万方。为降低承台大体积混凝土开裂风险,提高其抗裂性能,采用具有水化热调控和补偿收缩的功能性材料,基于温度场和变形场协同调控试验,开展承台大体积混凝土抗裂技术研究。试验结果表明:水化热调控材料可有效降低水泥水化热及放热速率,调控混凝土温度历程,有利于减少大体积混凝土温度裂缝;复合膨胀材料可以调控混凝土变形历程,有利于减小混凝土收缩变形,抑制混凝土收缩开裂。根据研究结果,该桥主墩承台混凝土掺加0.2%的水化热调控材料和8%的复合膨胀材料(配比为50%CaO+50%MgO),施工过程中采取控制入模温度、设置冷却水管、加强保温与保湿养护等措施。主墩承台混凝土拆模后未见裂缝,说明基于温度场和变形场协同调控的混凝土抗裂技术应用效果较好。

普通硅酸盐P·O 42.5级水泥抗裂性控制指标研究及工程实践

以广泛使用的普通硅酸盐P·O 42.5级水泥为对象,针对部分工程监测出现的异常结果,反向收集了不同工程3年内的原材料及数据开展了室内试验研究与统计分析。结果表明,即便在控制P·O 42.5级水泥比表面积≤350 m2/kg、碱含量≤0.60%、C3A含量≤8%,且不同批次水泥的上述指标相对稳定的情况下,水泥3 d胶砂强度之差可达到12.5 MPa,相同工况条件下1.2 m厚侧墙温升值之差可达到17.1℃,水泥早期水化速率、放热量及早期胶砂强度随着C3S/C2S的增加而显著增大。因此,在控制水泥比表面积、碱含量、C3A含量的基础上,建议进一步控制水泥C3S/C2S不超过4.0,水泥3 d胶砂强度宜为25~28 MPa,不应超过30 MPa。

水泥基材料的塑性抗拉强度

为了研究水泥基材料塑性抗拉强度的增长规律,选取水泥浆体和粉煤灰浆体,对塑性阶段的毛细管负压、塑性收缩、饱和度及抗拉强度进行了试验研究,并基于固-液-气三相有效作用力对塑性抗拉强度和毛细管负压间关系进行了分析.结果表明:当毛细管负压小于70 kPa时,水泥基材料体系处于近似饱和的毛细管状;试验所选的2种浆体塑性抗拉强度增长规律基本一致,即在毛细管负压达到20 kPa左右前,塑性抗拉强度随毛细管负压的增加而显著增加,其后则趋于稳定;基于理想堆积体系中液相有效作用力计算出的抗拉强度明显大于试验测试结果.在考虑体系存在缺陷的基础上,推荐了塑性抗拉强度的增长规律方程.

隧道混凝土防水性能研究

从多孔介质渗流力学角度出发,研究了水在混凝土中的渗流规律,通过试验测定了混凝土的渗透系数和启动压力梯度,并结合非Darcy渗流理论分析了水在混凝土内渗透深度和时间的关系。结果表明,混凝土的渗透系数极低;水在渗透过程中存在一个平衡深度;隧道混凝土可以达到较高的抗渗等级,而抗渗等级法不适合评价高强混凝土。通过研究,提出抗收缩能力才应是防水混凝土的关键问题所在,并希望在今后的防水混凝土配合比设计中得到足够重视。

抗裂混凝土技术在船闸工程中的应用

混凝土裂缝是影响船闸工程质量的关键。本文通过试验研究了掺抗裂剂的抗裂混凝土力学性能、变形性能、耐久性能等性能,并进行了抗裂混凝土在船闸工程中的工程应用。研究表明:抗裂剂能显著提升混凝土的抗裂性能和体积稳定性,且对长期力学性能和耐久性能无不利影响,抗裂混凝土应用于船闸工程中,实体结构未出现裂缝,抗裂效果良好,可为相关工程提供参考借鉴。