钙镁复合膨胀技术在交通工程的应用

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摘要：地下车站主体结构混凝土开裂渗漏是城市轨道交通工程建设的顽疾，尤其是侧墙结构。采用环境模拟箱研究了实际温度历程下CaO与MgO膨胀组分对混凝土早期变形性能的影响。结果表明：复合掺入4%CaO与4%活性（110±10）sMgO可使混凝土温升阶段膨胀变形较基准混凝土增大约82%，温降阶段收缩变形较基准混凝土减小约17%。基于钙镁复合膨胀技术制备低收缩、高抗裂混凝土并用于无锡地铁4号线某地下车站主体结构侧墙施工，显著降低了其收缩变形与开裂风险，实施效果良好。

关键词：城市轨道交通；收缩开裂；多元复合膨胀；温降收缩；混凝土

城市轨道交通是大中型城市公共客运交通网络的骨干，现已成为城市现代化的重要标志之一。但是，从江苏省乃至全国范围内已建和在建城市轨道交通工程调研结果来看，其地下车站主体结构容易在施工阶段就出现裂缝，由此带来严重的渗漏问题。治理渗漏水问题耗时长、难度大，且对结构的安全使用与服役寿命造成巨大威胁。如表1所示，对某城市轨道交通工程全线20余个地下车站的调研结果表明，渗漏主要为混凝土早期收缩开裂引起，侧墙是渗漏的重灾区[1-2]。为解决上述问题，工程参建各方从施工工艺及混凝土材料角度采取了一系列措施。前者包括钢筋配置优化、冷却水管布设、拆模时间延长、保温保湿养护等[3]，后者除了常规的降低混凝土胶凝材料总量与水泥用量以减小收缩外，在抗裂功能材料研究与应用方面取得了一些成果。这些抗裂功能材料包括氧化钙-硫铝酸钙类混凝土膨胀剂、水泥水化放热调控材料、减缩型聚羧酸减水剂等，可有效降低实体结构混凝土温升与温降收缩、自收缩，从而显著提高其抗裂性能[4-6]。但总结既有试验研究与工程实践成果可以发现，夏季高温季节（日均气温＞23℃）施工时，因城市轨道交通工程普遍采用商品混凝土，缺乏如加冰屑拌合等有效的降温措施，混凝土入模温度往往超过30℃，无锡地区7~8月份时甚至可以逼近40℃，而此前通常采用的钙矾石与氧化钙类膨胀剂存在水化反应快，温度敏感性强等缺点[7]，容易在夏季工况下结构混凝土剧烈的温升过程中快速消耗，从而使得补偿温降阶段收缩及提高混凝土抗裂性的效果大打折扣。针对上述问题，本研究将具有延迟性膨胀特性的轻烧氧化镁膨胀熟料[8-10]与氧化钙膨胀熟料复合，测试二者在模拟实际温度历程下的补偿收缩效果，并成功应用于无锡地铁某地下车站主体结构，为类似工程高温季节施工期裂缝控制提供了一条新的思路。

1钙镁复合膨胀补偿收缩技术作用效果试验研究

利用膨胀组分在水化过程中产生体积膨胀来补偿水泥基材料的收缩变形，是抑制其早期开裂的有效措施之一。不同种类膨胀剂水化膨胀特性不同，工程实践中应根据实体结构混凝土水化、温度与变形情况进行针对性的设计与调控，以使膨胀剂的膨胀效能与之匹配，有效降低混凝土的收缩拉应力与开裂风险。1.1试验原材料与混凝土配合比。陆安群等[11]的研究表明，生料煅烧制度对MgO膨胀剂的晶体结构和膨胀性能具有显著影响，LIHua等[12]进一步研究了不同活性MgO对一定温度历程下混凝土收缩变形的补偿效果。结合上述研究成果，本工程采用有效成分含量＞90%、950℃菱镁矿煅烧、活性（110±10）s的MgO作为中后期膨胀组分。水泥：常州盘固P•O42.5水泥，表观密度3.09g/cm3，主要性能见表2；粉煤灰：苏州顺达F类Ⅱ级粉煤灰，主要性能见表3；砂：河砂，细度模数2.70；石：5~20mm连续级配石灰石碎石；减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司产PCA-I聚羧酸高性能减水剂，减水率约22%；膨胀剂：江苏苏博特新材料股份有限公司提供，将CaO膨胀剂（有效成分含量＞85%、1250℃生料煅烧）与上述MgO膨胀剂按不同比例复合。地下车站主体结构侧墙混凝土的配合比如表4所示，在基准配合比的基础上，掺加占胶凝材料总质量8%的膨胀剂，并调整其中CaO与MgO膨胀组分比例，分别为8%CaO、6%CaO+2%MgO、4%CaO+4%MgO、2%CaO+6%MgO和8%MgO，测试混凝土在变温条件下的体积变形。1.2试验仪器与方案。采用江苏苏博特新材料股份有限公司产SBT-CDM（Ⅰ）型混凝土温度-应变无线监测系统采集混凝土自浇筑成型后的温度与应变历程；将符合GB/T3408.1—2008《大坝监测仪器应变计第1部分：差动电阻式应变计》要求的混凝土应变计预埋入混凝土试件，连续监测体积变形；环境模拟试验箱，可调节箱内环境温度，进而影响混凝土试件温度，模拟实体结构混凝土温度历程；Φ120mm×400mm圆柱体PVC管，用作混凝土浇筑与体积变形测试的模具。图1是夏季施工时，0.7m厚地铁车站侧墙结构混凝土中心温度历程典型监测结果。由图1可见，混凝土入模温度36℃，浇筑后约1.1d时达到温峰，温升约32℃；随后开始温降阶段，至8d时基本降至气温，平均降温速率超过5.5℃/d。1.3试验结果与分析。基于上述温度历程，研究掺不同组成比例CaO与MgO膨胀组分混凝土试件的体积变形，结果如图2、图3所示。由图2、图3可见，温升阶段混凝土试件体积均表现为膨胀，基准、8%CaO、6%CaO+2%MgO、4%CaO+4%MgO、2%CaO+6%MgO和8%MgO各组的膨胀峰值分别约284με、589με、574με、516με、438με和355με，可知CaO水化反应速率快、膨胀能大，其掺量越多，温升阶段混凝土膨胀越大；温降阶段各组混凝土试件均开始收缩直至温降结束，这一阶段的上述各组试件最大收缩变形分别约-347με、-358με、-347με、-289με、-280με和-255με，可见MgO具有延迟膨胀特性，其掺量越多，温降阶段混凝土收缩越小，但MgO掺量超过4%后，补偿收缩效果增加不明显，且试验中发现，MgO掺量较高会导致混凝土强度出现明显下降。因此，综合考虑变形与强度，复合掺入4%CaO+4%（110±10）s活性MgO可使混凝土温升阶段膨胀变形较基准混凝土增大约82%，温降阶段收缩变形较基准混凝土减小约17%，效果最佳。

2低收缩、高抗裂混凝土配合比设计及其主要性能

采用上述钙镁复合膨胀技术设计低收缩、高抗裂地下车站主体结构侧墙混凝土配合比，各原材料种类及其用量如表4中补偿收缩组所示，其中膨胀剂中CaO与MgO的质量比为1∶1。设计要求混凝土坍落度为（180±20）mm、28d抗压强度≥35.0MPa，28d碳化深度≤5.0mm、56d电通量≤2000C。混凝土的工作性能参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；抗压强度参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；20℃自生体积变形（以混凝土终凝为测试零点）参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的非接触法进行测试；耐久性参照GB/T50082—2009进行测试，结果如表5所示。由表5可见，制备的低收缩、高抗裂混凝土满足设计与施工要求，采用钙镁复合膨胀技术，混凝土20℃时的自生体积变形在56d龄期内始终为正值。

3工程应用与监测

无锡地铁4号线某车站主体结构采用研制的低收缩、高抗裂混凝土进行浇筑，监测了0.7m厚侧墙混凝土中心温度、应变历程，并与同期采用基准混凝土浇筑的相同结构监测结果进行对比分析，结果如图4、图5所示。由图4、图5可见，入模温度相近约36℃的情况下，采用低收缩、高抗裂混凝土与基准混凝土浇筑的侧墙结构温度历程近似，温峰均为68℃左右，且温峰之后约1.5d时，二者拆模后采取厚毛毡覆盖保温的措施均显著减小了混凝土温降速率，有利于其徐变性能发挥与抗裂性能的提高。分析侧墙结构应变监测结果可知，在相近的温度历程下，相较于基准混凝土，采用低收缩、高抗裂混凝土浇筑时，侧墙结构温升阶段膨胀变形增大了约1.3倍，在变形受到较强外约束（如下部先浇筑底板）的情况下可有效储备膨胀预压应力；更为重要的是，侧墙结构温降阶段收缩变形大幅减小，16d龄期时降低率约35%，此时混凝土强度与弹性模量较高，因此显著降低了收缩引起的拉应力与开裂风险，提高了结构混凝土的抗裂性能。拆模后对于侧墙混凝土裂缝的观测、统计情况也证实了上述监测结果，在分段长度16~25m的情况下，夏季高温季节采用低收缩、高抗裂混凝土浇筑的区段，施工期收缩裂缝数量较同期采用基准混凝土的平均降低率超过90%，可以做到少裂甚至部分区段不裂，实施效果得到工程参建各方的认可。

4结论

（1）利用环境模拟箱试验研究了实际变温温度历程下，不同比例CaO与MgO膨胀组分复合掺入对城市轨道交通工程地下车站主体结构混凝土早期变形影响。试验结果表明，CaO水化反应快、膨胀能大，用量越高，混凝土温升阶段膨胀越大；MgO具有延迟膨胀特性，用量越高，混凝土温降阶段收缩越小。综合考虑变形与强度，复合掺入4%CaO+4%（110±10）s活性MgO可使混凝土温升阶段膨胀变形较基准混凝土增大约82%，温降阶段收缩变形较基准混凝土减小约17%，效果最佳。（2）采用钙镁复合膨胀技术设计了低收缩、高抗裂城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙混凝土配合比，其工作性能、力学性能与耐久性能均满足设计与施工要求。增加测试的混凝土56d龄期内的自生体积变形始终为正值，显著提高了混凝土的抗裂性能。（3）将低收缩、高抗裂混凝土用于浇筑无锡地铁4号线某地下车站主体侧墙结构，并与基准混凝土的实施效果进行对比监测。结果表明，采用该低收缩、高抗裂混凝土后，在相近的温度历程下，侧墙结构温升阶段膨胀变形增大了约1.3倍，温降阶段收缩变形降低约35%，显著降低了高弹模时收缩引起的拉应力与开裂风险，提高了结构混凝土的抗裂性能。拆模后对于侧墙混凝土裂缝的观测结果证实了这一点，可为后续同类工程实施提供了重要借鉴与参考。

作者:陈松洁 单位:无锡地铁集团有限公司建设分公司