抗裂混凝土技术在船闸工程中的应用

嵇旭红，潘利，王育江，姚婷

（1.常州市港航事业发展中心，江苏 常州，213000；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；3.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103）

近年来随着我国交通水运工程的高速发展，在建的船闸数量不断增加。大体积混凝土是船闸工程中一种重要的结构形式，广泛应用于闸首、闸室等主体部位。由于船闸结构形式复杂、截面尺寸多变、混凝土配筋率低等特点，大体积混凝土内部水化温升、温度应力、应力集中现象较为突出，已建成的船闸中大体积混凝土开裂问题较为普遍[1～4]。裂缝的产生，对混凝土防渗、抗冻、耐久性均有较大影响，严重时甚至影响工程服役寿命和运行安全性。

针对船闸大体积混凝土易开裂的问题，相关学者已进行了大量研究工作。何广全[5]从设计预防、原材料优化和施工方法优化方面研究了船闸混凝土裂缝预防措施；覃茜等[6]通过有限元法研究了表面保温、通水冷却等温控措施对船闸闸首混凝土温度场和应力场的影响，并通过采取相应的温控措施来降低结构开裂风险；李华等[7]通过理论计算与现场应用研究表明，掺氧化镁膨胀剂可显著提升船闸施工期混凝土抗裂性的影响。尽管目前采取的防裂措施取得了一定的效果，但仍难以避免裂缝产生，船闸大体积混凝土开裂问题依然突出。针对这一问题，本文从抗裂功能材料、混凝土配合比、工程应用及现场监测等方面研究了船闸大体积混凝土抗裂性提升技术，为类似工程提供参考。

1 原材料与配合比

试验所用原材料包括：①水泥：P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，比表面积为315m2/kg，28d 抗压强度为45.7MPa；②粉煤灰：F 类II 级粉煤灰，比表面积为460 m2/kg，需水量比为98%；③砂：天然河砂，细度模数为2.6；④碎石：5～16mm、16～31.5mm、20～40mm 三级配碎石；⑤减水剂：聚羧酸减水剂，减水率为23.8%；⑥抗裂剂：HME-V 温控膨胀抗裂剂，比表面积为255m2/kg；⑦水：生活用水。

根据材料特性及工程需求，为研究船闸闸首廊道、闸室墙等部位大体积混凝土抗裂性，开展了混凝土相关性能试验，配合比如表1 所示，相比于基准组，试验组中掺加25kg/m3抗裂剂等量取代基准配合比中的水泥，其他参数均相同。

表1 混凝土试验配合比（kg/m3）

2 混凝土性能试验

2.1 力学性能

为研究基准和抗裂混凝土的力学性能，进行了混凝土抗压强度和劈拉强度试验，试验方法参照SL352-2020《水工混凝土试验规程》进行，测试龄期为7d、14d、28d，试验结果如图1 所示。由试验结果可知，抗裂组混凝土7d、14d 强度比基准组低，7d、14d 抗压强度分别低20.6%、9.3%，7d、14d 劈拉强度分别低13.1%、7.5%，28d 抗裂组抗压强度和劈拉强度与基准组基本相同。由此说明，混凝土中掺入抗裂剂后，早期强度有所较低，但不影响后期强度，主要原因是抗裂剂具有延缓水泥水化的作用，早期水化较慢，有利于避免放热集中，后期持续均匀水化，从而不影响混凝土力学性能。

图1 抗裂混凝土力学性能

2.2 变形性能

自生体积变形可以表征混凝土早龄期自收缩发展趋势，是评价混凝土抗裂性能的关键指标之一，控制混凝土自收缩的能够降低实体结构产生的收缩裂缝的风险[8]。对表1 中两组配合比进行了自生体积变形试验，结果如图2 所示，图中变形值为正值表示膨胀变形，负值表示收缩变形。由试验结果可知，基准组自生体积变形始终为收缩，28d 变形值为-133.2；抗裂组则始终表现为膨胀变形，7d 变形值为92.4、28d 变形值为111.6，28d 后变形逐渐趋于平缓。试验结果表明，抗裂混凝土早期产生足够的膨胀来抵抗水泥混凝土产生的自收缩变形，抗裂剂具有良好的补偿收缩作用，可减小结构混凝土收缩开裂风险，提升混凝土抗裂性能。

图2 抗裂混凝土自生体积变形

2.3 耐久性能

为研究基准与抗裂混凝土耐久性能，对表1 中配合比进行了混凝土抗渗性和抗冻性试验。抗渗性采用抗渗等级（逐级加压）测试法，抗冻性采用快速冻融试验方法确定混凝土抗冻等级，试验参照SL352-2006《水工混凝土试验规程》及GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。经过抗水渗透试验后，基准组和抗裂组混凝土抗渗等级均在W6 以上，可满足抗渗性设计要求；经过100 次冻融循环后，基准组和抗裂组混凝土试件质量损失率分别为1.82%、1.67%，相对动弹性模量分别为91.5%、92.3%，达到抗冻等级F100。试验结果表明，抗裂混凝土耐久性良好，可满足设计要求。

3 工程应用

为验证抗裂混凝土在船闸工程中的应用效果，在江苏某船闸闸室墙部位开展了工程应用。闸室墙高度上分两次浇筑，第一次浇筑倒角和部分墙身，第二次浇筑剩余部分墙体，一次性浇筑长度为20m，混凝土等级为C25，施工配合比选用表1 中抗裂组配合比。在混凝土浇筑前，对于易开裂的闸室墙倒角部位进行了温度和变形传感器的布置，自混凝土浇筑起对其内部温度和变形进行实时监测，以验证应用效果。监测内容包括：闸室墙倒角中心长度方向和厚度方向变形、中心温度、表面温度、环境温度，实体结构监测结果如图3 所示。由监测结果可知，闸室墙倒角中心最高温度为67.5℃，最大温升值约为40℃，侧表面最高温度为53.2℃，降温阶段中心温度变化较为均匀，侧表面受环境影响呈波动性下降趋势；对于变形结果，中心长度方向和厚度方向最大变形分别为493.3、776.4，在温升阶段产生了明显的膨胀，随后降温阶段产生一定的收缩，降温阶段收缩变形速率明显小于升温阶段膨胀变形速率，且变形监测曲线平滑、无明显突变点，说明未监测到混凝土开裂。从现场情况开，混凝土浇筑3 个月后未发现裂缝，抗裂效果良好。

图3 闸室墙混凝土温度变形监测结果

4 结论

（1）室内试验研究表明，掺入抗裂剂制备的抗裂混凝土，早期力学性能有所降低，后期力学性能基本无影响，混凝土自生体积变形为膨胀变形，具有较好的体积稳定性，有利于混凝土抗裂性能提升，且抗裂剂对混凝土耐久性能无不利影响。

（2）工程应用表明，抗裂混凝土在船闸闸室墙结构中表现出良好的抗裂性能，在实体结构中温升阶段产生明显膨胀变形、温降阶段具有补偿收缩作用，变形监测曲线平滑，混凝土浇筑3 个月后无裂缝，抗裂效果良好，可为类似工程提供参考。