渗透结晶掺合剂在硬X射线激光装置项目的研究应用

  渗透结晶掺合剂在硬X射线激光装置项目的研究应用  Summary：渗透结晶掺合剂由于具有密实混凝土内部结构和自愈修复的双重机理应用于提升混凝土抗水渗透性能和混凝土结构裂缝修复，本文通过研究渗透结晶掺合剂对混凝土拌合物性能、力学性能、抗水渗透性能的影响，实现渗透结晶掺合剂在硬X射线自由电子激光装置项目的工程应用。Keys：混凝土；渗透结晶；应用0引言混凝土作为一种生产工艺简单、原料丰富、强度高、性能多变的建筑材料，在建设工程中广泛应用。但混凝土也容易受到干缩、温差、结构变形等因素的影响出现各种类型的裂缝[1]，成为混凝土工程的质量隐患。此外由于混凝土水化的特性，在水化完成后，未参与反应的水分逐渐挥发，使混凝土内部形成一个具有诸多细小孔隙的结构[2]。而这些内部孔隙可以连结形成毛细孔道，易与裂缝发生协同效应，加快裂缝的扩展速度，从而影响混凝土的强度、渗透性、耐久性。随着混凝土技术的深入研究，丹麦学者H.H.Bache提出DSP（DensifiedSystemContainingUltra-fineParticles）超细颗粒致密体系理论，成为普通混凝土向超高性能混凝土发展的一大基础。基于致密体系理论，混凝土的性能与密实程度密切相关，混凝土的密实程度越高，其内部缺陷越少，抵抗外来有害物质的能力越强。渗透结晶掺合剂是一种可以持续改善混凝土内部结构的材料，其活性成分在混凝土内部长期存在，遇水激活后可反应产生不溶性结晶物填充混凝土内部孔隙，致密混凝土整体，强化混凝土抵抗渗透的性能，且在水中浸没的条件下具有较强的自愈能力[3]，可修复微小裂缝。本文结合硬X射线自由电子激光装置项目2号工作井C40P12内衬结构的工程应用，对掺有渗透结晶掺合剂的混凝土基本性能进行了探索，为相关工程应用提供参考依据。1工程概况硬X射线自由电子激光装置是“十三五”国家重大科技基础设施建设规划优先启动项目，项目包含5座工作井，基坑平均开挖深度40m，最深45m，地质条件复杂，受深层承压水影响，围护结构的地下连续墙与内衬的混凝土结构组成永久结构，内衬结构的防水设计以混凝土自防水为基础，采用耐久性混凝土。其中2号工作井设有低温工厂、实验测试大厅，为确保实验环境，内衬结构使用的混凝土强度等级为C40，抗渗等级P12，计划混凝土用量2500m³。2技术路线衬墙单次混凝土用量200m³～300m³，最大用量377m³，混凝土结构长度较大，容易受到相连的水平结构约束、混凝土材料特性以及外部环境温度等因素的影响，发生变形开裂影响混凝土抗水渗透性能。针对衬墙混凝土，配合比设计采用较低的水胶比，降低用水量，减少由于水分挥发留下的细小孔隙数量，有利于提升混凝土的抗渗性能。同时，为了避免低水胶比增加混凝土拌合物的黏性，采用矿粉与粉煤灰双掺的形式，并调整减水剂的组分，改善胶凝材料颗粒的分散性能。在遵循耐久性设计，优化配合比的基础上，使用渗透结晶型材料改善混凝土的内部结构，分别以不同掺量的渗透结晶掺合剂与基准组进行对比试验，研究混凝土的拌合物性能、力学性能、抗水渗透性能。掺合剂掺量结合推荐掺量与经济性确定。3原材料与试验方法3.1原材料3.1.1水泥选用上海金山南方水泥有限公司P.Ⅱ42.5， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 稠度27.6%，初凝193min，终凝229min，3d抗压强度31.8MPa，28d抗压强度53.3MPa，3d抗折强度5.7MPa，28d抗折强度8.6MPa。3.1.2粉煤灰选用上海杜云实业有限公司C类Ⅱ级灰，细度11.3%，需水量比99%，烧失量2.6%，含水率0.4%，游离氧化钙1.2%。3.1.3矿粉选用张家港恒昌新型建材有限公司S95级矿粉，比 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面积433m2/kg，流动度比103%，含水率0.5%，7d活性指数86%，28天活性指数102%。3.1.4细骨料选用芜湖县申海建材有限公司供应的Ⅱ区河砂，细度模数2.8，含泥量1.8%，泥块含量0.6%，表观密度2600kg/m3，氯离子含量0.006%。3.1.5粗骨料选用芜湖县申海建材有限公司供应的（5～25）mm连续级配碎石，含泥量0.8%，泥块含量0.4%，表观密度2640kg/m3，针、片状颗粒含量8%，压碎值指标9.1%。3.1.6外加剂选用上海建工材料工程有限公司SCG-SF803高性能减水剂，pH值5.8，密度1.1g/cm3，含固量23.4%，减水率26.2%。3.1.7渗透结晶掺合剂选用SP掺合剂，推荐掺量1.0%～2.0%。3.1.8水自来水。3.2试验方法混凝土配合比设计结合JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》、DG/TJ08-2128-2013《轨道交通及隧道工程混凝土结构耐久性设计施工技术规范》采用绝对体积法进行；混凝土拌合物性能检测按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；混凝土力学性能检测按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行；混凝土抗水渗透性能检测按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》采用渗水高度法进行。4试验4.1试验配合比根据技术路线的设计思路，水胶比0.39，矿粉与粉煤灰双掺比38%，并选择1.00%、1.25%、1.50%、1.75%作为SP掺合剂对比试验掺量，确定试验配合比如下表1所示：   表1试验配合比编号用水量水泥矿粉粉煤灰砂碎石外加剂SP(kg/m3)(kg/m3)(kg/m3)(kg/m3)(kg/m3)(kg/m3)(kg/m3)(kg/m3)P1168265857776210194.270P2168265857776210194.272.65P3168265857776210194.273.31P4168265857776210194.273.98P5168265857776210194.274.644.2拌合物性能对比试验分别以编号P1、P2、P3、P4、P5五个配合比拌制试样，测定拌合物坍落度和凝结时间。根据试验结果，将试验数据汇总如表2所示。表2不同掺量的混凝土坍落度和凝结时间编号SP坍落度初凝时间终凝时间掺量(%)(mm)(h:min)(h:min)P101908:4012:20P21.001959:5013:25P31.2520010:1513:35P41.5020010:3013:40P51.7519010:2013:55从表2可以看出，P1至P5不同掺量SP掺合剂的混凝土坍落度在190mm～200mm范围，无较大变化，而混凝土的凝结时间随掺量增加有所延长。掺量1.00%至1.75%，与基准组P1相比，初凝时间延长70min、95min、110min、100min，终凝时间延长65min、75min、80min、95min。4.3力学性能对比试验以编号P1、P2、P3、P4、P5五个配合比分别制备抗压试件，检测7天、14天、28天龄期的抗压强度。根据试验结果，将不同掺量SP掺合剂的混凝土各龄期抗压强度数据汇总，如表3所示，并绘制柱状图，见图1。表3不同掺量的混凝土各龄期抗压强度值编号SP掺量抗压强度(MPa)(%)7d14d28dP1027.939.248.0P21.0035.540.847.4P31.2540.143.150.3P41.5041.445.654.3P51.7542.244.355.2图1不同掺量的混凝土各龄期抗压强度变化结合表3和图1可以直观看出，混凝土7d强度随掺量增加有显著上升。与基准组P1相比较，掺量1.00%至1.75%，7d强度分别增加7.6MPa、12.2MPa、13.5MPa、14.3MPa，最大提升为1.75%的51%；14d强度分别增加1.6MPa、3.9MPa、6.4MPa、5.1MPa，最大提升为1.50%的16%；28d强度最大提升为1.75%的15%。根据7d、14d、28天的整体强度可以看出，SP掺合剂的可以提高混凝土的抗压强度，其中对7d强度的影响明显大于14d和28天强度。这是可能是因为掺合剂的结晶反应与混凝土早期水化形成协同效应，加快了混凝土早期的密实速率，从而使得混凝土7d抗压强度大幅提升。4.4抗水渗透性能对比试验分别以编号P1、P2、P3、P4、P5五个配合比拌制试样成型抗渗试件，采用渗水高度法研究基准配合比与不同掺量SP掺合剂的抗水渗透性能。相较于逐级加压法，渗水高度法更能直观表现不同配合比的抗水渗透性能差异。试验通过将28天龄期的抗渗试件在1.2MPa的水压下，稳压24h，然后将试件沿上下中心点的垂直面劈裂为两半，测量劈裂面的渗水高度，见图2。    (a)SP掺量1.0%             (b)SP掺量1.75%图2不同掺量的试件渗水高度根据试验结果，将不同掺量SP掺合剂的混凝土平均渗水高度数据汇总，如表4所示，并根据P2、P3、P4、P5与基准组P1的平均渗水高度差值绘制柱状图与趋势线，见图3。表4使用不同掺量SP掺合剂的混凝土平均渗水高度编号SP掺量(%)平均渗水高度(mm)P10104P21.0081P31.2568P41.5060P51.7558图3不同掺量与基准组P1的渗水高度差从表4可以看出，平均渗水高度随SP掺量的增加呈下降趋势。掺量在0至1.00%的区间，渗水高度下降23mm；掺量1.00%至1.25%区间，渗水高度下降13mm；掺量1.25%至1.50%区间，渗水高度下降8mm；掺量1.50%至1.75%区间，渗水高度下降2mm。从图3中可较直观看出，与不掺SP的基准组P1相比，渗水高度的降低量均有较大幅度提升，P2至P5的降低量随掺量增加从23mm提升至46mm，渗水高度降低22%至44%。根据趋势线分析，渗水高度的降低与SP掺量非线性相关。掺量0至1.50%，渗水高度的变化较大；掺量1.50%至1.75%，渗水高度虽有继续下降，但下降幅度较小。这可能与混凝土内部细小孔隙数量和渗透结晶反应物数量的动态比例密切相关。当渗透结晶掺合剂的掺量较小时，混凝土内部渗透结晶反应物较少，仍有较多孔隙无法填充，对混凝土抗水渗透性能的影响较小；当渗透结晶掺合剂掺量逐渐增加接近阈值（本次试验阈值在1.75%左右），渗透结晶反应产物填充大量孔隙，闭塞毛细孔道，从而增强混凝土抗水渗透性能。根据趋势线的走势，渗透结晶掺合剂掺量超过阈值后存在两种可能性。其一是抗渗性能基本维持原有水平，趋势线为水平线，保持平稳；其二是出现下降的趋势。由于结晶产物数量接近或大于孔隙数量后，在特定条件下继续结晶反应可能致使局部区域结晶产物总体积大于孔隙总体积，影响内部结构稳定，从而引起混凝土抗水渗透性能或其它性能的变化。5工程应用5.1生产配合比确定按照硬X射线激光装置项目2号井内衬结构混凝土自防水设计的原则，以抗水渗透性能作为混凝土质量的优先控制指标。根据试验结果，在1.50%和1.75%SP掺量下，混凝土的渗水高度可降低42%和44%，抗水渗透性能明显优于其它试验组。由于两者的抗水渗透性能相差2%，结合项目经济性分析，确定选择1.50%作为生产用SP掺量，以P4作为生产配合比。同时，1.50%掺量下的混凝土拌合物性能和力学性能可满足相关设计要求。5.2原材料控制生产的原材料与试验所用材料的技术指标相匹配，在完成进场验收后，实行专仓堆放，标识明确，并根据工程计划量完成提前储备。5.3掺合剂掺入方法在单盘搅拌量4m3搅拌材料较多的情况下，由于SP掺合剂为粉剂，在搅拌过程中直接投入会受到其他含水原材料的吸附导致无法搅拌均匀，从而影响混凝土的抗水渗透性能。因此，在生产过程中，将计算好用量的SP掺合剂与定量的水混合成较为稀薄的液体，并在搅拌过程投入后，延长搅拌时间60s，确保掺合剂与混凝土均匀混合。5.4生产控制生产前确认原材料质量，检测粗细骨料含水率，根据检测结果及时调整施工配合比。生产过程中增加对混凝土坍落度、和易性的检验频次，并安排技术专员对配料称量、混凝土搅拌、混凝土运输和现场浇筑等各个过程实行全过程跟踪（见图4、图5），强化内衬结构混凝土的生产过程质量控制。  图4内衬混凝土浇筑       图5现场坍落度检测5.5质量跟踪从2020年8月至2020年12月，共累计完成内衬结构混凝土浇筑2457m3。在此期间9月22日和10月18日分别完成346m3和377m3的浇筑，在拆模后出现裂缝3条，平均裂缝宽度0.5mm，其余12次浇筑在拆模后均未发现裂缝。从总体来看，出现裂缝的数量和长度均得到一定的控制，并根据5个月后的观察，3条裂缝处大部分渗漏面已经干燥。6结语本文结合硬X射线自由电子激光装置项目2号井内衬结构的工程应用，对使用SP掺合剂的混凝土拌合物性能、力学性能、抗水渗透性能进行对比试验研究，分析得出以下结论：（1）SP掺合剂会延长混凝土的凝结时间。试验表明SP掺合剂对混凝土的初凝时间与终凝时间均有所延长，随掺量增加，凝结时间增加量也基本上升，与基准组相比，1.50%掺量初凝时间增加110min，终凝时间增加80min。（2）SP掺合剂能提高混凝土的抗压强度。试验表明SP掺合剂对混凝土7d强度影响较大，与基准组相比，1.75%掺量下强度最大提升51%，14d和28d强度提升在15%左右。（3）SP掺合剂能提高混凝土的抗水渗透性能。试验表明随SP掺量增加，混凝土抗水渗透性能均有较大提升，与基准组相比，1.75%掺量下混凝土渗水高度最大下降44%。根据SP掺量与渗水高度下降量的关系趋势，SP掺量应存在阈值。（4）SP掺合剂（粉剂）不适合与含水材料直接搅拌。工程应用表明粉剂在搅拌过程中投入会受到吸附导致无法搅拌均匀，影响SP掺合剂发挥性能。掺合剂与水混合成液体后加入搅拌，并延长搅拌时间60s，可确保掺合剂在混凝土中的均匀性。Reference：[1]钟浩.地下工程混凝土裂缝的产生及治理技术的探讨[J].安徽建筑.2019(06):139-140.[2]张明，张鹏，张海宾.混凝土材料的孔结构[J].科技信息(科学教研).2007(36):139-140.[3]Roig-FloresM，PirritanoF， SernaP， FerraraL.Effectofcrystallineadmixturesontheself-healingcapabilityofearly-ageconcretestudiedbymeansofpermeabilityandcrackclosingtests[J].ConstructionandBuildingMaterials.2016(114):447-457. -全文完-