［摘要］上海交大海洋深水试验池大体积混凝土采用矿物掺合料活性激发剂 ( 宏士粉 , M) 改善了其各项性能。工程应用结果表明，这项技术有助于避免大体积混凝土的开裂和渗漏。本文对掺宏士粉混凝土的力学性能、收缩率、绝热温升和电通量性能等进行了试验研究，并对同时掺加复合掺合料 SF 和宏士粉 M 混凝土的抗裂机理进行了探索。
上海交大海洋深水试验池为国家重点试验项目，是国内海洋界填补海洋试验空白的首个工程。该水池将建成一个功能齐全，设施先进，运转高效，具有国际先进水平的工程试验平台。鉴于水池的工作特性，要求水池主体结构不能因混凝土性能不良出现任何裂缝而导致渗漏问题。深水试验池的尺寸如图 1 所示，其厚度呈梯形变化，分别为1.0m，1.4m和2.4m。水池平面内净尺寸为40m×50m，池深10m。池底底板尺寸为90m×85m，侧墙尺寸为12.45m×90m，底板标高为-4m。底板混凝土浇筑量约9000m3 。底板混凝土强度等级要求C35P8，侧墙混凝土强度等级要求C30P10。设计要求该混凝土工程不得产生任何裂缝，以满足今后正常的极限使用状态，即不裂、不渗。工程确定采用一次性连续浇筑方式施工，对混凝土材料和施工质量保证提出了很大的挑战。
由于该工程底板和侧板均为大体积混凝土，且面积超大，加之混凝土浇筑时间选定在7月，日平均气温约为32℃，质量保证难度更大。其底板将受到地基约束力，而侧墙将受到来自底板的约束，均有开裂的风险。底板的一次性连续浇筑方式施工使得设计无法采用留置施工缝或后浇带等方法来降低开裂风险，而只能依靠混凝土自身的抗裂性和良好的养护实现无裂缝的目标。为降低混凝土温度开裂的可能性，设计采用大掺量掺合料混凝土，而为保证大掺量掺合料混凝土的强度发展，满足正常施工进度要求，考虑掺加一种矿物掺合料活性激发剂( 宏士粉 )。本文主要介绍该特殊混凝土的各项性能及应用效果。
1 试验原材料
（1）水泥(C)，P.O42.5，上海水泥厂生产；
（2）宏士粉(M)，矿物掺合料活性激发剂，上海宏贤新型建材有限公司生产；
（3）复合矿物掺合料(SF)，化学成分见表1；
表1 SF 掺合料的细度和化学组成
| 比表面积(m2/kg) | 化学组成 (%) |
| 烧失量 | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 |
| 352 | 3.63 | 52.03 | 3.65 | 29.09 | 6.09 | 1.85 | 0.70 |
（4）聚羧酸LEX-9P高性能减水剂；
（5）细集料，河砂，细度模数2.6；
（6）粗集料，5～25mm 连续级配；
（7）拌合水，饮用自来水。
图1 混凝土底板尺寸示意图
2 混凝土的性能
本文所选用的宏士粉是上海宏贤新型建材有限公司在2002年研制出的高性能混凝土用矿物掺合料活性激发剂，通过了国家建设部和上海市建委组织的科研成果鉴定及产品鉴定。该产品能有效地改善混凝土的力学性能，减小混凝土的收缩率，降低水化热，提高耐久性。
由于裂缝的主要成因除由静荷载、动荷载和其他荷载组成的第一类荷载外，主要为变形荷载（第二类荷载），即由温差、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝[1]。其中，温差和收缩在抗裂计算中均换算为当量应力，用以描述对开裂风险和裂缝间距的评估。
从抗裂性设计的角度，对混凝土的配合比主要参数进行了大量试验，确定如表2所列的参数，其中复合矿物掺合料SF的掺量为SF质量占胶凝材料总质量的百分比。掺宏士粉的混凝土中，宏士粉等量替代10%复合矿物掺合料。通过试验对比了掺与不掺宏士粉的混凝土的性能。
表2 大体积混凝土配合比设计参数
| 水胶比 | 胶凝材料用量(kg/m3) | 复合矿物掺合料掺量(%) |
| 0.45 | 400 | 50 |
2.1 力学性能
掺与不掺宏士粉的混凝土的强度和弹性模量测试结果见表3。
可见，大掺量掺合料混凝土的强度发展较慢，其3d，7d，14d抗压强度只相当于28d抗压强度的38.8%，65.6%和86.9%，而普通混凝土 (不掺加任何掺合料的混凝土)，其3d，7d，14d抗压强度可达到28d抗压强度的45%～55%，70%～85%和85%～95%。在大掺量掺合料混凝土中掺加一定量宏士粉则可改善混凝土的强度发展速率，由表3可见，与不掺者相比，掺宏士粉可使混凝土抗压强度3d 提高14.2%，7d提高9.6%，14d、28d强度仍略有提高。另外，掺宏士粉的混凝土，其28d劈拉强度和弹性模量都比不掺者略有提高。
表3 混凝土的力学性能测定结果
| 掺合料 | 抗压(MPa) | 劈拉(MPa) | 弹模(×104MPa) |
| 3d | 7d | 14d | 28d | 3d | 7d | 14d | 28d | 7d | 14d | 28d |
| SF | 14.8 | 25.0 | 33.4 | 38.1 | 1.7 | 2.8 | 2.9 | 2.6 | 5.55 | 3.54 | 3.93 |
| SF+M | 16.9 | 27.4 | 33.5 | 40.1 | 1.6 | 3.0 | 3.5 | 2.8 | 5.11 | 4.94 | 4.08 |
2.2 收缩率
测定了同时掺加SF和M的混凝土的收缩率，并与普通混凝土相比较，见表4。
表4 掺加MSF的混凝土与普通混凝土收缩值比较
| 种类 | 收缩率（×10-6） |
| 7d | 10d | 14d | 28d |
| 同时掺SF和M的混凝土 | 163 | - | 217 | 291 |
| 普通混凝土 | - | 260 | 360 | 519 |
可见，掺SF和M的混凝土其各时段的收缩率明显低于普通混凝土，28d时的收缩率只相当于普通混凝土的56%。对于水胶比较大（大于0.42）的混凝土，收缩率的减小可以很大程度地降低混凝土干缩开裂的可能性。
2.3 绝热温升
对掺加SF和M的混凝土进行了绝热温升测试，结果如图2。
由图2 可见，测试至第8d时，混凝土绝热温升曲线趋于平稳，此时的最高温升为45.5℃。远低于我公司以往为宁波常洪隧道配制的管节混凝土（C35P10）的53.4℃的最高绝热温升[2] ，亦远低于纯水泥混凝土的绝热温升曲线。
图2 试验室测得的混凝土绝热温升曲线
实际浇筑底板混凝土时，在底板的不同位置分别布置了测温感应仪。图3和图4为分别在1.0m和1.4m厚底板上设置测温点测得的温度曲线。每个测温点处分别将测温仪埋置在底板的上、中、下三处。
图3 1.4m 厚度底板上的测温曲线
图4 1.0m 厚度底板上的处测温曲线
由图3可见，1.4m厚度底板上的中间点，最高温度出现在混凝土浇筑后 44h。此时，大气温度为30℃，底板中心温度为86.9℃，温差为56.9℃，比实验室测得的混凝土绝热温升略高。此温差为所有测温点中的最大温差值。1.0m厚度底板上的中间点，最高温度出现在混凝土浇筑后43.5h。此时，大气温度为30℃，底板中心温度为64.3℃，温升为34.3℃，比实验室测得的混凝土绝热温升低。此温差为所有测温点中最小的温差值。
因此，实际测温的结果与试验室混凝土绝热温升的测试结果基本符合。
2.4 电通量
电通量可间接表征混凝土的抗氯离子渗透性。按照美国ASTMC1202 混凝土电通量测试标准，测定了混凝土的电通量，结果为1227C。而普通混凝土的电通量为2000C～4000C，说明本文采用掺加复合掺合料和宏士粉的措施大大降低了混凝土的电通量，提高了混凝土的耐久性。
2.5 抗裂性
采用砂浆抗裂环法测定了混凝土的抗裂性（图5）。由图5可见，与单掺复合掺合料SF的混凝土相比，同时掺加SF和宏士粉 M 的混凝土，其出现裂缝时间尽管基本相同，但裂缝宽度和裂缝宽度发展速率均比单掺SF的混凝土要小。
图5 砂浆抗裂环测定结果
3 宏士粉改善混凝土性能的机理
为了探索宏士粉在大掺量掺合料混凝土硬化过程中，对混凝土微观结构产生的影响，测定了掺与不掺宏士粉的砂浆在不同龄期时的孔径分布，见图6～图10。图中，SF表示只掺50%掺合料 SF 的砂浆，MASAC-2 表示同时掺加掺合料SF和宏士粉M的砂浆。
图 6 3d 龄期时孔径分布
图7 7 d 龄期时的孔径分布
图8 14d 龄期时的孔径分布
图 9 28d 龄期时的孔径分布
图10 45d 龄期时的孔径分布
根据毛细管张力学说的拉普拉斯方程，半径在50nm以下的毛细孔失水会产生较大的毛细孔张力，而半径在25nm以下的毛细孔张力（＞5.5MPa）明显超过砂浆和混凝土的抗拉强度。据此，半径为25nm以下的孔对强度、渗透性和干缩都有影响，而半径在25nm以上的孔则主要影响强度和渗透性。以 25nm孔径为界，分析不同龄期时砂浆的孔结构，见表5。
表5 不同龄期时半径小于 25nm 的孔的体积百分数
| 砂浆 | 半径小于 25nm 的孔的体积百分数 (%) |
| 3d | 7d | 14d | 28d | 45d |
| SF | 54.6 | 65.4 | 74.1 | 76.5 | 72.9 |
| MASAC-2 | 48.6 | 65.7 | 65.3 | 78.8 | 75.9 |
由表5可见，同时掺有SF和M的砂浆，其14d龄期前，小于25nm的孔的体积百分数基本上小于单掺SF的，而当龄期在28d～45d期间，同时掺有SF和M的砂浆，其半径为25nm以下的孔体积则高于单掺SF的。由此可以初步推断，同时掺有SF和M的混凝土，其早期内部失水引起的毛细孔张力小于单独掺加SF的，而其强度发展速率则高于后者，表明这种混凝土抗裂性更好。
4 工程应用效果
从以上试验结果可见，同时掺有SF和M的混凝土不仅绝热温升低于普通混凝土，强度发展速率高于单掺SF的混凝土，而且早期干缩小，干燥失水引起的毛细孔张力也较小，所以用其浇筑大体积混凝土工程，开裂的可能性较小。
上海交大海洋深水试验池底板混凝土工程于2007年7月施工，由于混凝土的配制采用大掺量活性掺合料技术，有效降低了混凝土浇筑体内部的温升速率和内外温差，有效控制了混凝土结构的温度应力；同时，由于掺加了宏士粉M，使混凝土早期强度发展速率有一定程度的提高；更由于混凝土内部孔结构的改善，使混凝土早期内部失水引起的毛细孔张力降低，进一步改善了混凝土的抗裂性能；最后，由于对该重点工程的养护和保温措施到位，该工程完工一年来，未发现裂缝和出现渗漏现象。
参考文献
[1] 王铁梦．工程结构裂缝控制 [M]．北京：中国建筑工业出版社（第 12 版），2004
[2] 林政，何冬明，乔芝强．宁波常洪隧道沉管管段高性能混凝土的配制与施工 [A]．高强与高性能混凝土及其应用第四届学术讨论会论文集 [C]．中国土木工程学会，长沙，2001
