MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑在建筑工程中的應(yīng)用研究

李軍委，熊銳，楊宇成，狄彤棟，李雙捷

（中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

混凝土由于其原材料多且各自具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在其結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫等原始性缺陷[1]，從而影響混凝土的使用功能?；炷亮芽p主要是由于其收縮變形導(dǎo)致，因此，解決混凝土的收縮變形是控制混凝土裂縫最有效的手段之一。為解決混凝土收縮變形，提高其抗裂防滲的能力，部分學(xué)者建議采用膨脹劑來(lái)補(bǔ)償混凝土的收縮變形以達(dá)到減少裂縫的目的[1，2-4]。膨脹劑利用自身的膨脹特性使混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生體積膨脹，抵消溫降過(guò)程中的體積收縮，從而提高混凝土的防滲防裂能力。但在較高溫度下，傳統(tǒng)膨脹劑水化速率快，難以與混凝土的強(qiáng)度發(fā)展及收縮過(guò)程匹配，很難補(bǔ)償混凝土后期的收縮與變形。大量研究發(fā)現(xiàn)[5-10]，相比于傳統(tǒng)膨脹劑，氧化鎂類膨脹劑具有水化需水量少、膨脹過(guò)程可調(diào)控、水化產(chǎn)物穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償混凝土溫度收縮及干燥收縮，達(dá)到防止混凝土開裂的問(wèn)題。

為了提高混凝土的抗裂及抗?jié)B能力，杭政儲(chǔ)出[2020]19地塊在基礎(chǔ)施工過(guò)程中，選用MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行施工，并對(duì)成型后的混凝土進(jìn)行裂縫排查及數(shù)據(jù)分析。

1 MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑性能與原理

1.1 基本性能

MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑是以輕燒MgO 為主要膨脹源的復(fù)合材料。目前，MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑共分為MAC-R 型與MAC-S 型2 種，MAC-R 型抗裂劑中輕燒氧化鎂活性較高，常溫條件下膨脹速率相對(duì)較高，適用于春、秋和冬季。MAC-S 型鎂質(zhì)抗裂劑中輕燒氧化鎂活性相對(duì)較低，主要適用于夏季較高環(huán)境溫度條件下施工具有抗裂要求的混凝土和大體積混凝土結(jié)構(gòu)[10]。

MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑具有獨(dú)特的可調(diào)控性，延遲性微膨脹性能，能夠補(bǔ)償混凝土的化學(xué)收縮、干燥收縮和溫度收縮，使膨脹發(fā)揮時(shí)間與混凝土收縮速率相匹配，從而有效防止混凝土開裂滲水，提高混凝土的耐久性。MAC 鎂質(zhì)抗裂劑用于建筑施工中可對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)防水施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，在確保工程質(zhì)量和使用功能的前提下，最大化節(jié)約工程材料，節(jié)省工期，實(shí)現(xiàn)良好的整體結(jié)構(gòu)自防水效果。

1.2 膨脹機(jī)理

菱鎂礦經(jīng)過(guò)適當(dāng)溫度的煅燒、粉磨制備而成的MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑[見式（1）]，其中含有的MgO 水化生成Mg（OH）2晶體[見式（2）]，并在局部區(qū)域生長(zhǎng)發(fā)育，使硬化漿體產(chǎn)生膨脹，固相體積增加118%。膨脹能主要來(lái)自Mg（OH）2晶體吸水腫脹力和結(jié)晶生長(zhǎng)壓力，早期膨脹的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自于腫脹力，后期則主要來(lái)自于結(jié)晶的生長(zhǎng)壓力。

MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑制作與水化反應(yīng)式為：

MAC 鎂質(zhì)抗裂劑與傳統(tǒng)膨脹劑在60 ℃水養(yǎng)條件下的水化速率如圖1 所示。

圖1 MAC 鎂質(zhì)抗裂劑與傳統(tǒng)膨脹劑在60 ℃水養(yǎng)條件下的水化速率

從圖1 可知，MAC 鎂質(zhì)抗裂劑（R、M、S）在60 ℃水養(yǎng)條件下水化速率比傳統(tǒng)膨脹劑（KB、GX）要慢，膨脹持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可有效補(bǔ)償收縮。

1.3 補(bǔ)償收縮機(jī)理

MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑的補(bǔ)償收縮機(jī)理主要是：在混凝土中摻入具有延遲膨脹特性的氧化鎂膨脹劑，利用MgO 水化所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，使混凝土產(chǎn)生自身體積膨脹，且膨脹速率與混凝土收縮的速率相匹配，抵消其溫降過(guò)程的體積收縮（見圖2）。也就是利用混凝土的限制膨脹補(bǔ)償混凝土的限制收縮，從而解決混凝土的開裂及滲漏問(wèn)題。

圖2 MAC 鎂質(zhì)抗裂劑補(bǔ)償收縮機(jī)理

2 施工應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

杭政儲(chǔ)出[2020]19 號(hào)地塊商品住宅（設(shè)配套公建）項(xiàng)目位于杭州市拱墅區(qū)，總建筑面積10.1 萬(wàn)m2，其中地下建筑2.7萬(wàn)m2，地下建筑7.4 萬(wàn)m2，共10 棟高層住宅，地下1 層，地上18 層。地下室筏板厚度為700 mm，防水設(shè)計(jì)為膨潤(rùn)土防水毯（膨潤(rùn)土含量≥5.5 kg/m3），施工過(guò)程中易造成防水毯破壞，防水效果較差，且單價(jià)較高，屬于項(xiàng)目虧損項(xiàng)。

2.2 混凝土配制

2.2.1 原材料

水泥：P·O42.5，天山股份有限公司，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，細(xì)度（45 μm 方孔篩篩余）≤18%，需水量比≥100%；礦粉：S95 級(jí)磨細(xì)礦渣粉，細(xì)度（45 μm 方孔篩篩余）≤18%，需水量比≥100%；粗骨料：粒型較好的碎石，最大公稱粒徑≤38 mm，連續(xù)級(jí)配5～25 mm，含泥量0.8%；細(xì)骨料：顆粒堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、耐風(fēng)化的天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，含泥量為2.0%；減水劑：ZWL-A-V 減水劑，減水率≥25%，浙江五龍股份有限公司；抗裂劑：MAC-S 鎂質(zhì)高性能抗裂劑；拌合水：自來(lái)水。

2.2.2 配合比

為保證施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土的工作性能，混凝土試驗(yàn)室根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及T/CECS 540—2018《混凝土用鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)多次抗裂混凝土關(guān)鍵性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)場(chǎng)施工混凝土的配合比，見表1。

2.3 施工

2.3.1 人員配置

為保證本工程混凝土澆筑質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)提高抗裂混凝土降低裂縫開展，提高抗?jié)B性的目的，本工程通過(guò)組織項(xiàng)目管理人員組成質(zhì)量控制小組。編制抗裂混凝土專項(xiàng)施工方案及按照方案實(shí)施，埋設(shè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，原材料的檢驗(yàn)、混凝土制拌過(guò)程監(jiān)督，施工現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，數(shù)據(jù)收集及分析?，F(xiàn)場(chǎng)提出技術(shù)支持，提供儀器檢測(cè)設(shè)備支持，混凝土施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的緊急情況提出處理性建議。嚴(yán)格按照抗裂混凝土原材料選取要求進(jìn)行配置材料并進(jìn)行混凝土檢測(cè)。

2.3.2 施工過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)澆筑準(zhǔn)備工作完成確定→埋設(shè)應(yīng)變計(jì)與溫度傳感器→確定摻加MAC 鎂質(zhì)抗裂劑混凝土的配合比→檢查選取原材料→生成任務(wù)單→混凝土拌制監(jiān)測(cè)→對(duì)混凝土進(jìn)行開盤鑒定及坍落度測(cè)試→運(yùn)輸混凝土→交貨檢驗(yàn)→混凝土分層澆筑→及時(shí)振搗→抹面→掃出浮漿、排除泌水→養(yǎng)護(hù)→測(cè)溫→成品保護(hù)→收集數(shù)據(jù)、進(jìn)行分析。

（1）前期工作準(zhǔn)備

根據(jù)施工要求與施工難點(diǎn)，編制MAC 鎂質(zhì)高性能抗裂混凝土專項(xiàng)施工方案，并與實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行抗裂混凝土關(guān)鍵性能試驗(yàn)，調(diào)整產(chǎn)品摻量和混凝土工作性能以滿足施工要求，確定最優(yōu)配合比。在已綁扎完成的鋼筋網(wǎng)架中埋設(shè)應(yīng)變計(jì)與溫度傳感器（見圖3），等待混凝土的澆筑。

圖3 埋設(shè)應(yīng)變計(jì)與溫度傳感器

（2）抗裂混凝土的生產(chǎn)

在抗裂混凝土施工過(guò)程中，每隔1 h 嚴(yán)格檢測(cè)砂石含水率，且及時(shí)反饋數(shù)據(jù)，并對(duì)抗裂混凝土的實(shí)際配合比進(jìn)行合理調(diào)整。然后，按照抗裂混凝土合理調(diào)整的配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)貨物盤點(diǎn)及投料監(jiān)督，按照每8 h 的檢測(cè)頻率進(jìn)行計(jì)量準(zhǔn)確性的抽查，稱量精度要求如表2 所示，保證MAC 鎂質(zhì)高性能抗裂劑按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行投料。此外，MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土攪拌時(shí)間比普通混凝土延長(zhǎng)45 s。

表2 原材料計(jì)量精度要求 %

（3）抗裂混凝土的施工

本工程根據(jù)地下室后澆帶優(yōu)化位置將整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)筏板分為20 個(gè)區(qū)塊進(jìn)行分階段混凝土澆筑（見圖4），每個(gè)區(qū)塊之間設(shè)置沉降后澆帶，每個(gè)區(qū)塊均為一次性澆筑完成，澆筑方式為分層澆筑。

圖4 筏板基礎(chǔ)分區(qū)澆筑

MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土通過(guò)混凝土罐車運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)輸時(shí)間30 min 左右。施工現(xiàn)場(chǎng)由天泵沿筏板的長(zhǎng)邊方向進(jìn)行推進(jìn)、分層澆筑。當(dāng)抗裂混凝土運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，由項(xiàng)目管理人員對(duì)混凝土進(jìn)行交貨檢驗(yàn)，測(cè)試混凝土的坍落度及拌合物的和易性，確認(rèn)每車混凝土均為MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土，MAC 鎂質(zhì)抗裂劑含量為36 kg/m3，混凝土的坍落度為（160±20）mm。對(duì)不滿足施工要求的抗裂混凝土及時(shí)退料，并將信息反饋給攪拌站即刻處理。

在每車抗裂混凝土入模之前，應(yīng)提前測(cè)試混凝土入模溫度，并進(jìn)行有效控制，降低混凝土溫峰值，減少混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，抗裂混凝土的入模溫度不得超過(guò)30 ℃。在抗裂混凝土澆筑過(guò)程中，采用“分層澆筑、分層振搗、一個(gè)坡度、循序推進(jìn)、一次到頂”的方法進(jìn)行澆筑（見圖5）。為防止混凝土冷縫的產(chǎn)生，2 層澆筑的時(shí)間間隔不能超過(guò)2 h，分層厚度控制在450 mm 左右。在澆筑過(guò)程中，為保證混凝土的密實(shí)性，提高抗?jié)B能力，要安排專職人員對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，振搗要求必須快插慢拔、插點(diǎn)有序、均勻振搗，不得漏振或過(guò)振，振搗時(shí)間以混凝土泛漿，不出氣泡為止。此外，在振搗過(guò)程中要注意不能損壞埋入的溫度傳感器及應(yīng)變計(jì)，防止后期數(shù)據(jù)無(wú)法采集?；炷猎跐仓駬v過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量浮漿，要及時(shí)對(duì)泌水及浮漿進(jìn)行清理，防止混凝土硬化后面層強(qiáng)度低于內(nèi)部強(qiáng)度。

圖5 筏板混凝土振搗示意

待混凝土達(dá)到初凝時(shí)間時(shí)，采用磨光機(jī)進(jìn)行二次抹面，可以有效消除塑性收縮裂縫。在二次抹面結(jié)束后，立即采用塑料薄膜對(duì)成型混凝土進(jìn)行覆蓋，達(dá)到保溫與保濕的雙層目的，確保混凝土表面溫度下降較慢，減少內(nèi)外部溫差，防止產(chǎn)生貫穿性裂縫，同時(shí)保持混凝土濕潤(rùn)，使水泥水化順利進(jìn)行，避免局部失水過(guò)快產(chǎn)生收縮開裂。此外，混凝土保持一定的濕度與溫度，能夠促進(jìn)MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑水化反應(yīng)的進(jìn)行，對(duì)其補(bǔ)償收縮的效果有重要的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

由于本工程地下室筏板共分為20 個(gè)區(qū)塊，根據(jù)項(xiàng)目的施工策劃，分階段澆筑時(shí)間長(zhǎng)達(dá)將近半年，取第一區(qū)塊筏板抗裂混凝土澆筑時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

第一區(qū)塊筏板澆筑為6#地下室底板，時(shí)間為2020 年9月2 日，澆筑時(shí)天氣晴朗，晝夜溫差較小。該區(qū)域筏板厚度為700 mm，由于筏板中心位置應(yīng)力比較集中，因此，在筏板中心位置的筏板中部，平行于長(zhǎng)邊方向上設(shè)置應(yīng)變儀及溫度傳感器，通過(guò)傳輸線與VW-102A 型振弦讀數(shù)儀進(jìn)行連接?；炷羶?nèi)部的溫度由溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)電子測(cè)溫儀對(duì)混凝土外部環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量并采集，而混凝土內(nèi)部的膨脹與收縮產(chǎn)生的應(yīng)變均通過(guò)應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供數(shù)據(jù)及技術(shù)的支持。

本次抗裂混凝土澆筑過(guò)程的外部環(huán)境溫度為29 ℃，抗裂混凝土的入模溫度為29.7 ℃。6#地下室筏板混凝土內(nèi)部與外部溫度變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可知，6#地下室筏板混凝土在入模的0～1.9 d 處于快速升溫的階段，在入模1.9 d 時(shí)達(dá)到溫值高峰68.6 ℃，入模28.7 d 時(shí)6#地下室混凝土溫度達(dá)到了外部環(huán)境溫度29 ℃。在混凝土內(nèi)部溫度下降過(guò)程中，混凝土內(nèi)部溫度下降速率在入模1.9～7.6 d 階段中較大，在入模7.6 d 以后下降，并逐漸趨于平緩。在入模0～28 d 時(shí)間內(nèi)，混凝土外部環(huán)境溫度在27～33℃變化。

圖6 混凝土內(nèi)外部溫度變化曲線

圖7 為6#地下室筏板中心位置混凝土的應(yīng)變曲線。

圖7 筏板中心位置混凝土的應(yīng)變曲線

由圖7 可知，混凝土澆筑3.4 d 后達(dá)到最大應(yīng)變169.7 με，在入模0～3.4 d 時(shí)筏板混凝土應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率過(guò)快，這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)并進(jìn)行放熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度較高，MAC 鎂質(zhì)抗裂劑在較高溫度下水化反應(yīng)加快，發(fā)生膨脹，所以在混凝土內(nèi)部升溫階段會(huì)增長(zhǎng)較快，達(dá)到應(yīng)變峰值。而應(yīng)變峰值比溫度峰值推遲1.5 d，這是因?yàn)樵诨炷羶?nèi)部溫度下降階段，MAC 鎂質(zhì)抗裂依然在發(fā)生水化反應(yīng)，處于膨脹狀態(tài)，對(duì)混凝土進(jìn)行補(bǔ)償溫降收縮。當(dāng)隨著筏板混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)一步下降到40 ℃以下時(shí)，混凝土應(yīng)變速率逐漸降低，這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部開始發(fā)生干燥收縮，此外，MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑逐漸減少，且當(dāng)其處于40 ℃以下時(shí)，其水化反應(yīng)較為緩慢。而后期應(yīng)變呈現(xiàn)平緩狀態(tài)，筏板混凝土的應(yīng)變基本穩(wěn)定在39.3 με 左右，此時(shí)混凝土仍處于微膨脹狀態(tài)。這一現(xiàn)象表明，MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑對(duì)混凝土有較好的補(bǔ)償溫降收縮和干燥收縮的效果，可顯著降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高其自身抗?jié)B能力。

3.2 應(yīng)用效果分析

在混凝土澆筑完成的60 d 中，對(duì)采用MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑的6#地下室筏板進(jìn)行多次詳細(xì)的排查，均未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫，且雨后排查未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，表明MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土有較高的抗裂及防滲能力，達(dá)到施工設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，該施工方式可以為地下室工程提供案列支持及技術(shù)借鑒。

通過(guò)6#地下室筏板采用MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土不僅滿足施工設(shè)計(jì)防滲漏的要求，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于本工程的項(xiàng)目，由于原圖防水設(shè)計(jì)只采用膨潤(rùn)土防水毯（膨潤(rùn)土含量≥5.5 kg/m2）進(jìn)行施工，且沒(méi)有設(shè)置保護(hù)層。墊層鋪設(shè)的膨潤(rùn)土防水毯在進(jìn)行下道工序筏板鋼筋綁扎時(shí)，極易導(dǎo)致防水毯大面積破壞，使本工程的防水保護(hù)層形同虛設(shè)，后期需投入大量人力物力進(jìn)行混凝土的滲漏處理。對(duì)比其他類似項(xiàng)目，該類似情況需投入處理滲漏問(wèn)題的金額約50 萬(wàn)元。另一方面，膨潤(rùn)土防水毯市場(chǎng)價(jià)格較貴，而合同單價(jià)較低，該施工方式屬于本工程的虧損項(xiàng)，經(jīng)過(guò)預(yù)算，該項(xiàng)虧損金額高達(dá)約60 萬(wàn)元。目前，采用MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土進(jìn)行澆筑，建設(shè)單位對(duì)于應(yīng)用效果非常滿意，通過(guò)設(shè)計(jì)變更，該項(xiàng)扭虧為盈，盈利高達(dá)約130 萬(wàn)元。此外，由于將原先膨潤(rùn)土防水毯取消，改為MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土進(jìn)行澆筑，共節(jié)約工期10 d，節(jié)約項(xiàng)目管理成本10 萬(wàn)元，大型機(jī)械費(fèi)用成本3萬(wàn)元。綜上所述，共產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約為253 萬(wàn)元，約占項(xiàng)目合同總額的1.33%。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土澆筑的筏板基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫與滲漏痕跡，表明該類型混凝土自身具有良好的抗裂能力與防滲漏能力，可應(yīng)用于類似混凝土工程施工。

（2）筏板混凝土應(yīng)變峰值比溫度峰值推遲了1.5 d，且筏板混凝土的應(yīng)變基本穩(wěn)定在39.3 με 左右，表明MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑對(duì)混凝土有較好的補(bǔ)償溫降收縮和干燥收縮的能力，可顯著降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高混凝土自身抗?jié)B能力。

（3）MAC 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑配制的補(bǔ)償混凝土澆筑的筏板，不僅可以完全滿足施工設(shè)計(jì)的防水要求，還能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，可在以后工程中起到參考作用。