江阴靖江长江隧道对接段采用土体冻结法、C40 钢壳自密实混凝土施工，混凝土面临狭小空间难以填充密实、低温条件下混凝土水化和强度发展难以保障等技术难题，主要体现在以下几个方面：（1）自密实混凝土应具有较好的流动性及均质性，以满足灌注密实要求，需要采取配合比优化、流动性调控等综合措施。（2）自密实混凝土收缩较大，为保障长期服役阶段混凝土和钢壳之间无脱黏、无脱空，需要采取收缩抑制技术，抑制混凝土的不同阶段收缩，实现密封条件下无收缩。（3）混凝土在浇筑过程中，外部土体处于冻结状态，接近外侧钢壳区域保持在− 5 ℃环境，需要混凝土在该低温环境下能够进行水化并达到设计强度。因此需要制备出具有自密实、无收缩、低温早强性能等特征的C40 混凝土，保障钢壳混凝土密实填充和长期服役耐久性。
低温环境下，混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能都会不同程度的降低。温度的降低抑制了胶凝材料的水化进程，延长了凝结时间，低温同样会使混凝土的孔隙率和平均孔径增加，降低混凝土的密实度，从而劣化混凝土宏观性能。针对低温环境混凝土强度难以稳定增长的问题，可以通过掺加一定量的功能材料（如防冻剂），保障低温条件下强度发展。研究表明，防冻剂能够有效地改善低温环境下混凝土性能发展，防冻剂会干扰水分子间的氢键作用，降低混凝土内部液相水冰点，使负温下析出的冰晶松软细小且呈絮状，促进水泥水化并减小冻胀应力，减少冻害对混凝土结构造成的破坏。
已有研究表明，膨胀剂的补偿收缩作用对低温环境下的混凝土抗裂性能提升有明显效果。但防冻剂在自密实混凝土的性能研究较少，因此本文依托于江阴靖江长江隧道工程，开展C40 钢壳自密实混凝土的制备及在常温和低温养护下的宏观性能试验；基于XRD 半定量分析了浆体在不同龄期下的水化产物，分析防冻剂对自密实混凝土宏观性能的影响机制；并通过足尺模型试验验证应用效果，最终成功应用于江阴靖江长江隧道对接段工程，不仅保障了混凝土浇筑质量，而且也可为未来类似工程提供借鉴。
1 试 验
1. 1 原材料
水泥为张家港海螺P.O42.5 硅酸盐水泥，密度为2950 kg/m3，比表面积为353 m2/kg；粉煤灰为江苏苏龙Ⅰ级粉煤灰，密度为2430 kg/m3，比表面积为426 m2/kg；矿粉为南钢嘉华S95 级矿粉，密度为2840 kg/m3，比表面积为430 m2/kg，胶凝材料的主要氧化物含量如表1 所示。膨胀剂（M）、流变改性材料（L）、聚羧酸高性能减水剂和防冻剂（F）均为江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其中膨胀剂为HME-II 钙镁复合膨胀材料，能够补偿混凝土全过程收缩变形，聚羧酸高性能减水剂为SBT®-SCC 自密实混凝土外加剂，流变改性材料为HDC®-III 降黏剂，防冻剂为SBTJM-Ⅴ（C） 液体混凝土防冻剂。试验用砂为洞庭湖Ⅱ区天然中砂，细度模数2.6，粗骨料为重庆睿拓粒径5~20 mm 连续级配碎石。试验用水为实验室自来水。
表1 胶凝材料主要氧化物含量
1. 2 试验配合比
试验成型C40 自密实混凝土，通过适当提高胶凝材料用量，掺加流变改性材料，实现混凝土的自密实，提升混凝土稳定性。混凝土胶凝材料用量为500 kg/m3，水胶比为0.34，试验配合比如表2 所示。REF 基准组胶凝材料为20% 粉煤灰、10% 矿粉、10% 膨胀剂三掺取代水泥，CML 流变改性组在基准混凝土中掺加10% 降黏剂，取代部分水泥和粉煤灰，改善混凝土工作性，CMLF 防冻组在流变改性混凝土基础上添加了4.5% 防冻剂。
表2 混凝土试验配合比
参照混凝土试验，剔除其他胶凝材料的影响，仅保留水泥，成型水泥净浆浆体，水胶比为0.34，对比掺与不掺防冻剂对浆体水化进程和水化产物的影响，净浆试验配合比如表3 所示。
表3 净浆试验配合比
1. 3 试验方法
（1）混凝土工作性能：参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。
（2）混凝土力学性能测试：参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。成型抗压强度试块两组，分别在标准条件和负温条件下养护。负温养护下的试块，在混凝土搅拌成型之后4 h，将混凝土试模移入−5 ℃的环境模拟箱带模养护，在不同龄期取出混凝土进行强度测试。
（3）自生体积变形试验：自生体积变形主要测试混凝土在绝湿条件下的自由变形，试件大小为Φ100 mm×400 mm 圆柱体，混凝土拌合后装入圆柱体PVC 试模内，内置应变计探头，混凝土表面使用塑料薄膜和锡箔纸密封，试块在标准条件下养护，使用内置应变计测试混凝土的自生体积变形。
（4）净浆水化程度试验：将搅拌均匀的水泥浆体浇筑到40 mm×40 mm×160 mm 的三联模具中，表面用塑料薄膜覆盖，分别放入20、5 和−5 ℃下带模养护1 d 后拆模。拆模后使用塑料薄膜和锡箔纸对试块进行密封，置于密封袋内，继续在20、5 和−5 ℃下养护。待净浆试块养护至规定龄期时（3 d、7 d、28 d）取样，取小块浆体，浸入异丙醇中7 d（异丙醇在1 h、1 d 和3 d 时更换），以交换孔隙溶液中止水化，然后在40 ℃下真空干燥至少7 d。将真空干燥后的样品进行磨细并过200 目方孔筛，采用BrukerD8 Advance X 射线衍射仪进行浆体衍射图谱的测试。
2 试验结果与分析
2. 1 混凝土的工作性能
混凝土扩展度、J 环高度差、倒置坍落度筒排空时间、含气量测试过程如图1 所示，测试结果如表4所示。3 组混凝土初始扩展度均能达到600 mm 以上，满足C40 自密实混凝土要求，混凝土含气量在3.4%~3.8% 范围。在基准混凝土中掺入10% 流变改性材料后，能够缩短混凝土的扩展时间T500 和倒置坍落度筒排空时间，降低J 环高度差，有效改善混凝土的工作性能。在流变改性混凝土中掺入防冻剂后，对混凝土工作性能影响不大。
图1 混凝土工作性能测试
表4 混凝土工作性能测试结果
2. 2 混凝土的力学性能
混凝土在标准养护和负温养护条件下的抗压强度结果如图2 所示。标准养护条件下，REF、CML、CMLF3 组混凝土在各龄期的抗压强度值差距并不大，28 d 抗压强度值均大于50 MPa，满足C40 混凝土设计指标要求。在混凝土中添加10% 的流变改性材料并不会影响混凝土的抗压强度值，而掺加防冻剂的混凝土的抗压强度均有一定提升，CMLF 的3、7 和28 d 抗压强度较CML 分别提升了9%、7%和1%。
图2 C40 自密实混凝土抗压强度
负温养护条件下，混凝土的抗压强度值大幅降低，尤其是未掺防冻剂的混凝土，7 d 抗压强度均不足2 MPa，REF 和CML 组混凝土28 d 抗压强度分别仅为6.2 MPa 和8.1 MPa，不采取防冻措施时，混凝土水化能力较弱，甚至可以忽略不计。在混凝土中添加4.5% 的防冻剂后，混凝土的3、7 和28 d 抗压强度分别为6.5、12.9 和31.4 MPa，表明在负温条件下，防冻混凝土具有较好的水化性能。
2. 3 混凝土的变形性能
混凝土的自生体积变形测试结果如图3 所示，图中以终凝时的变形作为零点。可以看出，在常温养护条件下，钙镁复合膨胀剂在混凝土中均产生了有效膨胀，3 组混凝土的最大膨胀变形均在250 με以上，随着时间的增加，由于持续水化的作用，混凝土产生自收缩变形，导致膨胀变形值有所下降，在14 d 后自生体积变形趋于稳定，REF、CML 和CMLF 3 组混凝土的28 d 自生体积变形值分别为173.2 με、151.7 με 和161.2 με，实现混凝土在密封条件下无收缩变形。
图3 C40 自密实混凝土自生体积变形测试结果
2. 4 水泥浆体水化物定量分析
根据XRD 图谱结果，采用Rietveld 法对水泥浆体中的矿物组成进行了定量分析，获得浆体中不同龄期的C3S、Ca（OH）2 和Amorphous 含量的变化如图4 所示。C3S 是水泥水化放热的主要矿物之一，它的含量变化能够反映水泥水化反应进程。Amorphous为无定形相，水泥主要水化产物C-S-H 凝胶包含在其中，因此Ca（OH）2 、Amorphous 含量变化能够反映浆体主要水化产物的生成量，这也是浆体强度的主要来源。
从图4 可以看出，随着养护温度的提高，水泥浆体的水化程度提高，尤其是温度从负温转为正温，未添加防冻剂的水泥浆体水化进程大幅提高。具体来看，在负温条件下养护的水泥C3S 含量远高于常温和5 ℃条件下养护的水泥，尤其是未加防冻剂的水泥，28 d C3S 反应量仅为正温养护的40%，说明其水化程度低，而添加防冻剂的水泥浆体中的C3S 含量大幅降低，28 d C3S 含量接近正温养护下的水泥浆体。正温养护的4 组水泥浆体的C3S 含量相差不大。在负温养护下，添加防冻剂的水泥浆体中的主要水化产物Ca（OH）2、Amorphous 与未添加防冻剂的水泥浆体相比大幅提升，其中28 d 水化产物Ca（OH）2 的含量提高了114%，接近正温养护的水泥浆体中的Ca（OH）2 的含量。正温养护下，添加防冻剂后的水泥浆体中的Ca（OH）2 含量会小幅提高，可能是防冻剂的掺入引入了更多的Ca离子。
图4 水泥浆体主要水化物和水化产物含量
3 模型试验
将CMLF 混凝土配合比应用于现场足尺钢壳模型中，模型尺寸为宽2 m，高4.5 m，厚0.75 m，模型内侧与冷冻箱接触，模拟混凝土外侧冻土环境。对模型底部开设浇筑孔及顶部设置排气孔进行混凝土填充试验，钢壳模型中内置传感器监测混凝土的温度和变形变化，同时预留抗压强度试块，测试同条件和标准养护下的力学性能。现场足尺钢壳模型和传感器布设如图5 所示。具体测点布置为：靠近冷冻的内表面布置1 支温度计，用以测试混凝土直接接触冷冻时的水化温升；在中部中心的厚度与长度方向上各布置一根温度应变计，用以测试中部中心的水化温升及钢板约束下不同方向的变形；在外表面布置一根温度计，用以测试钢板散热外表面水化温升，同时布置1 根环境温度测点。
现场足尺钢壳模型的温度和变形监测结果如图6 所示。钢壳自密实混凝土入模温度为14~15℃，靠近冷冻处由于混凝土灌注后立即冷却，入模温度为11.3 ℃，随后冷却至最低温度7.5 ℃后开始上升，最大温升为10.8 ℃；此外，中部中心及外表面最大温升分别为14.8 ℃与12.7 ℃，中心与靠冷冻外表、外表面最大温差为13.3 ℃与3.3 ℃，各部位温度峰值出现的时间为1.21~1.63 d，进入降温阶段，5 d 平均降温速率为3.22~5.08 ℃/d，浇筑约6 d 后温度基本稳定，并随气温的影响而变化。应变曲线变化趋势与温度历程基本一致，受混凝土浇筑后的水化温升、膨胀剂的微膨胀体积调控及钢板约束等的影响，试验模型中部中心长度与厚度方向上最大膨胀变形分别为186.79 με 和278.0 με，单位温升膨胀变形分别为15.44 με/℃和22.98 με/℃，相同位置厚度方向受约束残余变形显著高于长度方向；进入降温阶段，混凝土收缩体积减小，中心长度及厚度方向单位温降收缩变形分别为10.85 με/℃和11.7 με/℃，对厚度方向上变形按照线膨胀系数10 με/℃ 扣除温度变形影响，整个监测周期内仍处于膨胀状态，满足自身无收
缩的控制要求。
钢壳自密实混凝土在同条件和标准养护下的抗压强度结果如图7 所示，标准养护下自密实混凝土不同龄期抗压强度均高于同条件养护。具体来看，同条件养护下，混凝土7、28 及56 d 抗压强度均能达到设计要求（设计强度等级C40）的71.5%、107% 及126%，标准养护下的混凝土7、28 及56 d 抗压强度分别能达到设计要求的103%、137% 与143%，力学性能完全满足设计要求。
图5 现场足尺模型和传感器布设
图6 足尺钢壳模型自密实混凝土温度和变形监测结果
图7 钢壳自密实混凝土同条件和标准养护抗压强度
通过上述模拟冻土环境下钢壳足尺模型试验验证了所制备钢壳自密实混凝土配合比参数及性能均满足施工要求，已成功应用于江阴靖江长江隧道对接段工程，取得良好的应用效果。
4 结 论
（1）在自密实混凝土中掺加10% 流变改性材料，能够缩短混凝土的扩展时间T500 和倒置坍落度筒排空时间，降低J 环高度差，有效改善混凝土的工作性能。钙镁复合膨胀剂在自密实混凝土中产生有效膨胀， 28 d 自生体积变形大于150 με，实现混凝土在密封条件下无收缩变形，提升了混凝土体积稳定性。
（2）低温养护条件下混凝土早期强度低，水化进程缓慢，防冻剂能促进低温条件下的水泥水化，大幅提高浆体水化产物生成量，从而提高基体强度，保障混凝土在低温环境下的强度发展。
（3）现场钢壳足尺模型试验表明，添加膨胀剂和防冻剂的自密实混凝土在整个监测周期内仍处于膨胀状态，满足自身无收缩的控制要求，力学性能满足C40 混凝土设计强度标准，已成功应用于江阴靖江长江隧道对接段工程，取得了良好的应用效果。