宮經(jīng)偉，李雙喜，葛毅雄，何建新，鳳家驥

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052)

面板是混凝土面板堆石壩的防滲體，由于面板混凝土自身特點(diǎn)及工作條件，極易產(chǎn)生有害性裂縫，有害性裂縫是影響混凝土面板的耐久性和大壩安全性的重要因素［1－2］。控制混凝土早齡期裂縫的產(chǎn)生對控制混凝土有害裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展是至關(guān)重要的［3］?；炷猎缙诹芽p主要有塑性沉降裂縫、塑性收縮裂縫、水化收縮及自身干縮裂縫［4］。因此面板混凝土不僅要有一定的強(qiáng)度，還要具有較強(qiáng)的抗裂能力和較高的抗?jié)B、抗凍融性能。大量研究表明［5－6］:提高混凝土自身抗裂能力主要是提高其抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值，而優(yōu)化混凝土配比、礦物摻合料和外加劑對改善面板混凝土的早期抗裂性能以及耐久性均有較好的效果。

肯斯瓦特水利樞紐工程是流域規(guī)劃推薦的一期工程，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。樞紐工程由混凝土面板砂礫石壩、壩肩式溢洪道、泄洪沖砂洞、發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫正常蓄水位990m，最大壩高129.4m，總庫容1.88 億m3，控制灌溉面積316.30 萬畝，電站裝機(jī)容量100MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.723 億千瓦時(shí)，屬大(2)型II 等工程。本文針對該工程二期面板混凝土，在前期面板混凝土配合比研究基礎(chǔ)上［7］，確定粉煤灰摻量、增密劑摻量為兩個(gè)試驗(yàn)因素，采用在正交試驗(yàn)方案，以抗壓強(qiáng)度、軸向抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗拉彈性模量、單位面積上的總開裂面積為考核指標(biāo)，對二期面板混凝土配合比展開試驗(yàn)研究，使面板混凝土不僅具有較好的施工性能，還具有較強(qiáng)的抗裂性能及抗凍、抗?jié)B等耐久性能。優(yōu)化后的混凝土配合比在現(xiàn)場施工后，面板混凝土裂縫明顯減少。

1 試驗(yàn)原材料

肯斯瓦特二期面板混凝土的主要技術(shù)要求見表1。試驗(yàn)用原材料為:(1)水泥:選用屯河水泥股份有限公司(沙灣)產(chǎn)屯河P.O 42.5 水泥，其物理力學(xué)性能見表2。(2)粉煤灰:瑪納斯電廠Ⅰ級粉煤灰，需水量比95%。(3)細(xì)骨料:肯斯瓦特料場中砂，含泥量0.9%，細(xì)度模數(shù)為2.7。(4)粗骨料:肯斯瓦特料場5mm～20mm 和20mm～40mm 連續(xù)級配卵石。由試驗(yàn)確定小石(5mm～20mm)與中石(20mm～40mm)質(zhì)量比為45:55。(5)外加劑:高效減水劑和引氣劑采用株洲中鐵橋梁外加劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑和引氣劑，增密劑采用武漢某公司生產(chǎn)的增密劑。(6)水:實(shí)驗(yàn)室自來水。

表1 面板混凝土的技術(shù)要求

表2 屯河P.O42.5 水泥性能指標(biāo)

2 混凝土配合比試驗(yàn)方案

由前期配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究成果，綜合分析可知，當(dāng)水膠比取0.34 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)較高值，可滿足面板混凝土設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求，其抗?jié)B、抗凍等耐久性估計(jì)也能滿足設(shè)計(jì)要求。與國內(nèi)和疆內(nèi)類似混凝土相比較，該水膠比的取值是適宜的。但就混凝土抗裂性能而言，除水膠比因素外，混凝土中粉煤灰摻量、增密劑摻量等因素均有一定的影響，本研究采用正交設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究，探索規(guī)律，確定出合理的摻量，以使配制的混凝土具有較好的抗裂性能。

確定粉煤灰摻量、增密劑摻量為2 個(gè)試驗(yàn)因素，根據(jù)前期試驗(yàn)成果，對2 個(gè)試驗(yàn)因素各選2 個(gè)水平，選擇L4(23)正交表來安排試驗(yàn)方案，如表3 所示。

表3 L4(23)試驗(yàn)方案

3 混凝土配合比試驗(yàn)

3.1 混凝土拌合物試驗(yàn)

按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，經(jīng)試拌調(diào)整后的混凝土配合比見表4?；炷涟韬衔锛夹g(shù)性能見表5。

表4 推薦配合比

表5 混凝土拌合物的技術(shù)性能

由試驗(yàn)觀察到:摻入增密劑的混凝土拌合物(Ks－2 組、Ks－4 組)的黏聚性優(yōu)于摻入增密劑的混凝土拌合物(Ks－1 組、Ks－3 組)的黏聚性，混凝土拌合物中各種物料分布均勻、不泌水、不離析、結(jié)構(gòu)粘度大

3.2 硬化混凝土的試驗(yàn)

(1)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－ 2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

(2)混凝土軸向拉伸試驗(yàn) 按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行混凝土軸向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

(3)混凝土抗裂試驗(yàn) 按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082－2009 規(guī)定，以單位面積上的總開裂面積為考核指標(biāo)，比較粉煤灰摻量和增密劑摻量對相同水膠比條件下混凝土早期抗裂性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 混凝土抗裂試驗(yàn)結(jié)果

(4)混凝土抗?jié)B、抗凍性能試驗(yàn)

按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行混凝土抗?jié)B和抗凍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7 和表8。

表7 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

表8 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

4 混凝土試驗(yàn)結(jié)果分析

對混凝土正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果，以3d、7d 和28d 齡期的抗壓強(qiáng)度、7d 和28d 齡期軸向抗拉強(qiáng)度、7d 和28d 齡期極限拉伸值、7d 和28d 齡期抗拉彈性模量以及單位面積上總開裂面積等為考核指標(biāo)，分別進(jìn)行極差分析和方差分析。

4.1 極差分析

極差分析結(jié)果如表9 所示，由此可以得出:

(1)以抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，粉煤灰摻量和增密劑摻量兩因素對各齡期抗壓強(qiáng)度都稍有影響，主次相當(dāng)。其中7d 齡期抗壓強(qiáng)度對粉煤灰摻量較為敏感，粉煤灰摻量大，7d 齡期抗壓強(qiáng)度較高;3d 齡期抗壓強(qiáng)度隨兩摻量的增加而降低;28d 齡期抗壓強(qiáng)度隨兩摻量的增加而提高。3d、7d、28d 齡期抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:0.3MPa、0.1MPa 和1.0MPa。

(2)以軸向抗拉強(qiáng)度為考核指標(biāo)，粉煤灰摻量和增密劑摻量兩因素對各齡期軸向抗拉強(qiáng)度影響不大。對7d 齡期混凝土軸向抗拉強(qiáng)度而言:兩因素影響程度相當(dāng);隨著粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，軸向抗拉強(qiáng)度降低;對28d 齡期混凝土軸向抗拉強(qiáng)度而言:粉煤灰摻量的影響程度大于增密劑摻量的影響程度，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，軸向抗拉強(qiáng)度提高。7d、28d 齡期混凝土軸向抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:0.10MPa、0.17MPa。

表9 試驗(yàn)極差分析計(jì)算表

(3)以極限拉伸值為考核指標(biāo)，兩因素對7d 齡期混凝土極限拉伸值的影響程度相當(dāng)，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，7d 齡期混凝土極限拉伸值減小;對28d 齡期混凝土極限拉伸值而言:增密劑摻量的影響大于粉煤灰摻量的影響，隨增密劑摻量的增加，28d 齡期混凝土極限拉伸值增大，隨粉煤灰摻量的變化，28d齡期混凝土極限拉伸值變化甚微。7d、28d 齡期混凝土極限拉伸值的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:11.4 ×10－6、3.65 ×10－6。

(4)以抗拉彈性模量為考核指標(biāo)，兩因素對7d 齡期混凝土的抗拉彈性模量的影響程度相當(dāng)，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，7d 齡期混凝土抗拉彈性模量增大;對28d 齡期混凝土抗拉彈性模量而言:增密劑摻量的影響大于粉煤灰摻量的影響，隨增密劑摻量的增加，28d 齡期混凝土抗拉彈性模量增大，隨粉煤灰摻量的變化，28d 齡期混凝土抗拉彈性模量變化不大。7d、28d 齡期混凝土抗拉彈性模量的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:2.65GPa、0.25GPa。

(5)以單位面積上的總開裂面積為考核指標(biāo)，粉煤灰摻量對其的影響明顯大于增密劑摻量的影響。隨粉煤灰摻量的增加，單位面積上的總開裂面積減少;是否摻加增密劑對單位面積上的總開裂面積影響甚微。單位面積上的總開裂面積的試驗(yàn)誤差估計(jì)值為36mm2/mm2。

4.2 方差分析

方差分析結(jié)果見表11 所示，由方差分析結(jié)果得出:

(1)粉煤灰摻量對7d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度有特別顯著影響，摻量增大，強(qiáng)度提高，看不出粉煤灰摻量對其余測定的力學(xué)指標(biāo)和早齡期混凝土抗裂指標(biāo)有較大的影響。

(2)增密劑摻量對7d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度有特別顯著影響，摻量增大，混凝土強(qiáng)度下降;增密劑摻量對28d 齡期混凝土抗拉彈性模量有顯著影響，摻量增大，混凝土抗拉彈性模量增大;看不出增密劑對其余測定的力學(xué)指標(biāo)和早齡期混凝土抗裂指標(biāo)有較大的影響。

表10 試驗(yàn)誤差表

(3)各項(xiàng)考核指標(biāo)的試驗(yàn)誤差如表10 所示，其中，各齡期抗壓強(qiáng)度、7d 齡期軸向抗拉強(qiáng)度、28d 齡期極限拉伸值、28d 齡期抗拉彈性模量等的試驗(yàn)水平為優(yōu)良;28d 齡期軸向抗拉強(qiáng)度、7d 齡期抗拉彈性模量等的試驗(yàn)水平為一般;7d 齡期極限拉伸值、單位面積上的總開裂面積的試驗(yàn)水平不良。

表11 方差分析表

5 結(jié) 論

(1)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到C30 強(qiáng)度等級的要求。其中2#(Ks－2)試驗(yàn)組的28d 齡期抗壓強(qiáng)度值最高，達(dá)到45.4MPa。雖然該試驗(yàn)組3d 齡期抗壓強(qiáng)度值最低，但是隨著齡期的增長，粉煤灰的火山灰作用的發(fā)揮，強(qiáng)度發(fā)展速率遞增較快，致使混凝土抗壓強(qiáng)度在28d 齡期時(shí)躍居4 個(gè)試驗(yàn)組前列。

(2)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的28d 齡期的極限拉伸值均大于85 ×10－6。其中2#(Ks－2)試驗(yàn)組的28d 齡期極限拉伸值最大，達(dá)到98.5 ×10－6。

(3)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的早齡期抗裂性能都很好，單位面積上的總開裂面積都＜100mm2/m2，達(dá)到L－Ⅴ等級。其中2#(Ks－2)試驗(yàn)組混凝土單位面積上的總開裂面積僅為3 mm2/m2，表明該混凝土早齡期抗裂性能較好，這是摻入占膠凝材料用量的25%的粉煤灰和2%的增密劑共同作用的效果，粉煤灰的抗裂作用尤為明顯。

(4)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的抗?jié)B、抗凍耐久性能試驗(yàn)結(jié)果都滿足混凝土面板設(shè)計(jì)技術(shù)的要求，抗?jié)B等級大于W12，抗凍等級大于F300。

(5)增密劑作用的詮釋:由試驗(yàn)觀察到摻入增密劑的混凝土拌合物的黏聚性大大改善，混凝土拌合物中各種物料分布均勻、不泌水、不離析、結(jié)構(gòu)粘度大，這樣的混凝土拌合物不僅便于使用溜槽輸送，而且不易發(fā)生塑性沉降開裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，增密劑具有較強(qiáng)的增稠作用和保水作用，這些作用減慢了混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)速度，也阻滯了水分遷移，混凝土因失水產(chǎn)生塑性收縮的現(xiàn)象得以緩解，因此塑性收縮開裂的幾率降低;保水作用增加了水泥石毛細(xì)孔中的自由水，緩解了混凝土內(nèi)部的自干燥收縮，使混凝土自生干燥裂縫得以部分抑制。

(6)推薦2#(Ks－2)試驗(yàn)組配合比為現(xiàn)場施工配合比。

需要指出的是，早齡期混凝土各力學(xué)性能測定值波動(dòng)性較大，是由于水泥水化程度低，粉煤灰二次水化作用不充分等原因造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、不均勻，進(jìn)而影響到測定數(shù)值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;由于試驗(yàn)次數(shù)少，因素水平取值甚窄，試驗(yàn)誤差自由度小，一些試驗(yàn)誤差偏大，所以使得F 檢驗(yàn)的靈敏度很低，甚至?xí)霈F(xiàn)F 檢驗(yàn)對因素影響判斷的失誤。所以，因結(jié)合實(shí)踐對檢驗(yàn)結(jié)論作進(jìn)一步的研究分析。

致謝:本文部分試驗(yàn)得到了新疆水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所賀傳卿所長和王懷義副所長的支持，在此，對他們一并表示感謝。

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