胡一棟，王利娜，劉世隆，徐 耀，韋建溪，王少江，馬鋒玲

(1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.水利部水工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，北京 100038)

1 概述

混凝土抗裂性研究一直是工程界極為關(guān)注的課題，一般認(rèn)為宜將混凝土材料本體的抗裂性與結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性進(jìn)行區(qū)分，作為兩個(gè)課題分別研究。結(jié)構(gòu)混凝土處于約束條件下，開裂受多種因素綜合作用，部分外荷載會(huì)在混凝土中形成拉應(yīng)力、混凝土水化時(shí)的自收縮和硬化時(shí)的干燥收縮收也會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力、混凝土早期水化溫升后期降低會(huì)產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力，其他情況如日常的干濕循環(huán)、溫度升降等也會(huì)在某個(gè)時(shí)期在結(jié)構(gòu)混凝土中形成拉應(yīng)力。結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能的綜合評(píng)價(jià)已有眾多探索成果，如混凝土抗裂安全系數(shù)(朱伯芳[1])、抗裂度[2]、抗裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)[3]等。

混凝土材料本體的抗裂性，表示混凝土材料自身的綜合抗裂能力，只與混凝土原材料及配合比有關(guān)，可以通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試的有關(guān)混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來，也是評(píng)價(jià)混凝土配合比優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。一般在不考慮混凝土結(jié)構(gòu)的外部限制條件時(shí)，混凝土材料自身的抗裂性與抗拉強(qiáng)度、徐變成正比；與彈性模量、線膨脹系數(shù)、溫升、干縮和自變變形成反比。在如何評(píng)價(jià)混凝土材料的本體抗裂性能方面，從早期的1～2個(gè)性能參數(shù)的簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)方法，如抗拉強(qiáng)度、極限拉伸、線膨脹系數(shù)、自身體積變形、抗拉彈性模量、抗拉徐變、絕熱溫升、干縮、拉壓比、抗裂度及熱強(qiáng)比等，發(fā)展到多個(gè)性能參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)方法，也更為準(zhǔn)確和實(shí)用，對(duì)混凝土配合比的科研工作更具指導(dǎo)意義，如早期抗裂指數(shù)公式(黃國(guó)興[4])、混凝土抗裂指數(shù)(黃國(guó)興[4])、混凝土抗裂變形指數(shù)(李光偉[5-6])、抗裂參數(shù)(曾力[7])以及基于溫度-應(yīng)力試驗(yàn)抗裂指標(biāo)[8]等抗裂評(píng)價(jià)方法。

早期抗裂指數(shù)公式：

(1)

混凝土抗裂指數(shù)公式如下：

(2)

混凝土抗裂變形指數(shù)公式如下：

(3)

混凝土抗裂參數(shù)公式如下：

(4)

上述公式中，εp—極限拉伸值，×10-6；Rl—軸拉強(qiáng)度，MPa；E1—抗拉彈性模量，GPa；C—徐變變形，×10-6/MPa：G—自生體積變形(脹正縮負(fù))，×10-6；a—線膨脹系數(shù)，×10-6/℃；Tr—絕熱溫升值，℃；εs—干縮率，×10-6。

混凝土面板屬于長(zhǎng)條薄板結(jié)構(gòu)，一般寬6～16m，壩頂薄底部厚，公式為0.30+0.0033H(m)，一次滑模施工最長(zhǎng)218m(公伯峽)。面板的三向尺寸懸殊，尤其是水平向容易產(chǎn)生裂縫。經(jīng)過多年的工程實(shí)踐，目前采取的面板混凝土防裂措施主要有：原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化、摻加功能性防裂材料、非高溫季節(jié)施工、加強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間等[9-12]。功能性防裂材料一般采用0.1%體積摻量的有機(jī)纖維，如聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維，部分工程采用了鋼纖維、氧化鎂膨脹劑等，取得了很好的抗裂效果，但很多工程還是在早期或者幾個(gè)月后產(chǎn)生了大量的裂縫[13-14]。

本文主要對(duì)比研究各種功能性防裂材料對(duì)不同齡期面板混凝土抗裂性能的提升效果。通過實(shí)測(cè)不同齡期面板混凝土各項(xiàng)性能參數(shù)，計(jì)算不同齡期混凝土的抗裂指數(shù)，綜合對(duì)比評(píng)價(jià)各項(xiàng)防裂措施的有效性，以保證面板混凝土配合比設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

2 面板混凝土配合比

某水電站位于內(nèi)陸，海拔高，具有高原氣候特點(diǎn)。日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，干燥多風(fēng)，對(duì)面板混凝土的抗裂性要求較高，有必要采用合適的功能性材料提升面板混凝土的抗裂能力。該工程主壩為鑲嵌混凝土面板堆石壩，最大壩高150m，底部鑲嵌混凝土高60m。面板混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為C30W10F400，二級(jí)配，要求水膠比小于0.45，倉面坍落度控制為30～70mm。試驗(yàn)采用P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥，F(xiàn)類Ⅰ級(jí)粉煤灰，萘系高效減水劑和引氣劑，天然細(xì)骨料，二級(jí)配天然粗骨料?；炷僚浜媳扔?jì)算采用絕對(duì)體積法，砂石骨料均以飽和面干狀態(tài)為基準(zhǔn)。

經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后給出的面板混凝土基準(zhǔn)配合比及原材料用量見表1。

表1 面板混凝土基準(zhǔn)配合比

通過采用納米材料、纖維材料、微膨脹材料、減縮劑等，可以優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化混凝土骨料界面，增強(qiáng)混凝土體積穩(wěn)定性，改善混凝土水化熱過程，配制抗裂耐久高性能面板混凝土。本文采用的功能性材料主要包括：

(1)納米碳酸鈣：粒徑50～100nm。

(2)硅灰：粒徑100～300nm。

(3)硅灰粉煤灰復(fù)摻：硅灰雖然能夠有效地改善硬化水泥漿體和混凝土微結(jié)構(gòu)，但是由于硅灰的比表面積較大，混凝土摻入硅灰后需水量增大，自收縮也增大。為了盡量減少硅灰?guī)淼牟焕绊?，可以在摻加硅灰的同時(shí)摻加粉煤灰等其它火山灰材料或其它物質(zhì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短以取得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

(4)聚丙烯纖維：為超細(xì)有機(jī)纖維材料，直徑48μm，長(zhǎng)度19mm。聚丙烯纖維是一種較低彈性模量纖維，摻入到混凝土中后，每m3內(nèi)的數(shù)千萬根纖維呈三維亂向分布，形成一種三維亂向支撐網(wǎng)，能很好地阻止在混凝土澆搗成型過程中和早期裂縫的產(chǎn)生，從而對(duì)混凝土的抗裂性有很好的效果。

(5)防裂抗?jié)B復(fù)合材料：為混凝土防裂抗?jié)B耐久防水復(fù)合材料，由納米活性粉體材料和高分散超細(xì)有機(jī)纖維等按一定比例復(fù)配而成。

(6)微膨脹材料：氧化鎂膨脹劑，是以懸浮窯制備的輕燒MgO為主要成分的膨脹材料。膨脹劑在混凝土硬化過程中使混凝土產(chǎn)生體積微膨脹，從而在受限條件下的混凝土中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，有效改善混凝土的防滲抗裂能力。

(7)減縮劑：一種新型化學(xué)外加劑，主要成分是丙二醇、聚乙二醇烷基類材料，能夠有效降低混凝土毛細(xì)孔溶液的表面張力，減小水分減少過程中的收縮力，從而降低了混凝土的自收縮和干燥收縮，能夠控制混凝土的早期開裂。

(8)防水劑：一種高性能混凝土防水外加劑。

在面板混凝土基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，經(jīng)過試拌，確定摻加抗裂性能提升材料后的混凝土配合比見表2。

表2 混凝土抗裂性能提升用配合比

3 摻加功能性防裂材料后面板混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

按照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行面板混凝土的力學(xué)性能、變形性能等各項(xiàng)性能的檢測(cè)，摻加功能性防裂材料后對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如下，數(shù)據(jù)見表3—7：

表5 混凝土軸壓強(qiáng)度、軸壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

(1)摻加納米碳酸鈣材料后，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量略有增大，極限拉伸值、軸拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度增大較多，混凝土干縮變形、自生體積收縮變形略有減小。

(2)摻加硅灰后，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值、軸拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度均大幅增加，7天抗壓強(qiáng)度增加50%左右，劈拉強(qiáng)度增加80%左右，但混凝土干縮變形、自生體積收縮變形有所增加，對(duì)混凝土抗裂又有不利影響。

(3)硅灰粉煤灰復(fù)摻后，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度均有所增加，7天劈拉強(qiáng)度增加10%左右，各齡期極限拉伸值增大10%～30%。同時(shí)混凝土自生體積變形收縮早期略有增大，干縮變形也有增加。

(4)摻加聚丙烯纖維后，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值、軸拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度變化不大，混凝土干縮變形略有減小、自生體積收縮變形后期明顯減小。

(5)摻加防裂抗?jié)B復(fù)合材料后，各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度及早齡期劈拉強(qiáng)度均增加10%以上，極限拉伸值、軸拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度略有增加，混凝土干縮變形、自生體積收縮變形明顯減小。

(6)摻加微膨脹材料后，自生體積變形為微膨脹，各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值、軸拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度均有所降低，干縮變形增加10%左右。

(7)摻加減縮劑后，早期混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)，極限拉伸值、軸壓強(qiáng)度略有增加，軸拉強(qiáng)度略有減小?；炷粮煽s變形3天后開始明顯減小，隨著水化反應(yīng)和表面水分散失，混凝土毛細(xì)孔水分開始減少，減縮劑開始起作用，7天時(shí)減少26%，28天時(shí)減少14%，90天時(shí)減少12%。混凝土自生體積變形收縮減小，從3天的減少32%逐步縮小到90天的13%。

(8)摻加防水劑后，各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度均有所增加，早期劈拉強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)，極限拉伸值、軸拉強(qiáng)度略有增加，軸壓強(qiáng)度略有減小?；炷猎缙?～28天干縮變形變大，自生體積收縮變形基本一致。

4 抗裂性能提升措施效果對(duì)比分析

前面分析了各種抗裂性能提升材料對(duì)混凝土單項(xiàng)性能的影響，而對(duì)各項(xiàng)性能的綜合影響決定了混凝土是否開裂，這可以通過計(jì)算下述抗裂指數(shù)來進(jìn)行評(píng)價(jià)?？紤]到面板混凝土屬于薄板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部溫升不大，底部砂漿墊層平整度要求較高，中間單層結(jié)構(gòu)性配筋，因此面板混凝土所受約束較小，開裂主要受抗拉性能與失水干縮性能的影響?？梢赃x用比較簡(jiǎn)潔的早期抗裂指數(shù)公式，本文選用如下開裂指數(shù)公式，計(jì)算的不同齡期抗裂指數(shù)見表8。同時(shí)列出了相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土的抗裂指數(shù)增加率，以便對(duì)比分析各種材料的抗裂效果。

(5)

表8 采用不同抗裂措施混凝土的時(shí)變抗裂指數(shù)

式中，RL—軸拉強(qiáng)度，MPa；εp—極限拉伸值，×10-6；EL—抗拉彈性模量，GPa；εs—干縮率，×10-6。

由表8數(shù)據(jù)分析可以得到如下試驗(yàn)結(jié)果：

(1)隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，混凝土抗裂指數(shù)總體來說是增加的，混凝土的抗裂能力逐漸增加。

(2)抗裂指數(shù)增加率表明，納米碳酸鈣、硅灰等超細(xì)材料極大地提升了混凝土的早期抗裂性，硅灰粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土中期抗裂提升明顯，減縮劑對(duì)混凝土早期中期抗裂都非常有利，摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料和聚丙烯纖維材料混凝土的各齡期的抗裂效果均有所提升，摻微膨脹材料和防水劑混凝土的后期抗裂指數(shù)有所降低。

(3)抗裂指數(shù)增加率也表明，各種功能性材料對(duì)面板混凝土后期防裂的作用有限。

因此，推薦在面板混凝土中摻加超細(xì)材料和減縮劑，有效提升早中期的抗裂性，避免早期開裂在混凝土中形成缺陷，造成后期裂縫的擴(kuò)大和增多。

5 結(jié)論

(1)采用抗裂指數(shù)公式，可以更有效地評(píng)價(jià)各種功能性材料對(duì)面板混凝土抗裂能力提升效果。

(2)不同齡期的抗裂指數(shù)對(duì)比分析表明，不同功能性材料的防裂效果存在明顯的差異，推薦摻加超細(xì)材料和減縮劑，可以有效提升面板混凝土抗裂性。

(3)不同功能性材料的防裂效果在不同齡期也存在明顯的差異，建議采用綜合性的抗裂措施，充分利用不同功能性材料在不同齡期防裂能力更具優(yōu)勢(shì)的特性。

(4)推薦使用合適的多參數(shù)抗裂指數(shù)公式取代單參數(shù)綜合評(píng)價(jià)混凝土性能，更契合實(shí)際抗裂效果，以保證混凝土配合比設(shè)計(jì)的高質(zhì)量。