金川水電站面板混凝土早期開裂試驗研究

張 勇，孫宇飛

（中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710043）

0 引言

在水工建筑物中，混凝土面板不同于一般大體積混凝土結(jié)構(gòu)，屬條形超薄板狀，其最大厚度僅為混凝土面板堆石壩壩高的1/50～1/200，且長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，極易產(chǎn)生早期裂縫[1]。影響混凝土面板早期開裂的因素有很多，除了受溫度、濕度、養(yǎng)護條件等影響外，還與水泥、摻和料、外加劑、骨料等原材料品質(zhì)密切相關(guān)。從材料角度來看，目前預防混凝土面板早期開裂的主要方法是減小混凝土收縮，提高混凝土抗拉強度，采取的具體措施有摻膨脹劑補償收縮，摻纖維增強，摻減縮劑抑制收縮等[2]。

金川水電站為大渡河干流水電開發(fā)規(guī)劃22級方案的第6個梯級電站，擋水建筑物為面板堆石壩，最大壩高111.5 m。本試驗從混凝土原材料入手，研究了采用人工中砂、人工粗砂、天然砂，以及摻入纖維時，對混凝土抗拉強度和收縮的影響。并采用CECS 38—2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄D推薦的平板法，對混凝土的抗裂性進行研究。

1 平板法試驗方法

試驗裝置如圖1所示，試模尺寸為600 mm×600 mm×63 mm，邊框內(nèi)設(shè)φ6間距60 mm的雙排栓釘提供約束，栓釘長度分別為50 mm和100 mm，間隔布置。底板采用5 mm厚鋼板，并鋪設(shè)一層塑料薄膜以減少其對混凝土的約束。試件澆注、振實、抹平后，用塑料薄膜覆蓋2 h，之后取下薄膜，以0.5 m/s的風速吹混凝土表面，環(huán)境溫度20±2℃，相對濕度不大于60%。24 h后觀察裂縫數(shù)量、長度和寬度。

2 試驗原材料及配合比

圖1 平板法試驗模具示意 （單位：mm）

試驗用水泥為拉法基普通42.5R硅酸鹽水泥；粉煤灰為江油III級灰；細骨料有三種，分別為：細度模數(shù)為2.7的石家溝料場人工中砂，細度模數(shù)為3.1的石家溝料場人工粗砂，細度模數(shù)為2.3的得勝村料場天然砂；粗骨料為5～20 mm和20～40 mm的石家溝料場砂巖碎石；減水劑采用浙江龍游外加劑公司生產(chǎn)的ZB-1A緩凝高效減水劑，摻量為0.7%；引氣劑采用石家莊外加劑廠生產(chǎn)的DH9引氣劑，摻量為0.004%；纖維采用四川華神化學建材有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維。試驗配合比及拌和物性能見表1。其中J1號配合比為基準配合比。

3 試驗結(jié)果與分析

混凝土的力學性能及收縮率試驗結(jié)果見表2。從表2可知，采用人工粗砂的混凝土力學性能和收縮率與基準混凝土基本相當；采用天然砂的混凝土抗壓強度比基準混凝土略低，彈性模量、極限拉伸值和抗拉強度沒有明顯差別，但收縮率降低了約20%。摻入聚丙烯纖維的混凝土抗壓強度比基準混凝土提高5%～7%，抗拉強度也略有提高，收縮率差別不明顯。有些觀點認為，采用粗砂拌制混凝土可以減少收縮，從而起到減少開裂的作用，但筆者認為，采用粗砂并不是減少收縮的根本原因，根本原因應該是混凝土用水量對其收縮有直接影響。本次試驗中，采用人工粗砂的混凝土與采用人工中砂的混凝土相比，用水量基本相當，收縮率沒有明顯的差異；而采用天然砂代替人工砂后，由于用水量降低，混凝土的收縮率也隨之減小。

混凝土的早期開裂試驗結(jié)果見表3。由表3可知，相對于基準混凝土而言，采用天然砂替代人工砂，或者摻入聚丙烯纖維，均可以起到良好的抑制早期開裂的作用；但采用人工粗砂時，裂縫降低系數(shù)只有0.37，可以認為沒有起到抑制開裂的作用。其原因分析如下：

表2 混凝土力學性能與收縮率試驗結(jié)果

表3 平板法混凝土早期開裂試驗結(jié)果

（1）采用天然砂代替人工中砂時，降低了混凝土用水量，從而減少了混凝土中毛細孔的數(shù)量，降低了混凝土的收縮率，起到減少早期開裂的效果。

（2）采用人工粗砂代替人工中砂時，并沒有降低混凝土的收縮率，而且混凝土的抗拉強度和極限拉伸值也沒有顯著提高，因此在試驗中沒有明顯的抑制開裂的效果。

（3）摻入聚丙烯纖維后，對抑制早期裂縫起到了良好的作用。聚丙烯纖維的作用有抑制收縮和抗裂兩個方面。抑制收縮作用是指由于聚丙烯纖維的摻入，在混凝土內(nèi)部形成了復雜的三維亂向體系，不僅可以有效抑制骨料下沉，約束各種塑性變形，提高混凝土的勻質(zhì)性，減少其固有缺陷，而且可以阻隔水分溢出的通道，減少或延緩水分的散失，減小收縮。抗裂作用是指三維亂向分布的纖維體系可以有效阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，當微裂縫的長度大于纖維的間距時，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應力場更加連續(xù)和均勻，使微裂縫尖端的應力集中得以鈍化，裂縫的進一步擴展受到約束；當微裂縫的長度小于纖維間距時，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維形成更微細的裂縫場，不僅細化了裂縫，而且微裂縫擴展的能量消耗顯著增大[3]。

表1 混凝土配合比及拌和物性能

4 結(jié)論

（1）使用人工粗砂拌制混凝土，對改善混凝土的早期開裂性能影響不顯著。

（2）使用天然砂代替人工砂，可降低混凝土的收縮率，從而減少混凝土的早期裂縫數(shù)量。

（3）摻入聚丙烯纖維具有抑制混凝土收縮和抗裂兩方面的作用。二者的綜合作用，使聚丙烯纖維混凝土具有顯著的抵抗早期裂縫的能力。

［1］ 劉數(shù)華，曾力.面板混凝土的抗裂性能研究［J］.人民長江，2003（4）:34-35.

［2］ 張建峰，等.纖維對混凝土早期塑性開裂的影響［J］.混凝土，2010（7）:76-78.

［3］ 張佚倫，等.聚丙烯纖維混凝土早期收縮性能試驗研究［J］.新型建筑材料， 2006（1）:25-28.