面板混凝土塑性開裂試驗方法研究

呂樂樂 白銀 寧逢偉 張豐

摘要：面板混凝土澆筑后幾小時會形成肉眼不可見塑性裂縫，有害物質(zhì)可能進(jìn)入混凝土，影響其耐久性。為了對面板混凝土塑性開裂風(fēng)險進(jìn)行控制和預(yù)測，采用混凝土大板開裂和毛細(xì)孔負(fù)壓兩種試驗方法，對混凝土塑性開裂進(jìn)行評價。評價表明：大板開裂試驗可從宏觀角度獲知塑性開裂情況，從而得到裂縫數(shù)目、開裂面積等;毛細(xì)孔負(fù)壓試驗?zāi)軓奈⒂^角度獲知毛細(xì)孔壓力，從而了解混凝土內(nèi)部潛在的塑性開裂的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：面板混凝土;塑性開裂;大板開裂;毛細(xì)孔負(fù)壓;混凝土面板堆石壩

中圖法分類號：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.014

混凝土面板堆石壩具有安全性高、工程量小、經(jīng)濟(jì)性好、施工方便等特點，故受到國內(nèi)外壩工界的普遍重視，成為許多工程的首選壩型[1-2]。混凝土面板堆石壩以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，混凝土面板為防滲結(jié)構(gòu)[3]。面板的安全對整個大壩的使用和安全極其重要。雖然肉眼看不到面板混凝土在澆筑后幾小時內(nèi)形成的塑性收縮裂縫，但易使有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土，為后期其他收縮提供開裂的基礎(chǔ)[4]，使混凝土外觀、強(qiáng)度、耐久性等均受到影響。因此，通過有效的試驗方法對面板混凝土塑性開裂風(fēng)險進(jìn)行控制和預(yù)測具有重要意義。

本文主要利用混凝土大板開裂試驗和毛細(xì)孔負(fù)壓試驗兩種方法，對塑性開裂進(jìn)行評價。同時利用孔結(jié)構(gòu)分析，驗證毛細(xì)孔負(fù)壓試驗預(yù)測塑性開裂風(fēng)險的可行性。

1 試驗方法

大板開裂試驗參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，平板模具尺寸為800 mm×600 mm×100 mm。混凝土澆筑后30 min內(nèi)開始使用風(fēng)扇吹（見圖1），混凝土試件表面中心正上方100 mm處的風(fēng)速為5±0.5 m/s，并使風(fēng)向平行于試件表面和裂縫誘導(dǎo)器。采用100倍的讀數(shù)顯微鏡觀測和測量。

在毛細(xì)孔孔隙負(fù)壓試驗中，采用的孔隙負(fù)壓測試設(shè)備由傳感器、孔隙負(fù)壓數(shù)據(jù)采集儀、GSM信號接收中心構(gòu)成，如圖2所示。其中陶瓷頭的內(nèi)徑為2 mm，外徑為6 mm。將混凝土澆筑于PVC管中，高50 cm，預(yù)先把孔隙負(fù)壓測試探頭埋置在距表面5，20，30 cm和45 cm處。

孔隙負(fù)壓的測試原理為將充滿水且密封的陶瓷頭插入混凝土中，陶瓷頭中的水膜與水泥砂漿中的水分連接，達(dá)到最初平衡。當(dāng)泌水速率小于水分的蒸發(fā)速率時，水泥砂漿表層水分呈不飽和狀態(tài)（即干燥開始），與儀器中的水勢不相等，水便由水勢高處通過陶瓷頭向水勢低處流動，直至兩個系統(tǒng)的水勢平衡為止。由于儀器是密封的，在儀器中便產(chǎn)生真空度或吸力，這就是水泥砂漿的孔隙負(fù)壓?？紫敦?fù)壓的產(chǎn)生意味著水泥砂漿干燥開始。

2 塑性開裂評價方法

2.1 大板開裂試驗

對空白、摻MgO膨脹劑和摻纖維3種混凝土分別進(jìn)行大板開裂試驗，試驗結(jié)果如表1和圖3所示。由圖3可看出，空白混凝土出現(xiàn)的裂縫最多，摻纖維混凝土出現(xiàn)的裂縫最少。由表1可知，空白混凝土單位面積上裂縫條數(shù)最多且總裂縫面積最大達(dá)到904 mm2;摻纖維混凝土單位面積上的裂縫條數(shù)僅有4條，單位面積總開裂面積僅有33 mm2，說明纖維對于混凝土塑性開裂的抑制作用顯著。

從大板混凝土試驗結(jié)果可知，該試驗可直接獲知混凝土塑性裂縫的情況，測得混凝土出現(xiàn)的裂縫條數(shù)及裂縫面積，從宏觀角度上了解混凝土塑性開裂的情況及所摻抗開裂材料對裂縫的阻抗作用。然而，該方法無從得知混凝土內(nèi)部裂縫的情況。該試驗操作簡單、易于實施，便于在工程現(xiàn)場進(jìn)行模擬試驗。

2.2 面板混凝土毛細(xì)孔負(fù)壓分布

實時監(jiān)測混凝土孔隙負(fù)壓的變化，并將其控制在一定范圍內(nèi)，可有效控制塑性裂縫的發(fā)生?；炷敛煌疃忍幙紫敦?fù)壓的變化和5～45 cm范圍內(nèi)毛細(xì)孔負(fù)壓梯度的變化，如圖4所示。

由圖4可知，混凝土內(nèi)部失水速率不同。隨著時間的推移，形成明顯的濕度梯度，表層混凝土的失水速率快，孔隙負(fù)壓發(fā)展快。隨著混凝土深度的增加，失水速率降低，孔隙負(fù)壓發(fā)展較慢。由圖4（b）可以看出，混凝土的孔隙負(fù)壓梯度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，測試時間在5.2 h左右時，毛細(xì)孔負(fù)壓梯度達(dá)到最大值（約0.25 kPa/cm），說明這段時間內(nèi)，失水速率最大，最易發(fā)生塑性開裂。研究表明，水泥基材料孔隙負(fù)壓超過20～60 kPa時，極易發(fā)生開裂[5]，以20 kPa作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。距混凝土表面5 cm處、在測試時間3.85 h時，毛細(xì)孔負(fù)壓達(dá)到20 kPa，此時混凝土發(fā)生塑性開裂的風(fēng)險極大;距混凝土表面20，30 cm和45 cm處的毛細(xì)孔負(fù)壓在4.17，4.68 h和4.80 h時達(dá)到20 kPa，說明該混凝土在澆筑后3～5 h是發(fā)生塑性開裂風(fēng)險最大的階段。在毛細(xì)孔負(fù)壓梯度最大時（5.2 h），距混凝土表面5 cm和45 cm處的毛細(xì)孔負(fù)壓值相差約10 kPa，其中距混凝土表面5 cm處毛細(xì)孔負(fù)壓達(dá)到33 kPa。

2.3 面板混凝土孔結(jié)構(gòu)分析

采用壓汞法，測試1 d混凝土在不同深度處的孔隙分布，分布結(jié)果見圖5，不同深度處的孔隙參數(shù)見表2。由表2可知，距混凝土表面5，25 cm和45 cm處的孔隙率相差不大，中間孔徑均在60 nm左右;圖5中距離混凝土表面5，25 cm和45 cm處孔隙分布趨勢基本一致，存在較多10 μm以上的大孔。

直徑60 nm的毛細(xì)孔孔隙負(fù)壓約為36 kPa，與毛細(xì)孔負(fù)壓測試結(jié)束時得到的數(shù)值基本為同一數(shù)量級。因此，在分析混凝土內(nèi)部孔隙對收縮的影響時，可通過毛細(xì)孔負(fù)壓的原理進(jìn)行分析。

通過對混凝土孔結(jié)構(gòu)分析可知，毛細(xì)孔負(fù)壓試驗可分析混凝土內(nèi)部孔隙對塑性收縮的影響。雖然該試驗不能在宏觀角度直接得知塑性開裂的情況，但可在微觀角度分析混凝土塑性開裂的潛在風(fēng)險。

2.4 面板混凝土微觀分析

對1 d混凝土進(jìn)行掃描電鏡分析和能譜分析，測試結(jié)果見圖6。由圖6（a）可以看出，混凝土水化1 d內(nèi)部孔洞較多，表明混凝土結(jié)構(gòu)不密實，強(qiáng)度亦較低;圖6（b）中有少量未反應(yīng)的粉煤灰;圖6（c）放大倍數(shù)為10 000倍，可以看到在混凝土內(nèi)部存在大量針棒狀晶體物質(zhì);根據(jù)圖6（d）能譜分析的結(jié)果可知產(chǎn)物中含有Ca、Si、Al、S和O等元素，結(jié)合圖6（c）的晶體形貌，可知水化產(chǎn)物主要為鈣礬石和水化硅酸鈣。其中，O含量較高說明產(chǎn)物中可能含有較多的結(jié)合水，與混凝土孔結(jié)構(gòu)分析中存在較多大孔的結(jié)果相一致。

3 結(jié) 語

由于面板混凝土表面積大，塑性階段易失水引起收縮，導(dǎo)致其發(fā)生塑性開裂的機(jī)率增大。常用的大板開裂試驗可在宏觀角度測得混凝土塑性開裂的情況，如裂縫條數(shù)、裂縫面積等;毛細(xì)孔負(fù)壓試驗在微觀角度得知混凝土內(nèi)部孔隙情況，從而了解混凝土內(nèi)部潛在的塑性開裂的風(fēng)險。結(jié)合運(yùn)用大板開裂試驗和毛細(xì)孔負(fù)壓試驗，能更加詳細(xì)了解面板混凝土塑性開裂的情況及抗開裂材料對裂縫的抑制效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 郭誠謙. 論混凝土面板堆石高壩的設(shè)計[J]. 水利學(xué)報，1993（6）：19-25.

[3] 徐澤平，鄧剛. 國際高混凝土面板堆石壩的發(fā)展概況及評價[C]//中國水力發(fā)電工程學(xué)會水文泥沙專業(yè)委員會2007 年學(xué)術(shù)年會暨高面板技術(shù)研討會論文專輯， 北京，2007：30-41.

[4] Volker Slowik， Markus Schmidt， Roberto Fritzsch. Capillary pressure in fresh cement-based materials and identification of the air entry value[J]. ?Cement Concrete Compos， 2008（30）：557.

[5] TIA M， WU C L， ARMAGHANI J M， et al. Field evaluation of rigid pavements for the development of rigid pavement design system-phasel[R]. Florida： Florida Dept. of Transp.，1986.

（編輯：唐湘茜）