摻不同外摻料船閘混凝土抗裂性能試驗研究

申宏波，張建峰，趙 恒

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.長江科學院 水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 前 言

某水利樞紐工程由主壩和副壩組成。工程施工使用混凝土約為700萬m3，其中船閘底板等部位混凝土澆筑倉面大，當?shù)仄骄鶜鉁貧夂虺睗駵貪?，大體積混凝土水泥水化溫升不易控制，這些因素易導致混凝土會產(chǎn)生不同程度的溫度裂縫。在水利水電工程建設中，大體積混凝土裂縫問題是影響工程結(jié)構質(zhì)量和耐久性的關鍵因素之一，嚴重的還會影響工程安全，縮短工程壽命。混凝土是典型的脆性材料，其抗拉強度遠小于抗壓強度，混凝土大壩等大型水工建筑物體積龐大，受其自身和周圍介質(zhì)溫度、濕度變化的影響以及基礎約束的作用，往往在不同部位產(chǎn)生很大的約束應力，極易產(chǎn)生裂縫。防止混凝土壩產(chǎn)生裂縫，歷來是各國壩工建設中的重大研究課題。

為了提高水工混凝土抗裂性能，應盡可能減小混凝土在水化硬化過程中的收縮變形，提高混凝土材料的抗拉強度，使混凝土具有低絕熱溫升、高抗拉強度、低收縮、低彈模、高極限拉伸特性[1]。目前水電工程常用的纖維有聚乙烯醇纖維( PVA) 、纖維素纖維、聚丙烯纖維( PP) 、聚丙烯腈纖維( PAN) 和鋼纖維等[2]。針對該水利樞紐大體積混凝土抗裂性能研究，本文研究了輕燒氧化鎂、PVA纖維和PP纖維混凝土性能的影響，揭示了不同材料對混凝土抗裂性能的影響規(guī)律，從而更好地為該水利樞紐工程建設提供技術支撐。

1 原材料與試驗方法

試驗采用廣西柳州漁峰集團有限公司生產(chǎn)的42.5中熱硅酸鹽水泥、廣西華天能環(huán)保科技開發(fā)有限公司提供的來賓電廠I級粉煤灰、武漢三源特種建材有限公司生產(chǎn)的輕燒氧化鎂(簡稱“MgO”)、江蘇能力科技有限公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維(簡稱能力PVA)和深圳維特耐新材料有限公司生產(chǎn)的維克聚丙烯纖維(簡稱維克PP)、石家莊市長安育才建材有限公司生產(chǎn)的GK-4A高效減水劑(緩凝型)、GK-9A引氣劑，骨料均取自江口天然砂礫石料場提供的天然砂巖骨料。試驗用原材料均滿足相應規(guī)程、規(guī)范要求，水泥、粉煤灰和氧化鎂的化學組成見表1。

表1 水泥、粉煤灰和硅粉的化學組成 %

試驗使用的混凝土基準配合比：二級配混凝土、水膠比0.36、混凝土單位用水量118 kg/m3、粉煤灰摻量25%、砂率32%，摻入纖維和氧化鎂后，單位用水量略有增加。混凝土的抗壓、極限拉伸值、干縮和抗裂性能的試驗方法和試驗結(jié)果處理按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)的有關規(guī)定進行。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學性能

不同MgO摻量和摻纖維的混凝土28d抗壓強度及劈拉強度見圖1，混凝土各齡期的拉壓比(劈裂抗拉強度與抗壓強度之比)結(jié)果見表2所示。由圖1和表2可以看出，相同條件下，摻入MgO后，混凝土抗壓強度和劈拉強度均有所降低，隨著MgO摻量的提高，混凝土的抗壓強度和劈拉強度呈緩慢降低的趨勢。7 d、28 d與90 d齡期混凝土劈拉強度與抗壓強度比值分別為6.3%～6.9%、5.7%～6.3%和5.7%～5.9%，平均比值分別為6.6%、6.0%和5.8%。隨著齡期增長，劈拉強度與抗壓強度比逐漸下降。摻入不同品種的纖維后，混凝土各齡期抗壓強度略有降低。摻入江蘇能力PVA纖維后，混凝土劈拉強度略有增長，但摻維克PP纖維后，劈拉強度略有降低，混凝土拉壓比有一定的提高。

圖1 摻氧化鎂和纖維混凝土抗壓強度

表2 摻氧化鎂和纖維混凝土的拉壓比

2.2 變形性能

摻MgO和纖維混凝土干縮試驗結(jié)果見圖2，自生體積變形結(jié)果見圖3。

圖2 摻MgO和纖維混凝土干縮率

圖3 摻MgO混凝土自生體積變形曲線

試驗結(jié)果表明：相同水灰比和原材料品質(zhì)的條件下，隨著MgO摻量的提高，混凝土的混凝土的干縮變形有一定程度減小。隨著MgO摻量的增加，混凝土的干縮率有降低的趨勢。摻MgO的混凝土自生體積變形呈現(xiàn)正值，表明混凝土呈現(xiàn)膨脹狀態(tài)。輕燒MgO是利用補償收縮原理，在約束條件下由提前膨脹產(chǎn)生的預壓應力來補償收縮，從而達到消除或減少裂縫的目的。氧化鎂在水化過程中產(chǎn)生的膨脹變形，表現(xiàn)出一種獨特的“延遲性”，可利用這種延遲性膨脹來抵消部分的溫度收縮變形、干燥收縮變形，使混凝土總體變形收縮量減小，這對混凝土的防裂、抗裂是有利的。摻入不同品種的纖維后，同等條件下混凝土干縮變形減小，且對混凝土早齡期干縮的抑制效果更顯著，但不同纖維品種之間的差異不明顯。

2.3 早期開裂性能

摻MgO和纖維混凝土平板法抗裂試件的試驗結(jié)果見表3，平板法試件的開裂參數(shù)見表4。試驗結(jié)果表明： MgO對改善混凝土塑性階段的抗裂性作用不大。摻入不同品種的纖維后，減小了平板裂縫的數(shù)目和面積，降低了最大裂縫寬度，但平板抗裂等級并沒有提高，說明纖維在混凝土塑性階段，對抗裂有一定的改善作用。主要是因為纖維在混凝土中的亂向分布，一方面，可以抑制混凝土顆粒的下沉，從而減少混凝土中水溢出形成的毛細通道，減少泌水現(xiàn)象，可以有效抑制混凝土的塑性開裂；另一方面，當混凝土出現(xiàn)開裂時，一部分荷載轉(zhuǎn)移到纖維，使混凝土呈現(xiàn)出較高的延性，有效抑制混凝土的早期開裂。

表3 摻MgO和纖維混凝土平板法抗裂試件的試驗結(jié)果

表4 摻MgO和纖維混凝土平板法試件的開裂參數(shù)

2.4 摻MgO水泥膠凝材料的壓蒸穩(wěn)定性研究

由于水泥熟料中的MgO含量不超過5%，超過時應通過壓蒸試驗后可放寬到6%。MgO混凝的膠凝材料是由水泥及摻和料組成，故MgO的摻量采用膠凝材料總量為基數(shù)進行計算。摻量過高有可能引起混凝土粉化破壞，雖然在研究過程中，當MgO摻量達到8%時，壓蒸試驗仍滿足要求，但因研究時間較短，為慎重起見，當MgO極限摻量超過膠凝材料用量的5%時，仍應進行壓蒸試驗，以確定其安定性。

《水工混凝土摻用氧化鎂技術規(guī)范》(DL/T 5296—2013)中也提出了摻MgO混凝土安定性試驗方法，通過將試件豎放在預先加熱至80℃±2℃的養(yǎng)護箱里養(yǎng)護，養(yǎng)護至60d齡期，安定性的評價指標為：①混凝土膨脹率小于等于0.060%；②摻MgO混凝土的劈裂抗拉強度與基準混凝土的劈裂抗拉強度之比不小于0.85；③混凝土無彎曲或龜裂。

膠凝材料壓蒸安定性試驗結(jié)果見表5，砂漿壓蒸安定性的試驗結(jié)果見表6，摻MgO混凝土的安定性見表7。

表5 膠凝材料壓蒸安定性試驗結(jié)果

表6 摻氧化鎂砂漿壓蒸安定性試驗結(jié)果

表7 摻氧化鎂混凝土安定性試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出：摻入氧化鎂后，產(chǎn)生膨脹作用，使得膠凝材料的壓蒸膨脹率增大。且試驗發(fā)現(xiàn)氧化鎂摻量越高，試件膨脹得越厲害，砂漿膨脹率和混凝土膨脹率也隨之增大，但劈拉強度比逐漸降低。當MgO摻量不超過5%時，影響較小，超過5%時，影響較大。砂漿試件壓蒸膨脹率均未超過0.5%，表明摻6%的輕燒MgO砂漿安定性合格。當MgO摻量小于6%時，混凝土膨脹率都小于0.060%，摻MgO混凝土的劈裂抗拉強單獨與基準混凝土的劈裂抗拉強度之比也都大于0.85。

3 結(jié) 論

1)摻入MgO后不改變混凝土的水化放熱特性和水化進程，但會使混凝土各齡期的強度及極限拉伸值略有降低。MgO在水化過程中產(chǎn)生的體積膨脹可以部分補償混凝土的干縮變形，對混凝土自生體積收縮變形補償作用明顯。使摻MgO混凝土的干縮率低于基準混凝土，并使混凝土呈微膨脹變形。

2)單摻PVA或PP纖維，混凝土7 d、28 d齡期強度略有降低，各齡期極限拉伸值略有提高，混凝土自生體積收縮變形趨勢不變，纖維對混凝土早期塑性開裂有一定抑制作用。

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