土石壩面板表層高性能混凝土抗干縮性能試驗研究

張憲南

(桓仁滿族自治縣農業(yè)發(fā)展服務中心，遼寧 桓仁 117200)

1 研究背景

土石壩是一種歷史悠久的大壩壩型，具有材料易獲取、結構簡單、施工方便等諸多優(yōu)勢，但是也存在壩身不能直接溢流、防滲性能差等不足。因此，在土石壩建設過程中往往需要在其表面增加一層混凝土面板，防止入滲水流對大壩安全的不利影響[1]。超高性能混凝土(UHPC)水灰比相對較低，主要由硅灰、石英砂、減水劑和纖維組成，一般具有較強的力學性能和韌性，對解決混凝土面板表層抗溶蝕問題具有十分重要的意義，因此成為土石壩混凝土面板表面保護層的重要選擇，在混凝土面板施工中具有廣泛的應用[2]。

由于UHPC混凝土含有較高比例的膠凝成分，且水灰比較低，因此和普通混凝土相比具有更大的自收縮比[3]。為了解決這一問題，國內外學者在該領域進行了廣泛而深入的理論和實踐探索，并提出了一系列改善UHPC自收縮性的方式，就目前的研究成果來看，主要是在混凝土中添加膨脹劑、減縮劑、纖維等方式[4]。但是，就目前的研究現(xiàn)狀來看，并沒有針對上述3種材料在控制混凝土自收縮效果方面的橫向比較?；诖?，此次研究以上述3種材料的摻量為主要變量展開試驗研究，以期為UHPC混凝土在土石壩面板施工中的應用提供必要的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

在面板混凝土施工過程中適宜采用水化熱較低、活性較高的水泥，其主要技術指標應該符合國家的相關標準[5]。此次研究中選用的是大連市水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積大于360m2/kg，初凝時間150min、終凝時間為210min，28d抗壓和抗折強度分別為49.0和9.2MPa。

為提高面板混凝土在施工過程中的和易性，減少施工過程中水化熱的釋放，在拌合料中摻入一定量的粉煤灰和硅灰。試驗中選擇的是大連華能熱電廠生產(chǎn)的國家II級粉煤灰，其燒失量不大于8%。蓄水比不大于105%，相關指標滿足國家要求；試驗中的硅灰為河北科旭公司出品的微硅灰，其容重為1600kg/m3。

試驗中使用的細骨料為普通天然河沙，其細度模數(shù)在2.60～2.80之間，粗骨料為人工石英砂巖碎石，其表觀密度為2550kg/m3，粒徑范圍為5～15mm。

試驗用外加劑為大連建筑科學院研制的DK-5型低引氣高效復合減水劑，可以有效減水15%～18%，同時還具有一定的超塑化性能，可以顯著改善碾壓混凝土的和易性；試驗用膨脹劑為新一代HCSA膨脹劑；試驗用減縮劑為蘇博特公司生產(chǎn)的 SBT-SRA聚醚類混凝土減縮劑；試驗用纖維為天津東方建材有限公司出品的聚丙烯纖維。

試驗用水為普通自來水。

2.2 配合比設計

試驗中以相關施工規(guī)范為依據(jù)，同時參照土石壩混凝土面板的施工的工程經(jīng)驗，設計碾壓混凝土的配合比[6]。其中，水泥用量為997 kg/m3、粉煤灰用量為95 kg/m3、硅灰用量為105 kg/m3、用水量為191 kg/m3、水膠比為0.22、用砂量為700 kg/m3、骨料為1020kg/m3、減水劑摻量為1.8%。為了試驗不同的纖維、膨脹劑和減縮劑摻量對混凝土自收縮性能的影響，結合相關研究經(jīng)驗和成果，設計1%、2%、2.5% 3種不同的聚丙烯纖維摻量；2%、2.5%、3%等3種不同的減縮劑摻量以及6%、8%、10%等3種不同的膨脹劑摻量，將沒有摻加抗自收縮材料的混凝土作為對照組進行試驗研究。

2.3 試件的制作

根據(jù)研究的需要，試件制作選擇25mm×25mm×300mm的模具尺寸。混凝土材料使用HJL60型強制攪拌機攪拌成型，裝模后利用ZW-5型平板振動器振實。由于試件在制作和養(yǎng)護過程中，會不可避免的產(chǎn)生一些損傷。為了最大限度減少這些客觀因素的影響，試件制作必須嚴格按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》的要求開展。混凝土的拌制需要在室內進行，環(huán)境溫度控制在15～25℃之間[7]。在拌制過程中，首先加入水泥和粉煤灰和聚丙烯纖維攪拌2min，然后加入粗骨料和細骨料，然后再攪拌2min，最后加入其他添加劑和水攪拌5min完成。在試件裝模之前首先需要將模具內部擦拭干凈，并均勻涂刷一層有機脫模劑。然后將模具放在振搗臺的工作面上，并將拌制好的混凝土裝入模具，然后在其表面放置壓重塊并振搗成型，在用灰刀將表面抹平。在試件成型之后在靜置24h脫模，然后轉入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗齡期[8]。

2.4 試驗方法

此次試驗研究利用干燥收縮值來表征混凝土的自收縮特征。在試驗過程中每組取3個試件，利用比長儀對試件的干燥收縮進行測定。測定時首先對脫模之后的試件長度進行測量，將其作為試驗的初始長度，然后分別測量3、7、14、28和56d齡期的試件長度，將所有3個試件長度的均值作為最終試驗結果。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同齡期的干縮率。

3 試驗結果分析

3.1 纖維摻量

對1%、2%、2.5% 3種不同的聚丙烯纖維摻量的試件進行干縮試驗，根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算獲得不同纖維含量、不同齡期的試件干燥收縮率，結果如圖1所示。

圖1 不同纖維摻量干縮率隨齡期變化曲線

由圖1可知，試件的干縮率隨著齡期迅速增大之后趨于穩(wěn)定；摻加聚丙烯纖維的混凝土干縮率較對照組明顯降低，說明摻加纖維對降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果。從不同摻加量的結果對比來看，纖維摻量對降低UHPC混凝土的干縮率的效果存在明顯影響。從56d試驗數(shù)據(jù)來看，當纖維摻量分別為1%、2%、2.5%時，其干縮率分別為644、490、485 μm/m，與對照組的723 μm/m相比分別減小了10.9%、32.2%和32.9%。由此可見，當纖維摻量較小時，增加纖維摻量可以明顯提升其降低干縮率的效果，當纖維摻量較大時，再增加纖維摻量其作用效果并不明顯。因此，從控制干縮率的效果來看，聚丙烯纖維的摻量應該以2%為宜。

3.2 減縮劑摻量

對2%、2.5%、3% 3種不同的減縮劑纖維摻量的試件進行干縮試驗，根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算獲得不同減縮劑摻量、不同齡期的試件干燥收縮率，結果如圖2所示。

由圖2可知，與摻加纖維類似，試件的干縮率隨著齡期迅速增大之后趨于穩(wěn)定；摻加減縮劑的混凝土干縮率較對照組明顯降低，說明減縮劑對降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果。從不同摻加量的結果對比來看，減縮劑的摻量

圖2 不同減縮劑摻量干縮率隨齡期變化曲線

對降低UHPC混凝土的干縮率效果也存在明顯影響。從56d齡期的試驗數(shù)據(jù)來看，當纖維摻量分別為2%、2.5%、3%時，其干縮率分別為305、223、219μm/m，與對照組的723μm/m相比分別減小了57.8%、69.2%和69.7%。由此可見，適當增加減縮劑摻量可以獲得更好的干縮率控制效果，大幅增加減縮劑摻量的效果較為有限。基于此，減縮劑的最佳摻量應該在2.5%左右。

3.3 膨脹劑摻量

對6%、8%、10% 3種不同的膨脹劑摻量的試件進行干縮試驗，根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算獲得不同膨脹劑摻量、不同齡期的試件干燥收縮率，結果如圖3所示。

圖3 不同膨脹劑摻量干縮率隨齡期變化曲線

由圖3可知，在不同膨脹劑摻量條件下，試件的干縮率先迅速減小，后迅速增加并逐漸趨于穩(wěn)定。摻加膨脹劑的混凝土干縮率較對照組明顯降低，說明膨脹劑對降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果。當膨脹劑摻量為6%時，其干縮率分別為25μm/m，與對照組相比減小了96.5%，而膨脹劑摻量為8%和10%時混凝土表現(xiàn)為膨脹，特別是膨脹劑的摻量在10%的情況下，56d齡期混凝土會產(chǎn)生217μm/m的膨脹。由此可見，摻入一定量的膨脹劑可以有效抵消混凝土的干縮變形。由此可見，在抑制混凝土干縮變形方面，膨脹劑的作用最大，其次是減縮劑，最后是聚丙烯纖維。當然，膨脹劑會使UHPC產(chǎn)生膨脹，可能對其結構產(chǎn)生影響，因此其最佳摻量還需要進行進一步研究。

4 結論

此次研究通過室內試驗的方式，探討了纖維、減縮劑和膨脹劑對土石壩面板UHPC混凝土干縮性的影響，獲得的主要結論如下。

(1)摻加纖維和減縮劑對降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果，最佳摻量分別為2%和2.5%。

(2)摻加膨脹劑對降低UHPC混凝土的干縮率的效果最明顯，當摻量大于8%是可以使混凝土產(chǎn)生一定的膨脹。

(3)膨脹劑會使UHPC產(chǎn)生膨脹，可能對其結構產(chǎn)生影響，因此其最佳摻量還需要進行進一步研究。