增強面板混凝土抗裂性能技術(shù)研究

吳文博，趙坤龍，樊李浩

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西省西安市 710100）

0 引言

混凝土面板堆石壩的適應(yīng)性、安全性、經(jīng)濟性與其他壩型相比有著很大的優(yōu)勢，但面板的薄層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其易產(chǎn)生裂縫，壩體變形過大導(dǎo)致面板結(jié)構(gòu)性裂縫和擠壓破壞，部分地區(qū)氣候條件惡劣，對面板的抗裂性能有更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

從面板裂縫產(chǎn)生的機理研究，一方面改進(jìn)施工工藝、加強后期養(yǎng)護(hù)，對防止混凝土早期裂縫效果明顯，在混凝土中使用性能優(yōu)良的摻合料和外加劑，能夠很好地增強混凝土面板的各項性能，增加面板混凝土的拉伸強度和極限拉伸值，降低產(chǎn)生早期裂縫的風(fēng)險，減小混凝土收縮并提高耐久性，對混凝土各方面性能有著顯著影響。在實際施工過程中，混凝土面板的早期開裂受施工現(xiàn)場條件等多種因素影響，如養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境溫濕度、原材料品質(zhì)（水泥、骨料、外加劑、摻合料等）。從原材料方面采取技術(shù)措施預(yù)防面板混凝土早期抗裂的方法通過降低其早期收縮，提高拉伸強度，可以采取摻纖維阻裂，摻膨脹劑補償混凝土硬化后產(chǎn)生的收縮變形等手段。

有相關(guān)人員研究了各類摻和料對混凝土抗裂性能的影響，如喻幼卿研究了WHDF對改進(jìn)面板混凝土抗裂性能的研究[1]，丁琳等人研究了鋼纖維混凝土抗裂性能[2]，李家正等人研究了面板裂縫的成因，發(fā)現(xiàn)混凝土中摻入高彈模的聚乙烯醇纖維能夠控制早期干燥收縮裂縫[3]，呂興棟等研究了防滲抗裂劑和PVA纖維對混凝土抗裂性能的影響[4]，徐程勇等研究發(fā)現(xiàn)纖維素纖維對混凝土后期抗?jié)B及抗裂有明顯作用[5]，戈雪良研究了聚丙烯纖維對混凝土抗凍和抗裂性能的影響[6]，但沒有系統(tǒng)的研究增密劑及纖維對混凝土抗裂性能和力學(xué)性能的綜合影響來評價其效果，本文結(jié)合200m級混凝土面板堆石壩，尤其在陡峭的峽谷中修建高面板堆石壩，對面板抗裂要求更高[7]。研究了不同摻合料和外加劑對混凝土力學(xué)及抗裂性能的綜合影響。

1 工程概況

工程裝機容量750MW，水庫正常蓄水位1700.00m?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?707.00m，最大壩高247.00m，壩體填筑總量2193萬m3。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸岸邊，為地面廠房，主廠房內(nèi)布置有3臺單機容量250MW發(fā)電機組。該地區(qū)月平均風(fēng)速1.3m/s，各月最大風(fēng)速29m/s，平均日照數(shù)2732.6h，多年年平均氣溫11.5℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-22.0℃，多年平均降水量129.5mm。

2 試驗研究

2.1 試驗原材料

本次試驗水泥采用新疆阿克蘇水泥廠生產(chǎn)的青松牌42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用新疆庫車電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，外加劑為WHDF抗裂增密劑，纖維采用纖維素纖維，親水性能好。砂石骨料天然砂細(xì)度模數(shù)2.50，屬Ⅱ區(qū)中砂，粗骨料為5～20mm和20～40mm級配碎石。

2.2 試驗配合比

本次試驗采用配合比見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

2.3 力學(xué)性能研究

由于面板結(jié)構(gòu)和在壩體中的特殊作用，其不可避免要承受一定程度的拉力，極限拉伸值和軸向拉伸強度對面板的抗裂性能影響顯著，具有較大極限拉伸值和軸向拉伸強度的混凝土面板有更強的抵抗拉伸破壞和適應(yīng)變性的能力。面板混凝土力學(xué)試驗結(jié)果見表2。

表2 面板混凝土力學(xué)性能Table 2 face concrete Mechanical Propertie

由表2可知，只摻WHDF增密劑后，混凝土極限拉伸值和軸拉強度都提升了8%左右，拉伸和壓縮彈模降低7%左右，強度增加15%；單摻纖維素纖維后混凝土極限拉伸值增加18%，軸拉強度增加8%，軸拉和靜壓彈模降低5%，抗壓強度沒有明顯變化；復(fù)摻WHDF與纖維素纖維后，極限拉伸值增加19%，軸拉強度增加16%，軸拉彈模和靜壓彈模沒有明顯變化，抗壓強度增加14%。

混凝土是一種混合材質(zhì)的非均質(zhì)脆性材料，由于骨料的形狀為多棱角，在骨料與骨料結(jié)合部位及骨料與膠材結(jié)合部位，在各組分結(jié)合部位很容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，成為產(chǎn)生裂縫的薄弱點，而纖維素纖維均勻分布在混凝土內(nèi)部，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生裂縫時能夠起到傳遞荷載的作用，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力場更加均勻和連續(xù)，使混凝土應(yīng)力集中這一特點得到很大改善[8]。

在混凝土的力學(xué)性能中，抗壓強度和拉伸強度主要依靠骨料的表面和水泥漿體的黏接強度，纖維素纖維的添加提高了混凝土受拉力的均勻性，阻止或減少混凝土內(nèi)部裂縫的生成和發(fā)展，對水泥石和骨料結(jié)合面的影響較小，添加纖維后混凝土抗壓強度沒有明顯的變化，壓縮和拉伸彈性模量略有降低；這是由于纖維在混凝土中各個方向均勻分布，在受拉應(yīng)力時能夠均勻地傳遞應(yīng)力，使應(yīng)力場分布更加均勻，類似于混凝土的加筋原理，在受到拉力作用時，眾多的纖維能夠承受一部分拉應(yīng)力，減小了水泥漿體及漿體與骨料接觸面承受的拉應(yīng)力。

WHDF增密劑能夠促進(jìn)水泥水化，激活混凝土中摻合料和水泥中的活性成分，與氫氧化鈣進(jìn)行二次反應(yīng)，從而增加混凝土中膠凝量，降低內(nèi)部細(xì)小的封閉孔隙比例，提高水泥漿體和骨料結(jié)合面的黏接強度從而增強混凝土抗裂性能的作用[9]。

2.4 抗裂性能研究

混凝土抗裂性能試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），對試件進(jìn)行在約束條件下的早期抗裂性能試驗，試驗?zāi)＞咭妶D1。這種誘導(dǎo)開裂方法的優(yōu)勢在于能誘導(dǎo)混凝土試件更快產(chǎn)生裂縫，且裂縫位置可提前預(yù)測，便于觀察，操作相對簡單而應(yīng)用范圍較廣，能夠定量分析混凝土早期抗裂性能[10]。

圖1 混凝土抗裂實驗裝置（單位：mm）Figure 1 Concrete crack resistance test device（unit：mm）

為了系統(tǒng)了解WHDF增密劑和RS1000纖維素纖維對面板混凝土抗裂效果的影響程度，分別進(jìn)行基準(zhǔn)，單摻WHDF增密劑、單摻RS1000纖維素纖維、復(fù)摻WHDF增密劑和RS1000纖維素纖維等面板混凝土抗裂試驗。試驗時，骨料的最大粒徑不超過31.5mm，新拌混凝土裝入試模振搗抹平后，使風(fēng)扇風(fēng)，向平行于裂縫誘導(dǎo)器，使試件正上方100mm處風(fēng)速為（5±0.5）m/s，試驗環(huán)境為：溫度（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%[11]。

各編號配合比抗裂試驗結(jié)果見表3和圖2，裂縫分布情況見圖3。

圖2 面板混凝土抗裂試驗結(jié)果Figure 2 face concrete Mechanical Propertie test results

圖3 面板混凝土裂縫分布Figure 3 Crack distribution of face concrete

表3 面板混凝土抗裂試驗結(jié)果Table 3 face concrete Mechanical Propertie test results

根據(jù)試驗結(jié)果分析：WHDF增密劑對混凝土早期減少裂縫條數(shù)作用不明顯，但能夠顯著減少裂縫面積，減裂率達(dá)到23%，且單條裂縫寬度減小，長度明顯變短，能夠降低裂縫的等級和危害性。單摻纖維對減少混凝土早期裂縫比單摻WHDF效果好，摻纖維后，裂縫寬度顯著降低，裂縫數(shù)量能夠降低40%，減裂率能夠達(dá)到38%，雙摻增密劑與纖維減裂效果好，裂縫長度變短，裂縫寬度減小，裂縫數(shù)量降低20%，減裂率能夠達(dá)到46%。其作用大小順序為：WHDF+RS1000雙摻＞RS1000單摻＞W(wǎng)HDF單摻。根據(jù)抗裂原因機理分析，由于聚丙烯纖維抗拉強度達(dá)200～300MPa，彈性模量3400～3500MPa，細(xì)小的纖維在混凝土內(nèi)形成微加筋作用，能夠有效地減小收縮和裂縫的發(fā)生，能夠使裂縫細(xì)微化，使其對工程無害或者少害。

纖維的阻裂機理分兩種情況，微裂縫長度大于纖維間距時，纖維將跨越裂縫，起到傳遞荷載的作用，使混凝土內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)和均勻，使微裂縫尖端的應(yīng)力集中得以鈍化，約束了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。纖維在與混凝土協(xié)同變形的過程中可以承擔(dān)一部分荷載[12]，微裂縫長度小于纖維間距時，纖維將迫使裂縫改變方向，或使其跨越纖維形成更微細(xì)的裂縫場，裂縫可以得到細(xì)化，而且能顯著增大微裂縫擴展的能量消耗。

3 結(jié)束語

（1）混凝土添加WHDF增密劑后，對混凝土前期裂縫條數(shù)減少效果不明顯，但能夠減小裂縫的寬度與長度，減裂率達(dá)到23%。由于添加WHDF增密劑后，促進(jìn)水泥水化，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而增加了抗壓強度增加15%、軸拉強度增加8%，極限拉伸值增加8%。

（2）添加纖維后能夠改善混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，緩解混凝土結(jié)構(gòu)臨界破壞狀態(tài)粗細(xì)骨料接觸面部位的應(yīng)力集中，促進(jìn)應(yīng)力重分布，從而抵抗裂縫的產(chǎn)生，增加極限拉伸值和極限拉伸強度，按推薦摻量添加纖維后減裂率達(dá)38%，極限拉伸值增加18%，軸拉強度增加8%。

（3）復(fù)摻WHDF增密劑與纖維后，混凝土力學(xué)性能指標(biāo)及抗裂性能均有明顯提升，極限拉伸增加19%，軸拉強度增加16%，強度增加14%。

通過試驗研究表明WHDF與纖維的復(fù)合添加對面板的綜合性能有明顯的改善，能夠有效阻止面板初期裂縫產(chǎn)生，強度和極限拉伸值的提高同時也增強了面板后期抵抗變形的能力，但并沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢疊加效應(yīng)。由于試驗條件限制，復(fù)雜氣候條件面板混凝土裂抗裂技術(shù)難度大[13]。

本文沒有進(jìn)行工程實際最不利工況下的抗裂性能試驗，但在一般情況下對工程選擇面板混凝土采取防裂措施有一定指導(dǎo)意義，堆石壩面板一般呈現(xiàn)雙向拉壓的復(fù)雜受力狀態(tài)[14]，因此以后在面板施工過程中要重點研究面板混凝土的拉伸和抗裂性能，并通過合理選擇混凝土原材料及摻合料增強面板的抗裂性能[15]。