基于FC材料的大體積混凝土抗裂性能提升研究

李 琳 ，彭 書 成，郭 信 鋒，勾 朝 偉

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.杜強(qiáng)華微(北京)高新材料科技有限公司，北京 101407； 3.中交二航局 第一工程有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，對大型水利工程投入不斷增加，以水泥混凝土為基礎(chǔ)建筑材料的水利工程的規(guī)模越來越大，國家對于水利工程的安全問題也愈發(fā)重視[1]。由于在澆筑過程中水泥水化釋放出的水化熱在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散發(fā)出去，大體積混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生溫度裂縫[2-4]，導(dǎo)致目前純水泥混凝土材料在抗裂性、耐久性方面還不具備大規(guī)模應(yīng)用于大體積混凝土的條件[5-6]。在施工過程中，受施工、自身結(jié)構(gòu)變形和約束、自然環(huán)境因素、溫度及濕度變化等因素的影響，混凝土表面裂縫問題成為了水工大體積混凝土中的通病[7-8]。裂縫引發(fā)水工結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋腐蝕，造成鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性、抗疲勞及抗?jié)B能力降低，影響建筑物外觀及使用壽命[9-10]。

纖維混凝土具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、阻裂、耐沖擊、耐疲勞等優(yōu)點[11-12]?？捎糜谒こ痰睦w維混凝土主要有鋼纖維混凝土和聚丙烯、聚丙烯晴、聚酰胺纖維、碳素纖維等合成纖維混凝土[13-14]。其中鋼纖維混凝土主要應(yīng)用于防滲面板，如青島市曉望水庫、三峽電廠臨時船閘壩段；合成纖維混凝土主要應(yīng)用于水工建筑物，如都江堰市城區(qū)河段二號攔河閘、寧波市澥浦閘站。在科學(xué)細(xì)致的施工保障下，纖維混凝土不僅避免了混凝土干縮裂縫的出現(xiàn)，還克服了因天氣溫差產(chǎn)生的裂縫病害，提高了工程質(zhì)量。

目前，國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用的纖維材料種類較多。采用何種纖維材料既能方便施工，又能夠有效防止大體積混凝土裂縫，提升混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量、延長使用壽命，同時優(yōu)化水工結(jié)構(gòu)斷面，節(jié)省建設(shè)投資和后期維護(hù)費用是今后研究的重點。

超高強(qiáng)改性聚酯合成纖維和超細(xì)晶陶瓷復(fù)合材料(以下簡稱FC材料)具有高強(qiáng)度、高模量與高抗堿等優(yōu)良特性，已成功應(yīng)用于公路、機(jī)場跑道與橋梁建設(shè)等領(lǐng)域[15-16]。FC材料的高抗拉強(qiáng)度、高模量及低斷裂延伸率，使其在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微筋作用，可阻止混凝土表面裂縫的產(chǎn)生；高抗堿性使纖維在混凝土堿骨料中強(qiáng)度基本不變，在普通混凝土中運用也不會改變其性能。FC材料長徑比雖大，但因具有高分散性，能夠保證在混凝土攪拌過程中分布均勻、不結(jié)團(tuán)、不纏繞，建立多維結(jié)構(gòu)[17-18]。FC材料的第五代產(chǎn)品已先后應(yīng)用于興城機(jī)場、博鰲論壇、蘇通大橋橋塔等約90項國家重點工程中，特別是在高鹽堿、高海撥、高腐蝕及高寒、高溫差的地區(qū)，摻加FC材料后，混凝土抗裂性能依舊顯著。

本文結(jié)合鄂州市花馬湖二站大型排澇泵站工程，采用坍落度和抗裂性能為評價指標(biāo)，優(yōu)化了FC材料的摻量范圍，分析了拌和工藝對FC材料分散均質(zhì)性的影響，并采用控制澆筑層厚的方法防范了大體積混凝土發(fā)生溫度裂縫的風(fēng)險。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

使用華新水泥有限公司生產(chǎn)的“堡壘”牌P·O 42.5水泥進(jìn)行試驗，密度為3.16 g/cm3，比表面積為337 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.7%。為減少大體積混凝土的絕熱溫升，使用F類I級粉煤灰取代部分水泥，粉煤灰的密度為2.19 g/cm3，細(xì)度為5.8%，比表面積為380 m2/kg，7 d和28 d的強(qiáng)度活性指數(shù)分別為69%和76%。水泥和粉煤灰化學(xué)成分如表1所列。

表1 水泥和粉煤灰化學(xué)成分

混凝土骨料為Ⅱ區(qū)中砂人工砂和二級配碎石。人工砂細(xì)度模數(shù)為2.76，石粉含量為7.5%，表觀密度為2.67 g/cm3，飽和面干吸水率為1.62%；小石(5～20 mm)和中石(20～40 mm)的表觀密度為2.73 g/cm3，飽和面干吸水率為0.57%。

使用杜強(qiáng)公司生產(chǎn)的FC纖維改善混凝土抗裂性能。FC纖維具有強(qiáng)高模大、高韌抗堿、易分散和低延伸率的特點，性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所列。為比較纖維類型對混凝土抗裂性能的影響，同時使用聚乙烯醇(PVA)纖維、耐堿玻璃(GF)纖維進(jìn)行試驗。

表2 FC纖維的性能指標(biāo)

為改善混凝土拌和物和易性能，使用緩凝型PCA-1聚羧酸高性能減水劑進(jìn)行試驗，同時添加GYQ-1引氣劑調(diào)整混凝土的孔結(jié)構(gòu)特性。引氣劑使用前需加水稀釋，稀釋倍數(shù)為100。同時，為保障混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B能力，分別使用增強(qiáng)劑和防水劑。

1.2 配合比

選用C30強(qiáng)度等級的混凝土進(jìn)行試驗，水膠比為0.42，砂率為42%，粉煤灰摻量為13%，增強(qiáng)劑摻量為1%，防水劑摻量為4%，減水劑摻量為1.74%，引氣劑摻量為0.008%。混凝土中各原材料的用量如表3所列，小石和中石的質(zhì)量比為55∶45。

表3 混凝土配合比和材料用量

同時，為考察FC纖維摻量對混凝土工作性和抗裂性能的影響，調(diào)整FC纖維摻量為0.5～1.6 kg/m3。采用字母和數(shù)字的形式對各試驗組進(jìn)行編號，如FC12表示纖維類型為FC纖維，纖維摻量為1.2 kg/m3。未摻纖維對比組用CR00表示。

1.3 試驗方法

采用平板法對混凝土早期抗裂性能進(jìn)行試驗，平板試模的尺寸為600 mm×600 mm×63 mm，周邊布有L形鋼筋網(wǎng)提供約束，內(nèi)部底面鋪雙層聚乙烯薄膜作為隔離層。試驗前采用濕篩法剔除拌和物中粒徑大于20 mm的骨料，并控制環(huán)境溫度為(20±2) ℃，相對濕度為60%±5%。試驗步驟和參數(shù)計算方法見SL/T 352-2020《水工混凝土試驗規(guī)程》。裂縫降低系數(shù)按公式(1)計算。

(1)

式中：Amcr為對比組單位面積上的總開裂面積，mm2/m2；Aicr為試驗組單位面積上的總開裂面積，mm2/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維類型對混凝土抗裂性能的影響

纖維類型和摻量對裂縫降低系數(shù)的影響如圖1所示?；炷亮芽p降低系數(shù)隨纖維摻量的增加而增大，如PVA纖維摻量從1.5 kg/m3增加至3.0 kg/m3時，混凝土裂縫降低系數(shù)從76.9%增大至100%；而GF纖維的摻量從2.0 kg/m3增加至4.0 kg/m3時，裂縫降低系數(shù)從59%增大至100%，說明使用纖維可有效緩解混凝土的早期開裂情況，降低混凝土水化早期的開裂敏感性。這主要與纖維的增強(qiáng)增韌和限裂阻裂作用有關(guān)。

圖1 纖維類型和摻量對裂縫降低系數(shù)的影響

從圖1中可以看出：纖維類型對裂縫降低系數(shù)有影響，相近裂縫降低系數(shù)時的纖維摻量差別較大。如FC纖維在摻量為1.4 kg/m3時，混凝土裂縫降低系數(shù)為80.4%；PVA纖維在摻量為1.5 kg/m3時，裂縫降低系數(shù)為76.9%；而GF纖維在摻量為2.0 kg/m3時，裂縫降低系數(shù)僅為59%。這說明FC纖維對混凝土抗裂性能的改善能力優(yōu)于PVA纖維和耐堿玻璃纖維，這可能與FC纖維自身的力學(xué)性能和尺寸特征有關(guān)，與混凝土基體與纖維的結(jié)合面特性也有影響。

2.2 FC纖維摻量對混凝土抗裂性能的影響

FC纖維摻量對混凝土裂縫參數(shù)的影響如圖2所示，其中FC14和FC16試驗組在觀測周期內(nèi)均未發(fā)生開裂。整體上，混凝土裂縫參數(shù)隨FC纖維摻量的增加而減小，裂縫降低系數(shù)不斷增大，并在FC纖維摻量超過1.4 kg/m3后達(dá)到80%以上。如CR00試驗組每條裂縫的平均開裂面積和單位面積上的裂縫數(shù)目分別為95.3 mm2/條和353條/m2，F(xiàn)C10試驗組為35.0 mm2/條和309條/m2，裂縫參數(shù)的降低幅度分別為63.3%和12.5%，說明摻入FC纖維能夠提高混凝土的抗裂能力，這與2.1節(jié)的研究結(jié)論相一致。

圖2 FC纖維摻量對混凝土裂縫參數(shù)的影響

從圖2中可以看出：FC纖維對混凝土抗裂性能的提升幅度與摻量有關(guān)。在纖維摻量為0～1.4 kg/m3時，隨著FC纖維摻量的增加，混凝土裂縫數(shù)量持續(xù)減小，裂縫降低系數(shù)不斷增加；而摻量超過1.4 kg/m3后，混凝土早期裂縫消失，裂縫降低系數(shù)達(dá)到100%，此時繼續(xù)提高FC纖維摻量的經(jīng)濟(jì)性下降，表明FC纖維的作用效果與單位體積內(nèi)的數(shù)量有關(guān)，這符合纖維間距理論的規(guī)律。

2.3 FC纖維摻量對混凝土坍落度的影響

基于FC纖維摻量對混凝土抗裂性能的試驗結(jié)論，調(diào)整纖維摻量為0.5～1.4 kg/m3，進(jìn)一步研究FC纖維摻量對混凝土坍落度的影響，結(jié)果如圖3所示?；炷撂涠入SFC纖維摻量的增加而降低，兩者間呈較好的曲線關(guān)系。如FC纖維摻量從0.5 kg/m3增加至1.4 kg/m3時，混凝土的坍落度從235 mm減小至180 mm，期間FC纖維摻量增加了1.8倍，坍落度減少了23.4%。因此，考慮現(xiàn)場混凝土澆筑的施工要求，需要對FC纖維的摻量進(jìn)行限制。

圖3 FC纖維摻量對混凝土坍落度的影響

FC纖維對混凝土坍落度的影響主要與拌和物中自由水含量減少、膠凝材料顆粒的表面水膜厚度降低、以及纖維相互搭接導(dǎo)致流動阻力增大有關(guān)。自由水含量的減少程度與纖維吸附特性和表面性能有關(guān)，纖維材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、表面微結(jié)構(gòu)等因素都對纖維的吸附特性有影響，而膠凝材料顆粒表面水膜厚度降低后，導(dǎo)致水膜的潤滑能力下降，顆粒間的距離減小，流動發(fā)生時顆粒間的摩阻增大。綜合FC纖維對混凝土抗裂性能和坍落度影響的試驗結(jié)果，推薦FC纖維摻量為1.1～1.4 kg/m3。

2.4 FC纖維的現(xiàn)場施工性能

花馬湖二站大型排澇泵站工程是FC材料在水工大體積混凝土中的首次應(yīng)用，該工程位于鄂州市燕磯鎮(zhèn)路牌村，為花馬湖上排區(qū)的骨干排水泵站，主泵房底板厚1.20～1.65 m，墩墻厚度1.00～2.40 m，為典型的水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫防治問題突出。同時，泵站結(jié)構(gòu)開裂后的修復(fù)難度和成本很高，在水泵抽水強(qiáng)大的水壓力和沖刷力作用下，修復(fù)位置仍易重新開裂[19-20]。因此，在該項目中提出了使用FC纖維的技術(shù)方案，設(shè)計在主泵房、出水流道等重要部位的混凝土中摻入FC纖維(1.2 kg/m3)。

FC材料以人工投料的方式摻入混凝土粗骨料中，通過原料傳輸履帶與粗骨料一起投入拌和樓，機(jī)械連續(xù)攪拌70 s后出料。通過機(jī)械攪拌、施工振搗，摻加的FC材料未出現(xiàn)纏繞并絲現(xiàn)象，95%以上分散均勻。

泵送混凝土要求坍落度為(180±20) mm，到達(dá)現(xiàn)場的混凝土坍落度(160±20) mm，如圖4所示，具備較小的泌水性。混凝土采用天泵澆筑，在澆筑過程中除應(yīng)控制混凝土澆筑速度外，還要嚴(yán)格控制混凝土的分層厚度，按“分層澆筑、分層振搗、階梯推進(jìn)”的澆筑方法施工。混凝土下料分層厚度控制在40 cm以內(nèi)，沿底板長度方向向后推進(jìn)，并應(yīng)在下層混凝土初凝前完成上層混凝土的澆筑。

圖4 現(xiàn)場混凝土坍落度測試

在FC材料混凝土澆筑30 d后，對泵站主泵房底板混凝土進(jìn)行澆水測試，未見裂紋。后續(xù)再次對花馬湖泵站工程混凝土進(jìn)行澆水測試，結(jié)果顯示使用了FC材料的混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫(見圖5)。

圖5 花馬湖二站主泵房下部大體積混凝土

3 結(jié) 語

對于花馬湖二站大型排澇泵站工程，混凝土中FC材料最佳摻量為1.2 kg/m3。FC材料先摻入混凝土粗骨料中，隨傳輸履帶與粗骨料一起投入拌和樓，通過機(jī)械連續(xù)攪拌70 s后出料澆筑、施工振搗，摻加的FC材料能避免纏繞并絲，95%以上分散均勻。FC材料混凝土可用于泵送澆筑，在澆筑過程應(yīng)控制澆筑速度和分層厚度40 cm以內(nèi)，按“分層澆筑、分層振搗、階梯推進(jìn)”的澆筑方法施工。

摻入FC材料的水工大體積混凝土抗裂性能得到顯著改善，提高了耐久性，推遲了維修和重建的時間，從而節(jié)省了大量的維護(hù)重建費用。因此，F(xiàn)C材料在水利工程建設(shè)中具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價值和廣闊的市場應(yīng)用前景。