防裂抗?jié)B復(fù)合材料在高蒸發(fā)地區(qū)水利工程的應(yīng)用

楊 林，徐 然，陳學(xué)理，楊炳勇

(1.江河安瀾工程咨詢有限公司，河南 鄭州 450000；2.江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226500；3.不二新材料科技有限公司，江蘇 南通 226500)

混凝土的收縮開裂，主要是由膠材漿體的收縮開裂造成的。收縮包括塑性收縮、干縮、自收縮、溫收縮和碳化收縮等[1-3]。溫度裂縫的主要原因是混凝土內(nèi)外部較大的溫差造成的[4]。大體積混凝土在施工過程中很容易出現(xiàn)由于溫差和收縮引起的變形，而這種變形常受到內(nèi)部或外部約束，產(chǎn)生一定的應(yīng)力，一旦超過混凝土本身的抗變形能力，會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響混凝土的質(zhì)量[5]。這在我國西北高蒸發(fā)地區(qū)尤為嚴(yán)重。

混凝土的耐久性與抗裂能力緊密相關(guān)[6-10]。由于環(huán)境、變形和荷載的因素，結(jié)構(gòu)在剛剛建設(shè)完成就易出現(xiàn)不同程度、不同形式的早期裂縫[8]。裂縫的存在不僅影響建筑物外觀，如果裂縫沒有得到有效控制，在使用過程中，外界物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部后，將與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土和鋼筋直接發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，大大降低結(jié)構(gòu)的耐久性[11]。

何家溝水庫位于寧夏固原市原州區(qū)黃鐸堡鎮(zhèn)何家溝村，是固原市黃河水調(diào)蓄工程的調(diào)節(jié)水庫，是實(shí)現(xiàn)和保障整個(gè)工程供水的核心。何家溝水庫控制流域面積10.9km2，最大壩高58m，主壩壩頂軸線長495m，該水庫設(shè)計(jì)為碾壓式均質(zhì)土壩。設(shè)計(jì)總庫容997萬m3，校核洪水總量71萬m3，為小型水庫。主要由主壩及入庫、出庫輸水建筑物組成。采用混凝土面板作為壩體主要防滲措施。工程地處西北高蒸發(fā)地區(qū)，面板混凝土抗裂控制難度很大。

防裂抗?jié)B復(fù)合材料是高功能粉體與改性合成纖維為主要原料復(fù)合而成的一種新型防裂抗?jié)B復(fù)合材料[12-13]。其通過優(yōu)質(zhì)合成纖維的“橋接效應(yīng)”，有效降低早期塑性開裂，提高整體體積穩(wěn)定性；高功能粉體材料能有效降低混凝土的水化溫升，降低溫度峰值8～10℃，延緩峰值出現(xiàn)時(shí)間10～12h，從而減少因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。

1 原材料、配合比與試驗(yàn)方法

水泥為42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為F類I級(jí)粉煤灰。天然砂，5～20mm和20～40mm人工灰?guī)r碎石，拌合用水為鄭州地區(qū)的自來水?；炷僚浜媳纫姳?。為了考察防裂抗?jié)B復(fù)合材料與其他同類材料相比性能優(yōu)劣，選擇某憎水性混凝土防水抗裂劑作為對(duì)比，推薦摻量20kg/m3。主要進(jìn)行了混凝土的工作性能、凝結(jié)時(shí)間、劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、干縮、抗凍、抗裂、絕熱溫升、抗沖磨以及自生體積變形試驗(yàn)，并進(jìn)行了水泥水化熱和微觀孔結(jié)構(gòu)分析研究。試配過程中發(fā)現(xiàn)，摻入防裂抗?jié)B復(fù)合材料后混凝土的和易性狀態(tài)良好。

表1 混凝土配合比參數(shù)表

采用表1的配合比，進(jìn)行混凝土的拌合、成型和性能測(cè)試。主要進(jìn)行了混凝土的工作性、抗凍性能、干縮、早期抗裂性能、自生體積變形試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)SL/T 352-2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[14]進(jìn)行。采用TAM AIR熱活性微量熱儀測(cè)試粉體及其水泥混合物的水化熱。采用AutoPoreIV9500 Micrometrics Instrument壓汞測(cè)試儀，對(duì)混凝土漿體內(nèi)部距離表面5～10mm深度處的漿體顆粒進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基本性能研究

混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢姡c空白組相比，摻加防裂抗?jié)B復(fù)合材料混凝土的強(qiáng)度有所降低，其中3d強(qiáng)度降低最明顯，混凝土28d強(qiáng)度有輕微降低；混凝土的抗?jié)B等級(jí)均滿足W12抗?jié)B要求，混凝土的初凝和終凝時(shí)間顯著增加，說明防裂抗?jié)B復(fù)合材料具有比較明顯的抑溫作用；混凝土均無泌水；混凝土的30min坍落度損失變化不明顯。整體看，防裂抗?jié)B復(fù)合材料能延長凝結(jié)時(shí)間，有利于保持施工性能，可根據(jù)工程要求調(diào)整抑溫組分，避免凝結(jié)時(shí)間過長。

表2 混凝土的基本性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗凍性能研究

混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1-2所示?？梢姡z比為0.48時(shí)，空白組抗凍融循環(huán)次數(shù)不到100次，采用防裂抗?jié)B復(fù)合材料時(shí)，抗凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)到200次。摻加某憎水性混凝土防水抗裂劑的混凝土抗凍融循環(huán)次數(shù)也可達(dá)到200次。不過摻加防裂抗?jié)B復(fù)合材料的混凝土質(zhì)量損失明顯降低，這與摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料后使混凝土的密實(shí)性提高和纖維的阻裂效果有關(guān)，對(duì)提高抗凍有利。

圖1 凍融循環(huán)下的混凝土動(dòng)彈性模量

圖2 凍融循環(huán)下的混凝土質(zhì)量損失率

2.3 干縮性能研究

混凝土干縮性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢姡c基準(zhǔn)組相比，Dw-n和Dw-nX的混凝土3、7、14、28d的干縮率分別降低60.2%、25.0%、34.3%、27.8%和54.5%、35.7%、28.8%、30.8%，防裂抗?jié)B復(fù)合材料可在一定程度上降低混凝土的干縮，這對(duì)混凝土的長期防裂有利。同時(shí)與某同類產(chǎn)品相比，摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料混凝土的干縮更小。

圖3 不同齡期混凝土干縮率

2.4 早期抗裂性能研究

混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。可見，與空白組相比，采用防裂抗?jié)B復(fù)合材料的混凝土28d時(shí)每條裂縫平均開裂面積有所降低，單位面積裂縫數(shù)目分別降低70%、80%，單位面積上總開裂面積分別降低75%、84%，下降十分明顯。進(jìn)一步，將防裂抗?jié)B復(fù)合材料與某憎水性混凝土防水抗裂劑的混凝土進(jìn)行對(duì)比可見，某憎水性混凝土防水抗裂劑也有一定的降低塑性開裂的效果，但效果不如防裂抗?jié)B復(fù)合材料顯著。與干縮性能相比，防裂抗?jié)B復(fù)合材料對(duì)早期抗裂性能改善更為顯著，說明防裂抗?jié)B復(fù)合材料對(duì)抑制混凝土的塑性收縮裂縫更有利。

圖4 平板法混凝土抗裂性能

2.5 自生體積變形研究

混凝土自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。可見，4個(gè)編號(hào)的混凝土的自生體積變形均為收縮型。與空白組相比，防裂抗?jié)B復(fù)合材料組混凝土的自生體積收縮明顯降低，有利于提高混凝土的抗裂性能[15]。

圖5 不同摻加劑混凝土自生體積變形

2.6 水泥水化熱研究

為分析防裂抗?jié)B復(fù)合材料對(duì)水泥水化熱的影響，開展了水泥水化熱試驗(yàn)。如圖6所示為純水泥樣品、摻合0.7%防裂抗?jié)B復(fù)合材料粉體的水泥水化熱結(jié)果。

圖6 膠凝材料水化熱結(jié)果：(a)熱流量；(b)水化熱

圖6(a)可以看出加入裂抗?jié)B復(fù)合材料可以有效的延后水泥到達(dá)水化熱放熱峰值的時(shí)間，同時(shí)減少水化放熱峰值的熱流量極值。加入粉體的水泥樣品中，水泥的放熱曲線較基準(zhǔn)樣品更為平緩，且未見明顯的放熱峰值，在水化反應(yīng)進(jìn)行84h時(shí)最高熱流量為0.31mW/g，僅為基準(zhǔn)樣品放熱峰值的15%。

圖6(b)展示了摻合不同粉體的水泥水化放熱與時(shí)間的關(guān)系圖。由圖6(b)可以看出，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，摻合#1粉體的水泥樣品水化熱仍處于上升階段，其水化發(fā)熱量為63.5J，較基準(zhǔn)樣品下降約61%。由此可見，在膠凝材料中加入裂抗?jié)B復(fù)合材料可以有效的降低水泥的水化放熱峰值，減少早期混凝土溫升，因而降低混凝土因溫度變化而發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)[16]。同時(shí)，這也解釋了防裂抗裂復(fù)合材料能顯著延長混凝土凝結(jié)時(shí)間的原因。

2.7 孔結(jié)構(gòu)

為分析防裂抗?jié)B復(fù)合材料對(duì)水泥漿體微孔結(jié)構(gòu)的影響，開展了壓汞試驗(yàn)。如圖7所示為基準(zhǔn)組、摻合防裂抗?jié)B復(fù)合材料混凝土組的孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果。可見，與基準(zhǔn)組相比，摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料組混凝土漿體的最可幾孔徑基本不變，說明摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料不會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

圖7 孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用

寧夏何家溝調(diào)蓄水庫工程位于寧夏固原市，地處西北高蒸發(fā)地區(qū)，混凝土面板開裂風(fēng)險(xiǎn)很大。為減少混凝土面板開裂，確保工程質(zhì)量，經(jīng)多方對(duì)比論證分析，決定在壩坡現(xiàn)澆板混凝土中摻加防裂抗?jié)B復(fù)合材料作為抗裂措施。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)，該材料的和易性良好，混凝土拆模后表面平整光潔。在使用防裂抗?jié)B復(fù)合型材料后澆筑的混凝土有明顯的改觀，28d內(nèi)沒有裂縫產(chǎn)生。經(jīng)過兩年的觀測(cè)，僅有少量微裂縫產(chǎn)生，沒有宏觀裂縫，混凝土裂縫降低率超過90%。強(qiáng)度與普通混凝土強(qiáng)度沒有明顯差異，混凝土顏色更加接近清水混凝土，如圖8所示。這說明防裂抗?jié)B復(fù)合材料用于高蒸發(fā)地區(qū)面板工程上是合適的。

圖8 何家溝水庫工程應(yīng)用效果對(duì)比

4 結(jié)論

采用防裂抗?jié)B復(fù)合材料為一種粉體與纖維的復(fù)合抗裂材料提高某一位于高蒸發(fā)地區(qū)的水工溢洪道混凝土的抗裂性能。通過室內(nèi)混凝土性能試驗(yàn)，對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能和抗裂性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，開展工程應(yīng)用試驗(yàn)研究。結(jié)論如下。

(1)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，與空白組相比，摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料混凝土的凝結(jié)時(shí)間明顯延長，粉體對(duì)水泥水化熱有明顯的延緩和抑制作用。

(2)與空白組相比，采用防裂抗?jié)B復(fù)合材料的混凝土28d時(shí)每條裂縫平均開裂面積有所降低，單位面積裂縫數(shù)目分別降低70%、80%，單位面積上總開裂面積分別降低75%、84%，下降十分明顯。與空白組相比，防裂抗?jié)B復(fù)合材料組混凝土的自生體積收縮和干縮均明顯降低，有利于提高混凝土的抗裂性能。

(3)空白組抗凍融循環(huán)次數(shù)不到100次，采用防裂抗?jié)B復(fù)合材料時(shí)，抗凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)到200次。與某憎水性混凝土防水抗裂劑相比，摻加防裂抗?jié)B復(fù)合材料的混凝土質(zhì)量損失率更低。

(4)摻防裂抗?jié)B復(fù)合材料的面板實(shí)體混凝土開裂降低了90%，外觀效果良好，工程應(yīng)用效果明顯。