水布埡工程面板混凝土抗裂性試驗研究

　　摘要: 面板混凝土作為堆石體大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量對保證大壩的安全運行具有重要的作用。國內(nèi)外面板堆石壩工程實踐表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂縫問題。分析了面板混凝土裂縫的分類、成因和特性，探討了提高面板混凝土自身抗裂防裂能力的技術(shù)。通過試驗，研究了人工合成纖維及人工合成纖維與鋼纖維復(fù)摻對水布埡工程面板混凝土各項性能尤其是抗裂性能的影響，得到了高抗拉強度和極限拉伸值、低收縮、低彈模、耐久性良好的高抗裂面板混凝土。

　　關(guān) 鍵 詞: 面板混凝土;裂縫成因;抗裂試驗;水布埡水利樞紐

1 概述

　　面板混凝土作為堆石體大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量對保證大壩的安全運行具有重要的作用。國內(nèi)外面板堆石壩工程實踐表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂縫問題。與普通的水工大體積混凝土不同，面板混凝土是典型的薄型長條板狀結(jié)構(gòu)，長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，若不采取有效措施，極易產(chǎn)生裂縫。面板混凝土一旦出現(xiàn)裂縫，不僅破壞結(jié)構(gòu)的整體性，而且將直接降低混凝土的抗?jié)B耐久性，由于凍融循環(huán)、化學(xué)物質(zhì)侵蝕、碳化等造成的混凝土劣化加劇，使結(jié)構(gòu)功能逐漸喪失。水布埡工程面板堆石壩最大壩高233m，是目前世界上已建和在建工程中最高的面板堆石壩，因此提高面板混凝土的抗裂性能是工程建設(shè)的重要研究課題。

2 面板混凝土的裂縫成因

　　混凝土是由多種材料組成的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多相非勻質(zhì)材料，在混凝土水化硬化過程中，由于骨料與水泥漿具有不同的熱力學(xué)性能，它們之間的不均勻變形產(chǎn)生的相互約束應(yīng)力導(dǎo)致在骨料與水泥漿界面上以及在水泥漿體中產(chǎn)生大量的原生微裂縫。在無應(yīng)力或較小的應(yīng)力作用下，混凝土原生微裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在較大的應(yīng)力作用下，原生微裂縫將逐漸延伸擴展直至破壞。混凝土的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此混凝土的開裂主要是由于混凝土中的拉應(yīng)力超過了抗拉強度而引起的。

　　按產(chǎn)生拉應(yīng)力的不同原因，面板混凝土的裂縫可分為結(jié)構(gòu)裂縫和收縮裂縫。面板混凝土的結(jié)構(gòu)裂縫主要是由壩體不均勻變形所引起，可通過合理設(shè)計，改進施工工藝和質(zhì)量，在面板澆筑前使壩體有一段預(yù)沉降期來避免。收縮裂縫是混凝土的收縮變形受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度而引起的。混凝土的收縮主要包括溫降收縮、自收縮、塑性收縮、碳化收縮和干燥收縮。

　　溫降收縮主要由水泥水化熱和外界氣溫變化引起，當溫度變形受到混凝土外部約束和內(nèi)部各質(zhì)點間的約束產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，就會產(chǎn)生溫度裂縫。面板混凝土厚度較薄，面積較大，較易散熱，且受墊層約束較小，因此無論是水化初期水化放熱升溫引起的內(nèi)表溫差及混凝土硬化后期溫度降低形成的溫度應(yīng)力均較小，不易形成裂縫。但面板混凝土在澆筑后不久若受寒潮侵襲，會形成較大的內(nèi)外溫差，此時混凝土抗拉強度較低，易形成溫度裂縫。為有效防止面板混凝土的溫度裂縫，一方面應(yīng)減小水泥用量，使用低水化熱水泥，并提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸值;另一方面在施工時應(yīng)采取有效的表面保溫措施，減少混凝土的內(nèi)外溫差。

　　自收縮是由水泥水化作用引起自干燥而造成的混凝土宏觀體積的減少，主要產(chǎn)生于水化前幾天尤其是第一天。自收縮的大小主要取決于水泥品種和細度、礦物摻和料品種和細度及水膠比。低水膠比及大量細粒礦物摻和料的使用增加了混凝土的自收縮。

　　塑性收縮是指混凝土硬化前由于表面水分的蒸發(fā)速度大于混凝土的泌水速度而引起的收縮，此時混凝土強度很低，不能抵抗這種變形應(yīng)力將導(dǎo)致開裂，混凝土基底或模板材料的干燥吸水會加劇混凝土的塑性收縮，使用收縮率較大的水泥和水泥用量過大也會增加混凝土的塑性收縮。選擇好的澆筑季節(jié)，采取措施降低混凝土表面的水分蒸發(fā)率可以降低面板混凝土的塑性收縮。

　　碳化收縮是混凝土水泥漿中的Ca（OH）2 與空氣中的CO2 作用生成CaCO3 而引起的表面體積收縮，碳化收縮受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部未碳化混凝土的約束，將導(dǎo)致表面開裂。面板混凝土水膠比小，結(jié)構(gòu)致密，碳化一般只限于淺表層。

　　干燥收縮是由于環(huán)境濕度降低，混凝土表層水份散失產(chǎn)生的體積收縮。干燥收縮是一個長期的收縮過程，其收縮速率隨著干燥時間增加而急劇減小。面板混凝土表面積與體積之比很大，受干燥收縮影響很大，及時良好的養(yǎng)護可以推遲混凝土的干燥收縮，避免與混凝土自收縮和溫度收縮疊加，減少混凝土的收縮裂縫。

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3 面板混凝土自身防裂的主要途徑

　　除了外部的環(huán)境和約束條件外，混凝土自身的熱力學(xué)性能和變形性能是決定面板是否開裂的主要因素。從材料角度出發(fā)，盡可能使混凝土具有高抗拉強度、低收縮、低彈模、高極限拉伸特性，對減少和抑制面板混凝土裂縫及其擴展具有重要的意義。面板混凝土自身防裂的主要途徑如下:

　　（1）改善混凝土界面過渡區(qū)。通過摻加細顆粒的活性摻和料可減少界面過渡區(qū)的內(nèi)泌水和孔隙，細化并減少Ca（OH）2 晶體，減少界面過渡區(qū)厚度和混凝土的原生微裂縫，提高水泥和骨料的粘結(jié)能力，提高混凝土的抗拉強度。同時優(yōu)質(zhì)摻和料的摻入還可以起到減水和替代水泥降低混凝土溫升的作用。

　　（2）選用C2 S、C4 AF含量高的水泥。C2 S、C4 AF含量高的水泥韌性好，水化熱低，干燥收縮小，后期強度高，對混凝土抗裂非常有利。

　　（3）合理選用骨料。采用中等強度、低彈模、低線膨脹系數(shù)的骨料，可以降低混凝土的彈模和熱變形，潔凈、級配優(yōu)良的骨料可以減小混凝土用水量。人工骨料比天然骨料混凝土的抗拉強度更高。

　　（4）摻用纖維。摻加人工合成纖維可以有效防止混凝土的早期裂縫，摻加鋼纖維則可以顯著提高混凝土的強度和抗彎韌性，有利于防止或限制混凝土裂縫。

　　（5）復(fù)合摻用膨脹劑，使混凝土在硬化過程中產(chǎn)生微膨脹，補償混凝土的體積收縮，減小干縮應(yīng)力，防止收縮裂縫的發(fā)生。

　　（6）合理使用外加劑。高性能減水劑的使用可以減少水泥用量，推遲水化熱峰值的出現(xiàn)并降低峰值，引氣劑的使用可以引入大量微小氣泡，消除或減小混凝土的內(nèi)應(yīng)力，降低混凝土彈模，同時可改善混凝土的施工和易性。

4 面板混凝土抗裂性能試驗研究

　　4.1 面板混凝土性能指標要求

　　水布埡工程面板混凝土的技術(shù)要求見表1，按照DL/T5144-2001的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)面板混凝土的強度等級及強度保證率，面板混凝土28d齡期的配制強度應(yīng)不低于37.4MPa。

　　4.2 原材料

　　（1）水泥。采用葛洲壩水泥廠的42.5中熱水泥，該水泥的各項性能滿足GB200-2003的要求，且水化熱較低，MgO含量較高（3.91%），自身體積變形試驗表明，使用該水泥混凝土具有微膨脹性，對面板混凝土抗裂有利。

　　（2）粉煤灰。采用襄樊電廠粉煤灰，粉煤灰的性能試驗結(jié)果表明，滿足GB.T1596-2005對Ⅰ級粉煤灰的技術(shù)要求。

　　（3）外加劑。減水劑選用上海麥斯特公司SP8羧酸類高效減水劑，摻量0.5%;引氣劑選用上海麥斯特公司AIR202引氣劑，摻量以滿足混凝土含氣量4.0%～4.5%為準。試驗結(jié)果表明采用SP8羧酸類緩凝高效減水劑，混凝土拌和物可在較長的 時間內(nèi)（2h左右）保持良好的工作性，在1h內(nèi)混凝土坍落度損失很小，低于20%?；炷敛幻谒?，具有良好的觸變復(fù)原性，對面板混凝土的施工和防止施工裂縫有利。

　　（4）骨料。采用當?shù)鼗規(guī)r人工砂石骨料，各項性能滿足DL/T5144-2001對用于水工混凝土砂石骨料的要求。砂石骨料級配優(yōu)良，砂的細度模數(shù)為2.79。

　　（5）纖維。采用深圳海川工程科技有限公司提供的聚丙烯腈纖維以及由上海貝爾卡特二鋼有限公司生產(chǎn)的RC65/35BN冷拉型鋼纖維。

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　　4.3 配合比設(shè)計

　　根據(jù)水布埡工程面板混凝土的技術(shù)要求及混凝土原材料品質(zhì)，通過配合比參數(shù)設(shè)計試驗和試拌試驗，確定了滿足面板混凝土技術(shù)要求的基準配合比?；鶞逝浜媳鹊乃z比為0.38，粉煤灰的摻量為20%，考慮面板混凝土的施工性能，采用略大于普通二級配常態(tài)混凝土的砂率和倒級配骨料，砂率為39%，中石與小石的比例為45∶55。

　　在基準配合比的基礎(chǔ)上摻入纖維，進行纖維混凝土配合比設(shè)計試驗，研究聚丙烯腈纖維的纖度和摻量及聚丙烯腈纖維和鋼纖維復(fù)摻對面板混凝土性能的影響，確定滿足水布埡工程面板混凝土高抗裂性能要求的配合比。

　　對于摻聚丙烯腈纖維的混凝土，在基準配合比的基礎(chǔ)上，不調(diào)整用水量等其它配合比參數(shù)，但適當增加引氣劑摻量，以滿足混凝土的含氣量要求。大量的聚丙烯腈纖維在混凝土中的亂向分布和支撐，雖然減小了混凝土的坍落度，但混凝土在振搗時的流動密實性卻不受影響，因此毋需調(diào)整用水量。對于復(fù)摻聚丙烯腈纖維和鋼纖維的混凝土，在配合比中鋼纖維以等體積替代骨料。

　　試驗混凝土配合比見表2，C0為基準配合比。

　　4.4 試驗方法

　　混凝土的拌和、成型及養(yǎng)護，混凝土拌和物性能、抗壓強度、抗拉強度、極限拉伸值、抗壓彈模、干縮、自生體積變形、抗?jié)B和抗凍性能試驗均按DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規(guī)程》的有關(guān)方法進行。

　　混凝土彎曲韌性試驗按中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準CECS13-89《鋼纖維混凝土試驗方法》的有關(guān)方法進行，試樣尺寸550mm×150mm×150mm，試驗在英國生產(chǎn)的剛性電液伺服材料試驗機（INSTRON-1346）上進行。

　　混凝土抗裂性能試驗采用平板法，通過底部表面粗糙的鋼板與混凝土的直接粘結(jié)形成底部約束，比較不同養(yǎng)護條件下混凝土裂縫的產(chǎn)生情況?；炷猎嚢彘L1000mm，寬500mm，厚100mm，通過人工插搗成型，混摻鋼纖維及聚丙烯腈纖維混凝土在振動臺上振動成型。對混凝土進行連續(xù)觀測，記錄混凝土裂縫產(chǎn)生情況。試驗環(huán)境條件為:室內(nèi)氣溫27～31℃，室外氣溫29～37℃，風(fēng)速0～3m/s。

　　4.5 試驗結(jié)果及分析

　　（1）纖維對混凝土力學(xué)變形性能的影響。混凝土的力學(xué)變形性能見表3。摻聚丙烯腈纖維后混凝土的抗壓和抗拉強度略有降低，早期（3d）降低幅度較大，28d齡期后強度與基準混凝土相近。纖維摻量越大，強度越低。但總的來說，聚丙烯腈纖維對混凝土的強度影響較小。復(fù)摻聚丙烯腈纖維和鋼纖維，混凝土除3d齡期的抗壓強度略有降低外，其余各齡期抗壓、抗拉強度和極限拉伸值均有較大幅度提高，且抗壓彈模小于基準混凝土。

　　纖度越大，纖維直徑越大，在單根長度相同的情況下，單位質(zhì)量的纖維根數(shù)就越少，試驗使用的兩種聚丙烯腈纖維長度略有差異，2.5dtex的纖維長度為24mm，6.7dtex的纖維長度為22mm，每公斤2.5dtex纖維的根數(shù)是6.7dtex纖維的2.66倍。纖維粗細對混凝土各齡期抗拉強度和早期抗壓強度有一定影響，纖度較大的聚丙烯腈纖維混凝土各齡期抗拉強度及3d齡期抗壓強度低于纖度較小的聚丙烯腈纖維混凝土，但兩種纖維混凝土后期抗壓強度相近。

　　（2）纖維對混凝土干縮的影響。混凝土的干縮試驗結(jié)果見表4。摻入纖維一定程度上減小了混凝土早齡期的干縮，但對于混凝土長齡期的干縮影響不大。

　　（3）纖維對混凝土自生體積變形的影響?；炷磷陨w積變形性能試驗結(jié)果見表5。從表5可以看到，使用葛洲壩水泥廠的中熱水泥，面板混凝土自身體積變形表現(xiàn)為略有膨脹。摻纖維對混凝土的自生體積變形沒有影響。

　　（4）纖維對混凝土彎曲韌性的影響?；炷恋膹澢g性試驗結(jié)果見表6。

　　試驗結(jié)果表明，摻聚丙烯腈纖維，混凝土早齡期（3d）的抗折強度和初裂強度均有一定程度提高，隨著齡期增長，初裂強度的提高幅度降低，抗折強度甚至略有降低。說明摻聚丙烯腈纖維對改善混凝土早期韌性有一定作用，但隨著混凝土強度增長，混凝土彈模增大，聚丙烯腈纖維對混凝土韌性改善作用不再明顯。隨著聚丙烯腈纖維摻量增加，混凝土的初裂強度和等效抗折強度提高，但同樣摻量下，摻加纖度6.7dtex的纖維混凝土的抗折強度和初裂強度明顯要小于纖度2.5dtex的纖維混凝土。

　　混摻鋼纖維和聚丙烯腈纖維，混凝土早期和后期抗折強度都有明顯提高，初裂強度早期提高較小，后期提高幅度較大，且韌度值和等效抗折強度均大幅度提高，顯示出了良好的增韌作用。

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　　（5）纖維對混凝土抗裂性能的影響?；炷量沽研阅茉囼灲Y(jié)果見表7。從試驗結(jié)果可以看到，單摻聚丙烯腈纖維對抑制混凝土早期塑性裂縫及干縮裂縫有非常好的效果。在3種試驗條件下，單摻聚丙烯腈纖維的混凝土都未產(chǎn)生可見裂縫。這是因為混凝土中數(shù)量巨大而微細的聚丙烯腈纖維形成了亂向支撐體系，阻斷了混凝土內(nèi)部大量的毛細管通道，降低了暴露面水分的蒸發(fā)，同時有效阻礙了混凝土中的骨料離析，阻止了混凝土塑性沉降和泌水的發(fā)生，減少了混凝土的塑性收縮和干燥收縮。另外，纖維可以分散體系的內(nèi)應(yīng)力，阻止裂縫的擴展或使裂縫微細化，使其難以進一步擴展，起到止裂的作用，從而提高了混凝土的抗裂性。

　　不摻纖維的混凝土及混摻鋼纖維及聚丙烯腈纖維的混凝土在室外濕養(yǎng)護期間均未產(chǎn)生可見裂縫，但一旦終止?jié)耩B(yǎng)護混凝土很快產(chǎn)生網(wǎng)狀淺層裂縫?；炷涟l(fā)生網(wǎng)狀開裂的程度取決于環(huán)境干燥程度和混凝土對干燥收縮的敏感性。不摻纖維混凝土在室外不養(yǎng)護條件下20d左右產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫。值得注意的是混摻鋼纖維及聚丙烯腈纖維混凝土在室外不養(yǎng)護的條件下，在混凝土終凝以前就出現(xiàn)了較寬的貫穿性塑性裂縫，其后又出現(xiàn)較長的其他裂縫，20d后出現(xiàn)了網(wǎng)狀裂縫。混摻鋼纖維及聚丙烯腈纖維的混凝土發(fā)生貫穿性裂縫，可能與試板成型時沿模板縫產(chǎn)生較多漏漿有關(guān)。出現(xiàn)貫穿性裂縫的混凝土，此后極易出現(xiàn)其它長裂縫及網(wǎng)狀裂縫。因此對于強度較高的面板混凝土在澆筑中必須對此引起重視，防止?jié)仓^程中混凝土周邊出現(xiàn)漏漿通道引發(fā)大量漏漿情況。

　　（6）纖維對混凝土耐久性影響。摻纖維混凝土的抗凍等級均大于F200，抗?jié)B等級均大于W12，具有良好的抗?jié)B抗凍性能。

　　根據(jù)試驗結(jié)果，確定的水布埡工程面板混凝土施工配合比如表8。

5 結(jié)論

　　（1）合理選擇原材料體系，對提高混凝土抗裂性能具有重要意義。通過采用微膨脹型中熱水泥、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、羧酸類高效減水劑和纖維材料可以配制出高抗拉強度和極限拉伸值、低收縮、低彈模、耐久性良好的高抗裂面板混凝土。

　　（2）羧酸類高效減水劑不僅具有高效減水、緩凝、不泌水等功能。而且還有延緩混凝土坍落度損失，使混凝土在較長時間內(nèi)保持良好工作性的作用，有助于提高混凝土的施工性和抗裂性，在面板混凝土工程應(yīng)用中具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。

　　（3）聚丙烯腈纖維能抑制混凝土早期塑性及干縮裂縫，提高混凝土早期抗彎韌性，對防止混凝土早期裂縫有明顯作用。且同樣摻量下，采用低纖度的聚丙烯腈纖維對混凝土的抗裂性能更有利。

　　（4）復(fù)摻鋼纖維與聚丙烯腈纖維可發(fā)揮聚丙烯腈纖維早期防裂和鋼纖維增強增韌，提高混凝土后期抗裂止裂能力的作用，是提高混凝土抗裂性能的有效技術(shù)措施。但復(fù)摻鋼纖維與聚丙烯腈纖維混凝土的澆筑成型較困難，如混凝土澆筑不當更易形成裂縫，還需對復(fù)摻鋼纖維和聚丙烯腈纖維的混凝土施工工藝進行深入研究。

　　作者簡介: 董 蕓，女，長江水利委員會長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所，高級工程師。