某水電站閘墩多摻合料抗裂混凝土試驗研究

李 生 良， 李 艷 萍， 郭 洪 娟， 黃 如 卉， 馬 智 法

(1.中國人民武裝警察部隊水電第三總隊，四川成都 610036;2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130061;3.中慶建設有限責任公司，吉林長春 130000)

1 概述

某水電站下水庫閘墩采用預應力混凝土澆筑，與常規混凝土相比，預應力混凝土具有混凝土標號高、水泥用量高、膠凝材料用量高等特點，從而導致混凝土澆筑后水化熱溫升較高、干縮較大，存在開裂危險。根據工程需要進行了混凝土抗裂技術研究，通過采用雙摻、三摻混凝土摻合料，同時摻粉煤灰前期性能激發劑等新技術手段，研究了不同膠凝材料組合變化對混凝土性能的影響，優化了混凝土配合比，達到了減少工程裂縫、增加結構耐久性能的目的。

2 原材料

(1)水泥。本次試驗采用撫順水泥有限責任公司生產的渾河牌P·MH42.5級中熱硅酸鹽水泥，各項指標均滿足技術要求。

(2)粉煤灰。本次試驗采用的粉煤灰為吉林市某粉煤灰有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，各項指標均滿足技術要求。

(3)粉煤灰激發劑。粉煤灰激發劑采用由甘肅巨才電力技術有限責任公司生產的HF外加劑，摻量選擇為2%。

(4)膨脹劑。本次研究采用新中州HEA－1膨脹劑作為本次試驗研究用膨脹劑。

(5)硅粉。本次研究采用由挪威埃肯集團材料公司生產的硅粉，各項性能指標滿足技術要求。

(6)外加劑。本次試驗所用外加劑為北京某混凝土材料有限公司生產的ZB－4萘系高效引氣減水劑。

(7)纖維。本次試驗研究采用的纖維為江蘇生產的丹強絲。

(8)粗骨料。粗骨料為工程附近的卵石，各項性能指標滿足技術要求。

(9)細骨料。細骨料為工程附近的天然河砂，各項性能指標滿足技術要求。

3 混凝土配合比方案

本試驗配合比設計等級為C40F300W6，采用5種膠材組合，其組合方式和思想為:(1)單摻粉煤灰，其組合思想是利用粉煤灰形態效應、火山灰活性效應優化混凝土性能;(2)雙摻粉煤灰、粉煤灰激發劑，其組合思想是利用粉煤灰形態效應、火山灰活性效應優化混凝土性能，采用激發劑提前激發粉煤灰活性;(3)雙摻粉煤灰、膨脹劑，其組合思想是利用粉煤灰形態效應、火山灰活性效應與膨脹劑膨脹填充效應疊加，提高混凝土性能;(4)雙摻粉煤灰、硅粉，其組合思想是利用粉煤灰形態效應、火山灰活性效應與硅粉微集料填充效應疊加，提高混凝土性能;(5)三摻粉煤灰、膨脹劑、硅粉，其組合思想是利用粉煤灰形態效應、火山灰活性效應與膨脹劑膨脹填充效應、硅粉微集料填充效應疊加，提高混凝土性能。

根據上述組合方式和思想，混凝土配制的各項參數見表1。

4 試驗結果與分析

結合研究目的，進行了各種摻合料組合的抗壓、極限拉伸、干縮、抗凍、抗滲等項試驗性能測試，其具體結果見表2、3。

(1)混凝土強度試驗結果分析。從試驗結果可以看出，7 d抗壓強度相對較大的三個摻合料組合為:纖維+粉煤灰+膨脹劑＞空白＞粉煤灰+粉煤灰激發劑，28 d抗壓強度相對較大的三個摻合料組合為:粉煤灰+粉煤灰激發劑＞粉煤灰+硅粉＞粉煤灰+膨脹劑。由此可以說明機理如下:①在混凝土早期膠凝強度尚未發育，強度較低時，摻纖維可以提高混凝土強度;②粉煤灰、膨脹劑、硅粉等摻合料的強度發育較水泥緩慢，因此各摻合料組合的混凝土早期強度均不及空白混凝土;③粉煤灰激發劑的強度激發作用在早期和28 d齡期均有體現，加入激發劑后混凝土各齡期強度明顯高于單摻粉煤灰混凝土強度;④硅粉、膨脹劑與粉煤灰配合使用較單摻粉煤灰混凝土強度有所提高，兩者強度提高值相差不大。

表1 二級配混凝土試驗配合比表

表2 混凝土性能試驗成果表

表3 混凝土各齡期干縮結果表

(2)極限拉伸試驗結果分析。混凝土極限拉伸值是指混凝土經軸心抗拉時，混凝土斷裂前最大伸長值。當混凝土的拉伸變形超過混凝土的極限拉伸值時，混凝土將產生裂縫。極限拉伸值作為混凝土抗裂性指標，在其它條件相同時，混凝土的極限拉伸值越高，其抗裂性越好。在宏觀層面上，混凝土極限拉伸性能主要受混凝土骨料性能、水泥石性能及膠骨比的影響。從試驗結果看，當骨料級配、水膠比、膠材總量基本相同時，不同摻合料組合及不同外加劑品種條件下混凝土的極限拉伸試驗結果抗拉強度、極限拉伸值差異不大。摻入纖維的混凝土7 d抗拉強度較其他組合有所增加，但28 d抗拉強度值較其他組合略有降低，說明本研究中纖維可提高發育未成熟混凝土的早期抗拉強度，而對混凝土發育成熟后期并無貢獻。

(3)混凝土干縮試驗結果分析。干縮是混凝土開裂的重要誘因之一，主要受膠骨比、水灰比，水泥品種、摻合料品種、外加劑品種等因素影響。在本次研究中，主要通過研究不同摻合料組合情況下混凝土干縮性能的變化尋找干縮性能較好的摻合料組合，以降低混凝土開裂機率。一般研究路徑為:①摻入適量膨脹劑，補償部分混凝土收縮;②優化混凝土膠材組合，提高水泥石的內部密實度;③選擇適當的外加劑品種。

既使是完全水化后，混凝土仍是多孔材料。摻合料組合的變化，由于其各自水化產物的差異，對混凝土膠凝材料的自然堆積密實度(水化前膠材空隙率)、粒度及其水化速度具有一定程度的影響，在宏觀干縮性能上體現為混凝土干縮性能的變化。

從試驗結果可以看出，當摻合料組合為粉煤灰+膨脹劑時，混凝土干縮值最小，基準混凝土干縮值最大，其余摻合料組合的混凝土干縮值介于二者之間。與基準混凝土相比，粉煤灰+膨脹劑混凝土28 d干縮率降低約20%，60 d干縮率降低約23%。與粉煤灰混凝土相比，粉煤灰+膨脹劑混凝土28 d干縮率降低約12%，60 d干縮率降低約20%。

(4)混凝土抗滲、抗凍性能試驗結果。與普通混凝土相比，加入膨脹劑后，由于鈣礬石膨脹結晶體具有填充和堵塞毛細孔徑的作用，從而增加了混凝土的密實性;由于其高致密性而具有良好的抗滲、抗凍能力。本研究各混凝土配合比抗滲等級均達到W6以上，混凝土抗凍等級均可達F300以上。

5 混凝土推薦配合比選擇

大體積混凝土抗裂性能主要受混凝土干縮、極限拉伸、水化熱溫升的影響，在本次試驗研究中，主要依據混凝土抗壓強度、干縮、極限拉伸、抗滲、抗凍性能及水化熱溫升進行混凝土最佳摻合料組合選擇。具體選擇步驟為:(1)選擇抗壓強度、抗滲、抗凍性能滿足設計要求的摻合料組合混凝土配合比;(2)在步驟(1)的基礎上綜合比較各摻合料組合混凝土配合比性能，具體比較方法為:計算混凝土干縮與混凝土極限拉伸及由水化熱溫升導致的混凝土線性膨脹之和，即各配合比單位線性變化值。通過計算，得P2－1－1單位線性變化值L為4.79×10－4;P2－2－1單位線性變化值L為4.47×10－4;P2－3－1單位線性變化值 L為4.36×10－4;P2－4－2單位線性變化值L為4.02×10－4;P2－5－22單 位 線 性 變 化 值 L為4.13×10－4;P2－6－2單位線性變化值 L為4.22×10－4。(3)在完成步驟(2)后，選擇L最小的混凝土配合比作為推薦摻合料組合混凝土配合比。

綜合考慮混凝土抗壓強度、抗凍性能、抗滲性能、極限拉伸、干縮、水化熱溫升等抗裂性能影響因素后，選擇粉煤灰+膨脹劑作為本次研究的最優摻合料組合。

6 結論及建議

根據試驗研究結果，粉煤灰+膨脹劑的摻合料組合混凝土綜合性能(主要側重于抗裂)優于其它摻合料組合的混凝土。同時表明由于纖維的摻入，明顯改善了混凝土早期(7 d)抗壓強度及極限拉伸性能，但對混凝土28 d性能影響不大。

為了減少大體積混凝土產生裂縫的幾率，對現場施工提出以下建議:(1)現場施工時應采取適當措施降低混凝土拌合物澆筑溫度，從而盡可能降低混凝土內外溫差;(2)混凝土施工后應及時養護，宜對混凝土表面采取覆蓋措施，以防止水分散失;(3)后期養護對成熟混凝土的防裂有一定影響，因此混凝土的保濕養護應持續進行。