金川水電站面板混凝土早期開裂試驗研究

張 勇，孫宇飛

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710043）

0 引言

在水工建筑物中，混凝土面板不同于一般大體積混凝土結構，屬條形超薄板狀，其最大厚度僅為混凝土面板堆石壩壩高的1/50～1/200，且長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，極易產生早期裂縫[1]。影響混凝土面板早期開裂的因素有很多，除了受溫度、濕度、養護條件等影響外，還與水泥、摻和料、外加劑、骨料等原材料品質密切相關。從材料角度來看，目前預防混凝土面板早期開裂的主要方法是減小混凝土收縮，提高混凝土抗拉強度，采取的具體措施有摻膨脹劑補償收縮，摻纖維增強，摻減縮劑抑制收縮等[2]。

金川水電站為大渡河干流水電開發規劃22級方案的第6個梯級電站，擋水建筑物為面板堆石壩，最大壩高111.5 m。本試驗從混凝土原材料入手，研究了采用人工中砂、人工粗砂、天然砂，以及摻入纖維時，對混凝土抗拉強度和收縮的影響。并采用CECS 38—2004《纖維混凝土結構技術規程》附錄D推薦的平板法，對混凝土的抗裂性進行研究。

1 平板法試驗方法

試驗裝置如圖1所示，試模尺寸為600 mm×600 mm×63 mm，邊框內設φ6間距60 mm的雙排栓釘提供約束，栓釘長度分別為50 mm和100 mm，間隔布置。底板采用5 mm厚鋼板，并鋪設一層塑料薄膜以減少其對混凝土的約束。試件澆注、振實、抹平后，用塑料薄膜覆蓋2 h，之后取下薄膜，以0.5 m/s的風速吹混凝土表面，環境溫度20±2℃，相對濕度不大于60%。24 h后觀察裂縫數量、長度和寬度。

2 試驗原材料及配合比

圖1 平板法試驗模具示意 （單位：mm）

試驗用水泥為拉法基普通42.5R硅酸鹽水泥；粉煤灰為江油III級灰；細骨料有三種，分別為：細度模數為2.7的石家溝料場人工中砂，細度模數為3.1的石家溝料場人工粗砂，細度模數為2.3的得勝村料場天然砂；粗骨料為5～20 mm和20～40 mm的石家溝料場砂巖碎石；減水劑采用浙江龍游外加劑公司生產的ZB-1A緩凝高效減水劑，摻量為0.7%；引氣劑采用石家莊外加劑廠生產的DH9引氣劑，摻量為0.004%；纖維采用四川華神化學建材有限公司生產的聚丙烯纖維。試驗配合比及拌和物性能見表1。其中J1號配合比為基準配合比。

3 試驗結果與分析

混凝土的力學性能及收縮率試驗結果見表2。從表2可知，采用人工粗砂的混凝土力學性能和收縮率與基準混凝土基本相當；采用天然砂的混凝土抗壓強度比基準混凝土略低，彈性模量、極限拉伸值和抗拉強度沒有明顯差別，但收縮率降低了約20%。摻入聚丙烯纖維的混凝土抗壓強度比基準混凝土提高5%～7%，抗拉強度也略有提高，收縮率差別不明顯。有些觀點認為，采用粗砂拌制混凝土可以減少收縮，從而起到減少開裂的作用，但筆者認為，采用粗砂并不是減少收縮的根本原因，根本原因應該是混凝土用水量對其收縮有直接影響。本次試驗中，采用人工粗砂的混凝土與采用人工中砂的混凝土相比，用水量基本相當，收縮率沒有明顯的差異；而采用天然砂代替人工砂后，由于用水量降低，混凝土的收縮率也隨之減小。

混凝土的早期開裂試驗結果見表3。由表3可知，相對于基準混凝土而言，采用天然砂替代人工砂，或者摻入聚丙烯纖維，均可以起到良好的抑制早期開裂的作用；但采用人工粗砂時，裂縫降低系數只有0.37，可以認為沒有起到抑制開裂的作用。其原因分析如下：

表2 混凝土力學性能與收縮率試驗結果

表3 平板法混凝土早期開裂試驗結果

（1）采用天然砂代替人工中砂時，降低了混凝土用水量，從而減少了混凝土中毛細孔的數量，降低了混凝土的收縮率，起到減少早期開裂的效果。

（2）采用人工粗砂代替人工中砂時，并沒有降低混凝土的收縮率，而且混凝土的抗拉強度和極限拉伸值也沒有顯著提高，因此在試驗中沒有明顯的抑制開裂的效果。

（3）摻入聚丙烯纖維后，對抑制早期裂縫起到了良好的作用。聚丙烯纖維的作用有抑制收縮和抗裂兩個方面。抑制收縮作用是指由于聚丙烯纖維的摻入，在混凝土內部形成了復雜的三維亂向體系，不僅可以有效抑制骨料下沉，約束各種塑性變形，提高混凝土的勻質性，減少其固有缺陷，而且可以阻隔水分溢出的通道，減少或延緩水分的散失，減小收縮。抗裂作用是指三維亂向分布的纖維體系可以有效阻止混凝土內部微裂縫的發展，當微裂縫的長度大于纖維的間距時，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內的應力場更加連續和均勻，使微裂縫尖端的應力集中得以鈍化，裂縫的進一步擴展受到約束；當微裂縫的長度小于纖維間距時，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維形成更微細的裂縫場，不僅細化了裂縫，而且微裂縫擴展的能量消耗顯著增大[3]。

表1 混凝土配合比及拌和物性能

4 結論

（1）使用人工粗砂拌制混凝土，對改善混凝土的早期開裂性能影響不顯著。

（2）使用天然砂代替人工砂，可降低混凝土的收縮率，從而減少混凝土的早期裂縫數量。

（3）摻入聚丙烯纖維具有抑制混凝土收縮和抗裂兩方面的作用。二者的綜合作用，使聚丙烯纖維混凝土具有顯著的抵抗早期裂縫的能力。

［1］ 劉數華，曾力.面板混凝土的抗裂性能研究［J］.人民長江，2003（4）:34-35.

［2］ 張建峰，等.纖維對混凝土早期塑性開裂的影響［J］.混凝土，2010（7）:76-78.

［3］ 張佚倫，等.聚丙烯纖維混凝土早期收縮性能試驗研究［J］.新型建筑材料， 2006（1）:25-28.