大型混凝土渡槽早期抗裂性研究

王華僑,高培偉,張書起，楊 濤,劉宏偉，余 煒

（1.中國水利水電第十三工程局有限公司，山東 德州 224000；2.南京航空航天大學(xué),江蘇 南京 210016）

南水北調(diào)是實(shí)現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置的重要戰(zhàn)略舉措，是一項(xiàng)超大型、跨世紀(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施工程，是解決京津華北地區(qū)、黃淮海平原和黃河上中游地區(qū)缺水的一項(xiàng)不可替代戰(zhàn)略性工程措施[1]。南水北調(diào)工程中渡槽數(shù)目眾多，而U形渡槽薄壁大體積混凝土收縮裂縫控制至今未有效解決[2]。U形渡槽一旦發(fā)生開裂滲漏，不僅影響渡槽外觀、加大槽壁糙率、降低過流能力，而且易加速混凝土的劣化進(jìn)程，降低渡槽的使用功能和使用壽命，給輸水安全埋下巨大隱患[3,4]。因此，開展渡槽混凝土工程抗裂性研究，提高其使用壽命，已成為南水北調(diào)工程中迫切需要解決的重大課題。

渡槽混凝土出現(xiàn)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的危害很大，引起混凝土開裂的主要原因是混凝土澆筑初期水泥產(chǎn)生水化熱和環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力以及體積收縮應(yīng)力。影響混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的因素很多，主要有水泥品種、混凝土的配合比、外加劑以及施工工藝等[5,6]。因此，應(yīng)從原材料選擇、混凝土配合比設(shè)計(jì)、溫控措施、施工方案、摻膨脹劑等方面著手，研究控制大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的方法[7,8]。

膨脹劑在一定條件下發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力來補(bǔ)償和抑制混凝土收縮，是防止或減少混凝土渡槽開裂行之有效的方法[9-12]。大型渡槽混凝土不同于建筑混凝土，也不完全類似于水工混凝土，這就要求膨脹劑必須滿足建筑和水工混凝土收縮補(bǔ)償要求，具有早、后期膨脹特點(diǎn)，可有效補(bǔ)償渡槽在早期和后期產(chǎn)生的收縮[13,14]。本研究將菱鎂礦和白云石礦加工處理后，制成新型膨脹劑，利用其中CaO和MgO分別補(bǔ)償混凝土早期和后期收縮，從而降低和抑制大型混凝土渡槽收縮開裂，同時(shí)分析和研究該膨脹劑對(duì)渡槽混凝土抗裂性影響機(jī)理和規(guī)律，以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用河南某水泥公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和河南某熱電廠的I級(jí)粉煤灰，其中水泥3、28 d強(qiáng)度分別為20.6、43.6 MPa；減水劑為河南某建材有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑，減水率約為25%；引氣劑為松香型引氣劑；采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.56；石子采用玄武巖碎石，粒徑在5～20 mm；新型膨脹劑是以菱鎂石和白云石尾礦為原料，經(jīng)合理配伍和適宜的煅燒制度制備，主要含有CaO和MgO。原材料的化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的化學(xué)組成分析 %

1.2 試驗(yàn)方法和混凝土配合比

（1）混凝土自由變形試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，，選用尺寸為55 mm×55 mm×280 mm的模具制作試塊，試模兩頭裝測頭，混凝土基本配合比見表2，并按水泥質(zhì)量的0%、6%、8%、10%摻入膨脹劑 （膨脹劑質(zhì)量分別為0、18.12、24.16、30.20 g）。試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后脫模并測定其初始長度，然后將試件放入不同溫度的恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)的齡期，測定其長度并計(jì)算自由變形:

式中，L1為試件在齡期t時(shí)的自由變形；L為試件的基準(zhǔn)長度，L=160 mm；L0為試件脫模后的初始長度；Lt為試件在齡期為t時(shí)的長度。

（2）孔結(jié)構(gòu)分析。采用美國Quanfachrom公司的Poremoster-60型壓汞儀進(jìn)行測試，樣品破碎成2.5～5 mm，干燥后進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測定；微觀分析采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-5900型低真空掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌觀察。

表2 單位體積混凝土基本配合比 kg

2 膨脹劑對(duì)渡槽混凝土抗裂性的影響研究

2.1 摻不同量膨脹劑水泥砂漿自由變形

將試塊放在20、60℃下養(yǎng)護(hù)，膨脹劑摻量對(duì)混凝土自由變形的影響曲線見圖1。由圖1可知:①外摻膨脹劑的混凝土自由膨脹率隨著齡期的增長而增大，主要膨脹量發(fā)生在90 d之內(nèi)；膨脹速率是早期快、后期慢，在28 d內(nèi)最大。這是因?yàn)榕蛎泟┖蠧aO和MgO兩種膨脹源，CaO早期發(fā)生水化，使混凝土膨脹，MgO自28 d后開始水化，促進(jìn)后期膨脹。摻10%膨脹劑的混凝土，在7、28、90 d的膨脹量約為摻6%的2.1倍、1.8倍、1.7倍，約為摻8%的1.6倍、1.4倍、1.3倍。②養(yǎng)護(hù)溫度為20、60℃時(shí)，混凝土自由膨脹率隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律基本相似，但60℃時(shí)各齡期的膨脹量明顯增大，180 d的膨脹量比在20℃時(shí)增加了約80%～100%；當(dāng)膨脹劑的摻量從6%增加到10%時(shí)，摻量每增加2%膨脹量大約增大10×10-6。

圖1 膨脹劑對(duì)混凝土自由變形的影響

2.2 摻新型膨脹材料和粉煤灰水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)和微觀分析

在水泥凈漿水化過程中摻入膨脹劑，可能對(duì)水泥凈漿的孔結(jié)構(gòu)發(fā)展與分布產(chǎn)生兩種完全相反的作用:一是膨脹劑的水化產(chǎn)物填充水泥混凝土的水化產(chǎn)物孔隙中，減小水泥漿體的孔徑，降低有害孔的數(shù)量，細(xì)化水泥石結(jié)構(gòu)，改善了水泥漿體的孔徑分布，提高密實(shí)度，降低了應(yīng)力集中，緩解了膨脹應(yīng)力，減少裂紋；另一種是膨脹劑的水化產(chǎn)物沒有填充到水泥漿體的孔隙中，而是在局部集中，水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)沒有得到改善，反而由于膨脹劑的局部膨脹作用，在水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生了膨脹應(yīng)力，使水泥漿體中的有害孔數(shù)量增加，水泥漿體產(chǎn)生比較大的孔隙甚至裂紋和裂縫[15,16]。

圖2是摻8%膨脹劑和50%粉煤灰水泥凈漿在20℃養(yǎng)護(hù)3d孔隙率與未摻膨脹材料的孔徑分布對(duì)比，其中I是含50%粉煤灰水泥凈漿，II是摻8%膨脹劑和50%粉煤灰水泥凈漿。由圖2可知，在試樣I和II中，孔隙率和孔體積隨摻加膨脹劑而降低，但>200 nm的多害級(jí)孔和50～200 nm的有害級(jí)孔略有提高；20～50 nm少害級(jí)孔和<20 nm無害級(jí)孔略有降低。這說明在水化進(jìn)行中膨脹材料的作用影響了水泥石內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的分布，膨脹材料改善了水泥漿體的孔徑分布，提高了漿體的密實(shí)度，但也增加了有害孔[17,18]。

圖2 摻8%和未摻膨脹劑水泥凈漿孔徑分布

通過掃描電鏡 （見圖3）可知，粉煤灰具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)，含有大量的玻璃微珠，其獨(dú)特的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)改善了水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)特性，使水泥石孔隙率增加、平均孔徑降低。水化3 d時(shí)，可看到未水化粉煤灰顆粒，膨脹材料水化產(chǎn)物難發(fā)現(xiàn)，孔隙率比較大，結(jié)構(gòu)比較疏松；水化180 d時(shí)，可以看到膨脹材料水化產(chǎn)物分布在水泥漿體中，未水化粉煤灰顆粒較少，大部分水化產(chǎn)物粘附在粉煤灰附近，使水泥漿體與粉煤灰顆粒粘接在一起，吸收膨脹材料的膨脹應(yīng)力，抑制了水泥漿體過度膨脹，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)[19]。

3 結(jié) 論

（1）混凝土的自由膨脹率隨膨脹劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增長，膨脹量主要發(fā)生在90 d內(nèi)，180 d趨于穩(wěn)定，有效地補(bǔ)償了混凝土的收縮，可降低和抑制混凝土渡槽收縮開裂。

圖3 摻8%膨脹材料和50%粉煤灰水泥凈漿在不同齡期的微觀形貌

（2）隨著水化溫度的升高，混凝土前期膨脹速率增加較明顯，后期相對(duì)來說增加不大；養(yǎng)護(hù)溫度從20℃增大到60℃，混凝土養(yǎng)護(hù)180 d的膨脹率增加約80%～100%，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)渡槽體積變形影響較大，故混凝土養(yǎng)護(hù)溫度的控制很重要。

（3）膨脹劑水化影響了水泥石內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，與粉煤灰共同改善了水泥漿體的孔徑分布，提高了漿體的密實(shí)度，降低了渡槽開裂風(fēng)險(xiǎn)。

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