防滲抗裂劑和PVA纖維對混凝土性能及微觀結構的影響研究

呂興棟，高志揚，董 蕓，孟 濤

(1.長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430010；2.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北武漢430010；3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北武漢430070；4.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發有限公司，新疆喀什844000)

1 研究背景

國內外面板堆石壩工程實踐表明，面板混凝土普遍存在裂縫的問題[1-2]。如何防止和減少面板混凝土裂縫的產生，提高混凝土面板抗裂性，是混凝土面板堆石壩建設中的一個至關重要的問題[3- 4]。新疆某大型水利樞紐所在地氣溫年變化較大，日溫差大，空氣干燥，日照長，蒸發強烈，降水量稀少。極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫-24 ℃，多年平均降水量51.6 mm，多年平均蒸發量2 244.9 mm，蒸發量遠大于降雨量。因此該工程對面板混凝土的抗裂性能提出了更高的要求，同時還需考慮該地區氣候干燥，水分蒸發量大等惡劣的氣候環境因素對混凝土施工帶來的不利影響。

圖1 水泥凈漿不同時間的流動度試驗結果

從材料設計角度，應盡可能減小面板混凝土在水化硬化過程中的收縮變形，提高混凝土材料的抗拉強度，使混凝土具有低絕熱溫升、高抗拉強度、低收縮、低彈模、高極限拉伸特性[5，6]。提高面板混凝土抗裂性能的主要途徑有：①選用C2S、C4AF含量高的水泥；②采用高品質的礦物摻合料；③采用低彈性模量、低線膨脹系數的骨料；④合理使用外加劑；⑤采用人工合成纖維等。目前水電工程常用的纖維有聚乙烯醇纖維(PVA)、纖維素纖維、聚丙烯纖維(PP)、聚丙烯腈纖維(PAN)和鋼纖維等。Wang[7]等的研究認為，摻加PVA纖維的混凝土有利于減小混凝土干燥收縮，增大拉伸強度，同時可以抑制初期裂縫的產生。Zanott[8]研究表明，摻0.5%的PVA纖維提高混凝土粘聚力的效果最為明顯。在面板混凝土中摻加適量的纖維是目前面板堆石壩工程實踐中較為普遍的做法，如水布埡面板混凝土復摻了鋼纖維與聚丙烯腈纖維，蒲石河抽水蓄能電站上水庫面板混凝土則復摻了聚丙烯纖維和膨脹劑[9]，洪家渡面板混凝土中摻加了聚丙烯纖維和氧化鎂[10]。仙游抽水蓄能電站上水庫主壩面板混凝土采用了纖維素纖維。

在氣候干燥、水分蒸發量大的地區施工，混凝土的拌和性能至關重要，直接影響混凝土后期性能的發展。W防滲抗裂劑可以有效地改善混凝土拌和性能，使混凝土粘聚性大大改善，使得混凝土不泌水、不離析[11]。W防滲抗裂劑已在湖北小溪口水電站[12]、新疆肯斯瓦特水利樞紐工程[13]、湖北潘口水電站[14]和湖北水布埡電站等工程中應用，對面板混凝土的抗裂作用效果較為明顯。

目前關于防滲抗裂劑和PVA纖維對混凝土性能影響的對比研究較少，關于兩者復摻對混凝土性能的影響的研究更是鮮見于報道。本文研究了單摻PVA纖維、單摻W防滲抗裂和復摻PVA纖維與防滲抗裂劑對混凝土早期開裂性能、力學性能、體積穩定性和耐久性能的影響，同時通過掃描電鏡研究了防滲抗裂劑對混凝土界面的影響。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥。采用新疆天山水泥股份有限公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥(以下簡稱“P·O42.5水泥”)。P·O42.5水泥密度3 070 kg/m3，標準稠度27.2%，初凝和終凝時間分別為103 min和168 min，3、7 d和28 d抗壓強度分別為24.7、35.5 MPa和47.3 MPa。

(2)粉煤灰。采用喀什華電粉煤灰廠生產的Ⅰ級粉煤灰。粉煤灰細度9.3%(45 um)，比表面積301 m2/kg，需水量比94%，表觀密度2 390 kg/m3。

(3)骨料。采用該水利樞紐施工現場人工灰巖骨料，細骨料的表觀密度2 700 kg/m3，飽和面干吸水率為1.51%。為防止面板混凝土滑膜施工骨料分離，粗骨料采用二級配，其中，中石：小石=50∶50。小石和中石的表觀密度分別為2 710 kg/m3和2 720 kg/m3，飽和面干吸水率分別為0.4%和0.2%。

(4)外加劑。采用烏魯木齊建寶天化新材料科技有限公司生產聚羧酸高性能減水劑和引氣劑，引氣劑摻量以使混凝土含氣量達到4.0%～5.0%為準。

(5)纖維。采用廣州建克纖維有限公司生產的PVA纖維。纖維的斷裂伸長率為7.8%，斷裂強度2 170 MPa，彈性模量45.8 GPa。

(6)防滲抗裂劑。采用武漢某化工公司生產的混凝土防滲抗裂劑。W的PH值為2.0～4.0，密度1.09±0.02 g/mL。摻W的水泥凈漿的流動度現場試驗結果見圖1。從圖1可以看出，摻加W可有效改善水泥凈漿粘聚性，使得水泥漿體保水性和粘聚性能得到提高，進而改善混凝土和易性能。

2.2 試驗方法及配合比

混凝土拌和、成型和養護均按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》的有關方法進行。采用CCES01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》方法，對混凝土進行了平板法抗裂性能試驗。將混凝土拌和物濕篩以剔除大于20 mm的粗骨料，在平板試模中成型、振實、抹平后，立即用濕麻袋覆蓋，保持環境溫度為25±2 ℃，相對濕度為60±5%。2 h 后將濕麻袋取下，用風扇吹混凝土表面，記錄試件開裂時間、裂縫數量、裂縫長度和寬度。采用了試驗配合比見表1。采用日本電子株式會社JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。

表1 試驗配合比

表2 混凝土抗壓強度試驗結果

表3 混凝土極限拉伸值試驗結果

3 試驗結果與分析

3.1 拌和物性能

混凝土坍落度75～85 mm，含氣量4.4%～4.6%。W防裂抗滲劑可改善混凝土的拌和物性能，增加混凝土拌和物粘稠度，使混凝土具有更好的流動性和保水性，在減水劑摻量不變的條件下可以降低混凝土用水量2～3 kg/m3。在保持一定拌和物狀態下，摻PVA纖維混凝土用水量增加1 kg/m3。

3.2 抗壓強度

混凝土抗壓強度的試驗結果見表2。以單摻粉煤灰混凝土的7、28、90 d抗壓強度作為基準值，計算了不同方案的強度比值。試驗結果表明：單摻PVA纖維可以使混凝土28 d和90 d抗壓強度略有提高；單摻W或復摻W與PVA的混凝土不同齡期的混凝土抗壓強度較基準混凝土均略有降低。

3.3 變形性能

3.3.1極限拉伸值

混凝土極限拉伸值的試驗結果見表3。以單摻粉煤灰混凝土的7、28、90 d極限拉伸值作為基準值，計算了不同方案的極限拉伸值比值。試驗結果表明：單摻W防滲抗裂劑和復摻W與PVA纖維均可以一定程度地提高混凝土28 d極限拉伸值，復摻W防滲抗裂劑與PVA纖維對極限拉伸值提高效果更明顯，但復摻W和PVA纖維與單摻PVA纖維相差較小。

3.3.2干縮

混凝土干縮的趨勢見圖2。從圖2可知：單摻W防滲抗裂劑，混凝土干縮略有降低，與基準混凝土接近；復摻W防滲抗裂劑與PVA纖維，混凝土干縮降低更加明顯，但與單摻PVA纖維相差并不明顯。

表4 混凝土平板抗裂試驗結果

圖2 混凝土干縮值的趨勢

3.4 平板抗裂

表4為混凝土平板抗裂試驗結果。由表4可以看出：與基準混凝土相比，單摻W防滲抗裂劑和PVA纖維的混凝土抗裂等級從Ⅱ級提高到Ⅰ級。單摻PVA纖維的抗裂性能略優于單摻W防滲抗裂劑的，復摻W與PVA對混凝土抗裂改善效果更明顯。

3.5 抗滲性能

混凝土的平均滲水高度范圍為2.5～4.3mm，抗滲等級均大于W12。混凝土平均滲水高度為JZ-1>AXW-1>WH-2>WH-1，各試驗方案可以不同程度地提高混凝土抗滲性能，其中單摻W防滲抗裂劑對抗滲性能改善更為明顯。復摻W防滲抗裂劑和PVA纖維的混凝土平均滲水高度高于單摻W防滲抗裂劑的。這表明兩者復合對混凝土抗滲性能并未形成明顯的優勢疊加效應。

4 結 論

(1)W防裂抗滲劑可以改善混凝土拌和物性能，增加混凝土拌和物的粘稠度，提高混凝土拌和物的抗離析性能和保水保坍性能。在減水劑摻量不變的條件下可以降低混凝土用水量2～3kg/m3。在保持一定拌和物狀態下，摻PVA纖維的混凝土用水量有所增加。

(2)摻W防滲抗裂劑和PVA纖維均可以降低混凝土干燥收縮率，提高極限拉伸值，同時使混凝土抗裂等級從從Ⅱ級提高到Ⅰ級，但摻W防滲抗裂劑的混凝土抗滲性能優于摻PVA纖維的。

(3)復摻W防滲抗裂劑和PVA纖維與單摻W防滲抗裂劑對混凝土力學性能和變形性能影響差別較小，復摻W防滲抗裂劑與PVA纖維對混凝土性能并未形成明顯的優勢疊加效應。