摻不同外摻料船閘混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究

申宏波，張建峰，趙 恒

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.長江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 前 言

某水利樞紐工程由主壩和副壩組成。工程施工使用混凝土約為700萬m3，其中船閘底板等部位混凝土澆筑倉面大，當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁貧夂虺睗駵貪櫍篌w積混凝土水泥水化溫升不易控制，這些因素易導(dǎo)致混凝土?xí)a(chǎn)生不同程度的溫度裂縫。在水利水電工程建設(shè)中，大體積混凝土裂縫問題是影響工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和耐久性的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重的還會(huì)影響工程安全，縮短工程壽命。混凝土是典型的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，混凝土大壩等大型水工建筑物體積龐大，受其自身和周圍介質(zhì)溫度、濕度變化的影響以及基礎(chǔ)約束的作用，往往在不同部位產(chǎn)生很大的約束應(yīng)力，極易產(chǎn)生裂縫。防止混凝土壩產(chǎn)生裂縫，歷來是各國壩工建設(shè)中的重大研究課題。

為了提高水工混凝土抗裂性能，應(yīng)盡可能減小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(qiáng)度，使混凝土具有低絕熱溫升、高抗拉強(qiáng)度、低收縮、低彈模、高極限拉伸特性[1]。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[2]。針對(duì)該水利樞紐大體積混凝土抗裂性能研究，本文研究了輕燒氧化鎂、PVA纖維和PP纖維混凝土性能的影響，揭示了不同材料對(duì)混凝土抗裂性能的影響規(guī)律，從而更好地為該水利樞紐工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用廣西柳州漁峰集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的42.5中熱硅酸鹽水泥、廣西華天能環(huán)保科技開發(fā)有限公司提供的來賓電廠I級(jí)粉煤灰、武漢三源特種建材有限公司生產(chǎn)的輕燒氧化鎂(簡稱“MgO”)、江蘇能力科技有限公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維(簡稱能力PVA)和深圳維特耐新材料有限公司生產(chǎn)的維克聚丙烯纖維(簡稱維克PP)、石家莊市長安育才建材有限公司生產(chǎn)的GK-4A高效減水劑(緩凝型)、GK-9A引氣劑，骨料均取自江口天然砂礫石料場提供的天然砂巖骨料。試驗(yàn)用原材料均滿足相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范要求，水泥、粉煤灰和氧化鎂的化學(xué)組成見表1。

表1 水泥、粉煤灰和硅粉的化學(xué)組成 %

試驗(yàn)使用的混凝土基準(zhǔn)配合比：二級(jí)配混凝土、水膠比0.36、混凝土單位用水量118 kg/m3、粉煤灰摻量25%、砂率32%，摻入纖維和氧化鎂后，單位用水量略有增加。混凝土的抗壓、極限拉伸值、干縮和抗裂性能的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果處理按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

不同MgO摻量和摻纖維的混凝土28d抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度見圖1，混凝土各齡期的拉壓比(劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比)結(jié)果見表2所示。由圖1和表2可以看出，相同條件下，摻入MgO后，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均有所降低，隨著MgO摻量的提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度呈緩慢降低的趨勢。7 d、28 d與90 d齡期混凝土劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值分別為6.3%～6.9%、5.7%～6.3%和5.7%～5.9%，平均比值分別為6.6%、6.0%和5.8%。隨著齡期增長，劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比逐漸下降。摻入不同品種的纖維后，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度略有降低。摻入江蘇能力PVA纖維后，混凝土劈拉強(qiáng)度略有增長，但摻維克PP纖維后，劈拉強(qiáng)度略有降低，混凝土拉壓比有一定的提高。

圖1 摻氧化鎂和纖維混凝土抗壓強(qiáng)度

表2 摻氧化鎂和纖維混凝土的拉壓比

2.2 變形性能

摻MgO和纖維混凝土干縮試驗(yàn)結(jié)果見圖2，自生體積變形結(jié)果見圖3。

圖2 摻MgO和纖維混凝土干縮率

圖3 摻MgO混凝土自生體積變形曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：相同水灰比和原材料品質(zhì)的條件下，隨著MgO摻量的提高，混凝土的混凝土的干縮變形有一定程度減小。隨著MgO摻量的增加，混凝土的干縮率有降低的趨勢。摻MgO的混凝土自生體積變形呈現(xiàn)正值，表明混凝土呈現(xiàn)膨脹狀態(tài)。輕燒MgO是利用補(bǔ)償收縮原理，在約束條件下由提前膨脹產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力來補(bǔ)償收縮，從而達(dá)到消除或減少裂縫的目的。氧化鎂在水化過程中產(chǎn)生的膨脹變形，表現(xiàn)出一種獨(dú)特的“延遲性”，可利用這種延遲性膨脹來抵消部分的溫度收縮變形、干燥收縮變形，使混凝土總體變形收縮量減小，這對(duì)混凝土的防裂、抗裂是有利的。摻入不同品種的纖維后，同等條件下混凝土干縮變形減小，且對(duì)混凝土早齡期干縮的抑制效果更顯著，但不同纖維品種之間的差異不明顯。

2.3 早期開裂性能

摻MgO和纖維混凝土平板法抗裂試件的試驗(yàn)結(jié)果見表3，平板法試件的開裂參數(shù)見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明： MgO對(duì)改善混凝土塑性階段的抗裂性作用不大。摻入不同品種的纖維后，減小了平板裂縫的數(shù)目和面積，降低了最大裂縫寬度，但平板抗裂等級(jí)并沒有提高，說明纖維在混凝土塑性階段，對(duì)抗裂有一定的改善作用。主要是因?yàn)槔w維在混凝土中的亂向分布，一方面，可以抑制混凝土顆粒的下沉，從而減少混凝土中水溢出形成的毛細(xì)通道，減少泌水現(xiàn)象，可以有效抑制混凝土的塑性開裂；另一方面，當(dāng)混凝土出現(xiàn)開裂時(shí)，一部分荷載轉(zhuǎn)移到纖維，使混凝土呈現(xiàn)出較高的延性，有效抑制混凝土的早期開裂。

表3 摻MgO和纖維混凝土平板法抗裂試件的試驗(yàn)結(jié)果

表4 摻MgO和纖維混凝土平板法試件的開裂參數(shù)

2.4 摻MgO水泥膠凝材料的壓蒸穩(wěn)定性研究

由于水泥熟料中的MgO含量不超過5%，超過時(shí)應(yīng)通過壓蒸試驗(yàn)后可放寬到6%。MgO混凝的膠凝材料是由水泥及摻和料組成，故MgO的摻量采用膠凝材料總量為基數(shù)進(jìn)行計(jì)算。摻量過高有可能引起混凝土粉化破壞，雖然在研究過程中，當(dāng)MgO摻量達(dá)到8%時(shí)，壓蒸試驗(yàn)仍滿足要求，但因研究時(shí)間較短，為慎重起見，當(dāng)MgO極限摻量超過膠凝材料用量的5%時(shí)，仍應(yīng)進(jìn)行壓蒸試驗(yàn)，以確定其安定性。

《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5296—2013)中也提出了摻MgO混凝土安定性試驗(yàn)方法，通過將試件豎放在預(yù)先加熱至80℃±2℃的養(yǎng)護(hù)箱里養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至60d齡期，安定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：①混凝土膨脹率小于等于0.060%；②摻MgO混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度之比不小于0.85；③混凝土無彎曲或龜裂。

膠凝材料壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果見表5，砂漿壓蒸安定性的試驗(yàn)結(jié)果見表6，摻MgO混凝土的安定性見表7。

表5 膠凝材料壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果

表6 摻氧化鎂砂漿壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果

表7 摻氧化鎂混凝土安定性試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：摻入氧化鎂后，產(chǎn)生膨脹作用，使得膠凝材料的壓蒸膨脹率增大。且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氧化鎂摻量越高，試件膨脹得越厲害，砂漿膨脹率和混凝土膨脹率也隨之增大，但劈拉強(qiáng)度比逐漸降低。當(dāng)MgO摻量不超過5%時(shí)，影響較小，超過5%時(shí)，影響較大。砂漿試件壓蒸膨脹率均未超過0.5%，表明摻6%的輕燒MgO砂漿安定性合格。當(dāng)MgO摻量小于6%時(shí)，混凝土膨脹率都小于0.060%，摻MgO混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)單獨(dú)與基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度之比也都大于0.85。

3 結(jié) 論

1)摻入MgO后不改變混凝土的水化放熱特性和水化進(jìn)程，但會(huì)使混凝土各齡期的強(qiáng)度及極限拉伸值略有降低。MgO在水化過程中產(chǎn)生的體積膨脹可以部分補(bǔ)償混凝土的干縮變形，對(duì)混凝土自生體積收縮變形補(bǔ)償作用明顯。使摻MgO混凝土的干縮率低于基準(zhǔn)混凝土，并使混凝土呈微膨脹變形。

2)單摻PVA或PP纖維，混凝土7 d、28 d齡期強(qiáng)度略有降低，各齡期極限拉伸值略有提高，混凝土自生體積收縮變形趨勢不變，纖維對(duì)混凝土早期塑性開裂有一定抑制作用。

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