粉煤灰、MgO膨脹劑和減縮劑對面板混凝土抗裂性能的影響

張 迪，郭凡星，王 磊

（1.黃河水利職業技術學院，河南開封475004；2.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安710055）

0 引 言

混凝土面板堆石壩（CFRD）是以堆石為受力主體，上游混凝土面板為防滲主體的一種堆石壩。由于其安全性好、適應性強、施工周期短，成本低等特點，混凝土面板堆石壩成為了中國水壩設計應用中最廣泛的水壩類型之一［1，2］。混凝土面板是典型的細長條狀結構，由于溫度變化，體積變形和壩基沉降等原因容易開裂。對于壩體而言，若混凝土面板出現了裂縫，會破壞壩體結構的整體性和耐久性，且面板開裂引起的縫隙可能會使外界水滲入混凝土中，直接引起壩體的滲漏問題［2-4］。因此，提高混凝土面板抗裂性是關乎混凝土面板堆石壩安全運行的一個重要問題。

目前的工程實踐和研究表明［4-7］，提高面板混凝土抗裂性能的主要技術措施有控制混凝土原材料質量、優化混凝土配合比、摻加粉煤灰以及摻用適量纖維等。混凝土減縮劑主要成分是一類聚醇或聚醚類有機物及其衍生物［8，9］。研究［9］表明，摻入減縮劑可以降低混凝土孔隙水的表面張力，從而減小毛細孔失水時產生的收縮應力，一定程度提高混凝土的抗裂性。在混凝土制備時摻加MgO 膨脹劑是一種常見的控制裂縫產生的手段［10］。由于MgO 膨脹劑在混凝土凝結硬化過程中會產生一定體積膨脹，補償混凝土收縮，包括溫度收縮、干縮收縮和自收縮，從而減少混凝土的裂縫產生［10-12］。目前MgO 膨脹劑已經成功應用于三峽、索風營、隔河巖、龍灘等水電站的大體積混凝土并取得了較好的防裂效果［13，14］。然而目前針對減縮劑和MgO膨脹劑對面板混凝土抗裂性能影響的研究較少。

本文對比研究了單摻粉煤灰、MgO 膨脹劑和減縮劑對面板混凝土的力學性能、干縮和抗裂性能的影響，并分析其影響機理，從而為減縮劑和MgO 膨脹劑應用于面板混凝土提供理論依據。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥選用42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選取Ⅰ級粉煤灰。水泥的主要物理性能見表1，粉煤灰的品質指標見表2。水泥、粉煤灰和MgO 膨脹劑的化學組分見表3。采用的MgO 膨脹劑活性指數為100 s，由檸檬酸法［15］測定，該方法規定從MgO 加入到一定濃度的檸檬酸溶液，至檸檬酸溶液呈中性時所需的時間即稱為活性指數，活性指數越高其反應活性越小。水泥、粉煤灰和MgO 膨脹劑的比表面積分別為369，386 和650 m2/kg。采用的減縮劑主要成分為聚醇醚類有機物，密度為1.09 g/mL。粗骨料、細骨料由花崗巖加工而成，粗、細骨料的密度為2.65 g/cm3，細骨料的細度模數為2.86。

表1 水泥的物理力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 粉煤灰的品質指標Tab.2 Physical properties of fly ash

表3 部分原材料的主要化學成分 %Tab.3 Main chemical compositions of some raw materials

1.2 配合比

根據DL/T 5016-2011《混凝土面板堆石壩設計規范》，面板混凝土28 d強度等級不應低于C25，水膠比應低于0.45，粉煤灰替代水泥的比例應小于30%，含氣量在4.0%～6.0%之間。結合實際工程應用，本文選擇的面板混凝土強度等級為C30，采用水膠比為0.35，通過調整用水量、減水劑和引氣劑用量，控制坍落度約70 mm（控制較高的坍落度便于混凝土溜槽施工）、含氣量約5%。本文的面板混凝土配合比以體積法計算，配合比如表4所示。為了減少在溜槽過程中面板混凝土離析，面板混凝土常采用倒級配，也即粗骨料中中石（粒徑20～40 mm）的比例小于小石（粒徑5～20 mm）。本文中石與小石的質量比為45∶55。MgO 膨脹劑和減縮劑的摻量分別為6%和1%。試驗以純水泥混凝土為基準“C0”組，摻粉煤灰為“C1”組，摻MgO 膨脹劑為“C2”組，摻減縮劑為“C3”組。本文中水泥凈漿圓環試驗采用的水膠比為0.27（水泥標準稠度用水量對應的水膠比）。

表4 混凝土配合比Tab.4 Mix proportions of concrete

1.3 試驗方法

依據DL/T5150-2017《水工混凝土試驗規程》進行混凝土抗壓強度試驗、劈裂抗拉試驗、極限拉伸試驗和干縮試驗。依據CCES01-2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》，通過平板法評價粉煤灰、減縮劑和MgO 膨脹劑對面板混凝土的抗裂性的影響，同時采用圓環法研究了這3 種材料對水泥水化硬化漿體抗裂性的影響。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

混凝土的抗壓強度試驗結果如圖1所示。從圖1可以看出，摻加20%的粉煤灰明顯降低了混凝土早期抗壓強度，與C0混凝土相比，C1 混凝土7 d 的抗壓強度降低了約17%。這主要是由于水泥被部分粉煤灰替代時的稀釋作用和早齡期粉煤灰的低火山灰活性造成的［4］。隨著齡期的增長，90 d 時C1 混凝土抗壓強度逐漸接近C0混凝土，這說明粉煤灰的摻入對混凝土后期強度的提高起著積極作用。

圖1還表明摻入MgO 膨脹劑會降低混凝土的抗壓強度。與C0 混凝土相比，7、28 和90 d 時C2 混凝土抗壓強度降低幅度約7%～10%。大量研究［10-12］表明，常溫下，摻入不同活性指數的MgO 膨脹劑都會一定程度降低混凝土的抗壓強度，且MgO 氧化鎂活性越高、摻量越大，混凝土抗壓強度降低的幅度越大。這主要是由于：其一，MgO 無法發揮水泥的膠凝性，其等量替代水泥會一定程度削弱混凝土強度；其二，MgO 水化形成Mg（OH）2的過程中會消耗混凝土中的水，在一定程度影響了水泥的水化反應。此外，也有研究從Mg（OH）2晶體生長會導致混凝土中產生微裂紋［16］、Mg（OH）2晶體易于在漿體-骨料界面過渡區富集進而削弱界面過渡區［17］這兩個角度來解釋MgO 膨脹劑對混凝土力學性能的負面影響。但總體來看，由于MgO 膨脹劑在混凝土中的摻量較低且其對混凝土強度的影響相當有限，故MgO 膨脹劑仍然在水工混凝土得到了較廣泛的應用。

從圖1還可以看出，C3 混凝土各齡期（7、28 和90 d）抗壓強度均有降低，較C0混凝土分別降低了約5%、7%和5%。這是由于減縮劑的加入降低了混凝土孔隙溶液的堿度，從而在一定程度上直接抑制了水泥的水化，對混凝土的強度發展產生不利影響［9，18］。

2.2 劈裂抗拉強度和極限拉伸值

圖2為各齡期混凝土的劈裂抗拉強度和極限拉伸值。根據圖2，C1 混凝土在7 天時的劈裂抗拉強度和極限拉伸值為1.95 MPa 和83×10-6，與C0 混凝土相比降低幅度約15%～16%。這也可以用粉煤灰的稀釋作用及其早期微弱的火山灰活性來解釋。隨著齡期的增長，C1混凝土在90 d時的劈裂抗拉強度和極限拉伸值與C0混凝土相當，說明粉煤灰在后期的火山灰反應也可以提高劈裂抗拉強度和極限拉伸值［2，4］。

根據圖2，在混凝土中摻加6%MgO 膨脹劑時，劈裂抗拉強度和極限拉伸值較C0混凝土降低7%～9%。MgO 膨脹劑對混凝土力學性能的發展會有一定影響，并導致劈裂抗拉強度和極限拉伸值明顯下降。此外，與C0混凝土相比，C3混凝土各齡期的劈裂抗拉強度和極限拉伸值的降低幅度約4%～6%，說明減縮劑對混凝土的劈裂抗拉強度和極限拉伸值也有一定的負面影響。

2.3 混凝土的干縮

混凝土的干縮率發展情況如圖3所示。干燥收縮是指試樣在干燥環境中因水分蒸發而引起的體積變化。

從圖3可以看出，與C0 基準混凝土相比，摻入粉煤灰、MgO膨脹劑和減縮劑都在一定程度上降低了混凝土各齡期的干縮率。圖3所示，與C0 混凝土相比，C1 混凝土的干縮率在90 d 內降低了約5%。這是由于混凝土收縮主要源自水泥漿體，粉煤灰取代水泥后減少了膠凝材料中的水泥用量，從而抑制了混凝土的收縮［19］。摻MgO 膨脹劑和減縮劑的混凝土90 d 的干縮率比C0 混凝土分別降低了47×10-6和31×10-6，分別降低約15%和10%。分析原因，本文采用了活性指數偏高、具有早期膨脹特性的MgO 膨脹劑。薄壁混凝土結構通常散熱效果較好且收縮主要發生在早期，因此可使用活性較高的MgO 膨脹劑，而大體積混凝土的收縮開裂主要是長齡期內外溫差導致的溫度收縮，因此大體積混凝土常采用活性較低的MgO 膨脹劑［20］。較高活性的MgO 在水化早期就可參與水化并產生膨脹并抑制收縮，因此在水化28d 前，C2 混凝土的干縮率就明顯低于其他幾組混凝土。減縮劑則是通過降低混凝土孔隙水的表面張力，從而減小失水時毛細孔產生的收縮［9，18］。對比來看，摻入MgO 膨脹劑抑制混凝土收縮的效果優于摻加粉煤灰或減縮劑。

2.4 抗裂性能

2.4.1 水泥漿體的抗裂性-圓環法

水泥圓環試驗見圖4所示，水泥圓環試驗得到的初始開裂時間試驗結果見表5。可以看出，摻入粉煤灰、MgO 膨脹劑或減縮劑，水泥圓環的初始開裂時間均明顯延長。C1水泥圓環的初始開裂時間為15 h，較基準水泥圓環延長了約3h。粉煤灰的摻入延遲了水泥圓環的初始開裂時間，說明粉煤灰可以提高水泥漿料的抗裂性能。這是因為摻入粉煤灰會代替部分水泥，降低水泥水化反應引起的收縮。此外，由于粉煤灰的“形態效應”，粉煤灰的摻入提高了水泥漿體的有效水灰比，改善了水泥圓環的自干燥現象，從而延緩了水泥圓環開裂。

根據表5還可以看出，摻加MgO 膨脹劑或減縮劑的水泥圓環初始開裂時間分別延長至17 h 和16 h。這是由于本文圓環的開裂主要是由水泥漿體的干縮導致，上文所示摻加MgO 膨脹劑和減縮劑能夠較大程度抑制水泥混凝土的干縮，從而延緩了水泥圓環的開裂。

表5 硬化水泥漿體圓環法抗裂試驗結果Tab.5 Results of anti-cracking resistance test for cement paste

目前是通過調節煅燒溫度和窯內停留時間來調節MgO 膨脹劑的水化活性和膨脹性能，進而生產不同類型的MgO 膨脹劑用于補償混凝土早齡期和長齡期不同類型的收縮［17］。文獻［15］表明，活性指數為46 s 的MgO 水化2 d 時反應程度高達97%，而同齡期活性指數為325 秒的MgO 反應程度僅為4.5%。目前雖然沒有活性指數為100 s 的MgO 的水化程度報道，但文獻［11］的研究表明該活性指數的MgO 具有明顯的早期膨脹特性。活性較高的MgO 膨脹劑早期水化反應生成Mg（OH）2引起的體積微膨脹可補償水泥圓環的收縮，從而延遲水泥圓環的初始開裂時間。這與水工大體積混凝土常采用的活性較低的MgO 膨脹劑不同，較低活性的MgO 膨脹劑水化緩慢，其在水化后期產生延遲膨脹從而較好補償長齡期大體積混凝土較高的內外溫差導致的溫度收縮［20］。減縮劑則是通過降低水泥漿體孔溶液表面張力來減少收縮［13，14］，對水泥圓環的初始開裂時間也有延緩作用。整體來看，摻入MgO 膨脹劑比粉煤灰或減縮劑可取得更好的抗裂效果，這與混凝土干縮試驗結果一致。

2.4.2 混凝土的抗裂性-平板法

混凝土平板法試驗結果見表6所示。平板法試驗出現的裂縫出現在混凝土澆筑后的7 h 內，這些裂縫主要是由于混凝土表面失水而產生的塑性收縮和干縮所致。

表6 混凝土抗裂性試驗結果Tab.6 Slab test results of concrete

表6表明，摻入粉煤灰延緩了混凝土平板的開裂時間，減少平板裂縫的數目和總裂縫面積，從而提高了混凝土抗裂等級。與圓環法試驗結果一致，摻入20%粉煤灰可以提高混凝土的抗裂性能，其主要機理也與粉煤灰降低混凝土的收縮有關。

根據上文結果，摻加MgO 膨脹劑和減縮劑都一定程度降低了混凝土的抗拉強度和極限拉伸值，在相同外力作用下，C2 和C3 混凝土可能會比C0 混凝土會更先開裂。但表6顯示摻入MgO 膨脹劑和檢縮劑都一定程度延緩了開裂時間、降低了平均開裂面積并提高了混凝土的抗裂性。如上文所討論的，本文采用的MgO 膨脹劑活性較高，具有早期膨脹特性，在水化早期MgO 與水發生反應生成Mg（OH）2晶體產生的體積膨脹可補償混凝土表面失水產生的收縮［10，14，16］，從而降低了混凝土因塑性收縮和干縮導致的開裂風險。減縮劑可降低混凝土中孔隙中溶液的表面張力，減少混凝土水分蒸發，減少了混凝土早期因為失水而引起的塑性收縮和干縮，從而在一定程度上提高了混凝土的抗裂性［18］。由此可見，C2 和C3 混凝土抗裂性的改善與MgO 膨脹劑和減縮劑能夠較大程度抑制混凝土的塑性收縮和干縮有關，這與上文混凝土的干縮結果較為一致。表6還表明，摻入6%MgO膨脹劑的混凝土抗裂等級最高。

3 結 論

（1）在混凝土摻入20%粉煤灰有利于混凝土后期強度的發展，而摻加6%MgO膨脹劑或1%減縮劑會降低各齡期的混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和極限拉伸值。

（2）摻加20%粉煤灰、6%MgO 膨脹劑或1%減縮劑都在一定程度上降低了混凝土各齡期的干縮率。相比之下，摻6%MgO膨脹劑對混凝土干縮的抑制效果優于摻20%粉煤灰或1%減縮劑，這與MgO膨脹劑可在水化早期產生膨脹有關。

（3）摻加20%粉煤灰、6%MgO 膨脹劑或1%減縮劑均可提高混凝土的早期抗裂性能，從而降低混凝土開裂風險，其中摻入6%MgO 膨脹劑的抗裂效果最好。在實際面板混凝土施工時，粉煤灰和MgO 膨脹劑/減縮劑復摻使用可能會取得更好的抗裂效果，該措施仍需進一步試驗證明。 □