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,江蘇 南京 210016）

南水北調是實現我國水資源優化配置的重要戰略舉措，是一項超大型、跨世紀的基礎設施工程，是解決京津華北地區、黃淮海平原和黃河上中游地區缺水的一項不可替代戰略性工程措施[1]。南水北調工程中渡槽數目眾多，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，已成為南水北調工程中迫切需要解決的重大課題。

渡槽混凝土出現裂縫對結構的危害很大，引起混凝土開裂的主要原因是混凝土澆筑初期水泥產生水化熱和環境溫度變化產生的溫度應力以及體積收縮應力。影響混凝土溫度應力和收縮應力的因素很多，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，應從原材料選擇、混凝土配合比設計、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生裂縫的方法[7,8]。

膨脹劑在一定條件下發生水化反應，產生預應力來補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償要求，具有早、后期膨脹特點，可有效補償渡槽在早期和后期產生的收縮[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，同時分析和研究該膨脹劑對渡槽混凝土抗裂性影響機理和規律，以期為工程實際應用提供理論指導。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗采用河南某水泥公司生產的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥和河南某熱電廠的I級粉煤灰，其中水泥3、28 d強度分別為20.6、43.6 MPa；減水劑為河南某建材有限公司生產的萘系減水劑，減水率約為25%；引氣劑為松香型引氣劑；采用天然河砂，細度模數為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。原材料的化學成分見表1。

表1 原材料的化學組成分析 %

1.2 試驗方法和混凝土配合比

（1）混凝土自由變形試驗。試驗方法參照SL352—2006《水工混凝土試驗規程》進行，，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，并按水泥質量的0%、6%、8%、10%摻入膨脹劑 （膨脹劑質量分別為0、18.12、24.16、30.20 g）。試件經標準養護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護到相應的齡期，測定其長度并計算自由變形:

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

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

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℃下養護，膨脹劑摻量對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，主要膨脹量發生在90 d之內；膨脹速率是早期快、后期慢，在28 d內最大。這是因為膨脹劑含有CaO和MgO兩種膨脹源，CaO早期發生水化，使混凝土膨脹，MgO自28 d后開始水化，促進后期膨脹。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養護溫度為20、60℃時，混凝土自由膨脹率隨膨脹劑摻量的變化規律基本相似，但60℃時各齡期的膨脹量明顯增大，180 d的膨脹量比在20℃時增加了約80%～100%；當膨脹劑的摻量從6%增加到10%時，摻量每增加2%膨脹量大約增大10×10-6。

圖1 膨脹劑對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構和微觀分析

在水泥凈漿水化過程中摻入膨脹劑，可能對水泥凈漿的孔結構發展與分布產生兩種完全相反的作用:一是膨脹劑的水化產物填充水泥混凝土的水化產物孔隙中，減小水泥漿體的孔徑，降低有害孔的數量，細化水泥石結構，改善了水泥漿體的孔徑分布，提高密實度，降低了應力集中，緩解了膨脹應力，減少裂紋；另一種是膨脹劑的水化產物沒有填充到水泥漿體的孔隙中，而是在局部集中，水泥漿體的孔結構沒有得到改善，反而由于膨脹劑的局部膨脹作用，在水泥漿體內產生了膨脹應力，使水泥漿體中的有害孔數量增加，水泥漿體產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℃養護3d孔隙率與未摻膨脹材料的孔徑分布對比，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的多害級孔和50～200 nm的有害級孔略有提高；20～50 nm少害級孔和<20 nm無害級孔略有降低。這說明在水化進行中膨脹材料的作用影響了水泥石內部孔結構的分布，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，粉煤灰具有獨特的結構和顆粒形態，含有大量的玻璃微珠，其獨特的微觀形態結構改善了水泥基材料的孔結構特性，使水泥石孔隙率增加、平均孔徑降低。水化3 d時，可看到未水化粉煤灰顆粒，膨脹材料水化產物難發現，孔隙率比較大，結構比較疏松；水化180 d時，可以看到膨脹材料水化產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力，抑制了水泥漿體過度膨脹，使結構更加密實[19]。

3 結 論

（1）混凝土的自由膨脹率隨膨脹劑摻量和養護齡期的增長而增長，膨脹量主要發生在90 d內，180 d趨于穩定，有效地補償了混凝土的收縮，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，后期相對來說增加不大；養護溫度從20℃增大到60℃，混凝土養護180 d的膨脹率增加約80%～100%，養護溫度對渡槽體積變形影響較大，故混凝土養護溫度的控制很重要。

（3）膨脹劑水化影響了水泥石內部孔結構，與粉煤灰共同改善了水泥漿體的孔徑分布，提高了漿體的密實度，降低了渡槽開裂風險。

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