時變抗裂指數在評價面板混凝土防裂措施中的應用

胡一棟，王利娜，劉世隆，徐 耀，韋建溪，王少江，馬鋒玲

(1.青海黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，青海 西寧 810000；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；3.水利部水工程材料重點實驗室(籌)，北京 100038)

1 概述

混凝土抗裂性研究一直是工程界極為關注的課題，一般認為宜將混凝土材料本體的抗裂性與結構混凝土抗裂性進行區分，作為兩個課題分別研究。結構混凝土處于約束條件下，開裂受多種因素綜合作用，部分外荷載會在混凝土中形成拉應力、混凝土水化時的自收縮和硬化時的干燥收縮收也會產生拉應力、混凝土早期水化溫升后期降低會產生溫度拉應力，其他情況如日常的干濕循環、溫度升降等也會在某個時期在結構混凝土中形成拉應力。結構混凝土抗裂性能的綜合評價已有眾多探索成果，如混凝土抗裂安全系數(朱伯芳[1])、抗裂度[2]、抗裂風險系數[3]等。

混凝土材料本體的抗裂性，表示混凝土材料自身的綜合抗裂能力，只與混凝土原材料及配合比有關，可以通過實驗室內測試的有關混凝土性能試驗結果計算出來，也是評價混凝土配合比優劣的一個重要參數。一般在不考慮混凝土結構的外部限制條件時，混凝土材料自身的抗裂性與抗拉強度、徐變成正比；與彈性模量、線膨脹系數、溫升、干縮和自變變形成反比。在如何評價混凝土材料的本體抗裂性能方面，從早期的1～2個性能參數的簡單評價方法，如抗拉強度、極限拉伸、線膨脹系數、自身體積變形、抗拉彈性模量、抗拉徐變、絕熱溫升、干縮、拉壓比、抗裂度及熱強比等，發展到多個性能參數的綜合評價方法，也更為準確和實用，對混凝土配合比的科研工作更具指導意義，如早期抗裂指數公式(黃國興[4])、混凝土抗裂指數(黃國興[4])、混凝土抗裂變形指數(李光偉[5-6])、抗裂參數(曾力[7])以及基于溫度-應力試驗抗裂指標[8]等抗裂評價方法。

早期抗裂指數公式：

(1)

混凝土抗裂指數公式如下：

(2)

混凝土抗裂變形指數公式如下：

(3)

混凝土抗裂參數公式如下：

(4)

上述公式中，εp—極限拉伸值，×10-6；Rl—軸拉強度，MPa；E1—抗拉彈性模量，GPa；C—徐變變形，×10-6/MPa：G—自生體積變形(脹正縮負)，×10-6；a—線膨脹系數，×10-6/℃；Tr—絕熱溫升值，℃；εs—干縮率，×10-6。

混凝土面板屬于長條薄板結構，一般寬6～16m，壩頂薄底部厚，公式為0.30+0.0033H(m)，一次滑模施工最長218m(公伯峽)。面板的三向尺寸懸殊，尤其是水平向容易產生裂縫。經過多年的工程實踐，目前采取的面板混凝土防裂措施主要有：原材料優選、配合比優化、摻加功能性防裂材料、非高溫季節施工、加強保溫保濕養護、延長養護時間等[9-12]。功能性防裂材料一般采用0.1%體積摻量的有機纖維，如聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維，部分工程采用了鋼纖維、氧化鎂膨脹劑等，取得了很好的抗裂效果，但很多工程還是在早期或者幾個月后產生了大量的裂縫[13-14]。

本文主要對比研究各種功能性防裂材料對不同齡期面板混凝土抗裂性能的提升效果。通過實測不同齡期面板混凝土各項性能參數，計算不同齡期混凝土的抗裂指數，綜合對比評價各項防裂措施的有效性，以保證面板混凝土配合比設計的質量。

2 面板混凝土配合比

某水電站位于內陸，海拔高，具有高原氣候特點。日照時間長，晝夜溫差大，干燥多風，對面板混凝土的抗裂性要求較高，有必要采用合適的功能性材料提升面板混凝土的抗裂能力。該工程主壩為鑲嵌混凝土面板堆石壩，最大壩高150m，底部鑲嵌混凝土高60m。面板混凝土設計指標為C30W10F400，二級配，要求水膠比小于0.45，倉面坍落度控制為30～70mm。試驗采用P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥，F類Ⅰ級粉煤灰，萘系高效減水劑和引氣劑，天然細骨料，二級配天然粗骨料。混凝土配合比計算采用絕對體積法，砂石骨料均以飽和面干狀態為基準。

經優化調整后給出的面板混凝土基準配合比及原材料用量見表1。

表1 面板混凝土基準配合比

通過采用納米材料、纖維材料、微膨脹材料、減縮劑等，可以優化混凝土孔結構，強化混凝土骨料界面，增強混凝土體積穩定性，改善混凝土水化熱過程，配制抗裂耐久高性能面板混凝土。本文采用的功能性材料主要包括：

(1)納米碳酸鈣：粒徑50～100nm。

(2)硅灰：粒徑100～300nm。

(3)硅灰粉煤灰復摻：硅灰雖然能夠有效地改善硬化水泥漿體和混凝土微結構，但是由于硅灰的比表面積較大，混凝土摻入硅灰后需水量增大，自收縮也增大。為了盡量減少硅灰帶來的不利影響，可以在摻加硅灰的同時摻加粉煤灰等其它火山灰材料或其它物質，取長補短以取得更好的技術經濟效果。

(4)聚丙烯纖維：為超細有機纖維材料，直徑48μm，長度19mm。聚丙烯纖維是一種較低彈性模量纖維，摻入到混凝土中后，每m3內的數千萬根纖維呈三維亂向分布，形成一種三維亂向支撐網，能很好地阻止在混凝土澆搗成型過程中和早期裂縫的產生，從而對混凝土的抗裂性有很好的效果。

(5)防裂抗滲復合材料：為混凝土防裂抗滲耐久防水復合材料，由納米活性粉體材料和高分散超細有機纖維等按一定比例復配而成。

(6)微膨脹材料：氧化鎂膨脹劑，是以懸浮窯制備的輕燒MgO為主要成分的膨脹材料。膨脹劑在混凝土硬化過程中使混凝土產生體積微膨脹，從而在受限條件下的混凝土中產生預壓應力，有效改善混凝土的防滲抗裂能力。

(7)減縮劑：一種新型化學外加劑，主要成分是丙二醇、聚乙二醇烷基類材料，能夠有效降低混凝土毛細孔溶液的表面張力，減小水分減少過程中的收縮力，從而降低了混凝土的自收縮和干燥收縮，能夠控制混凝土的早期開裂。

(8)防水劑：一種高性能混凝土防水外加劑。

在面板混凝土基準配合比基礎上，經過試拌，確定摻加抗裂性能提升材料后的混凝土配合比見表2。

表2 混凝土抗裂性能提升用配合比

3 摻加功能性防裂材料后面板混凝土性能試驗結果

按照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規程》進行面板混凝土的力學性能、變形性能等各項性能的檢測，摻加功能性防裂材料后對比試驗結果如下，數據見表3—7：

表5 混凝土軸壓強度、軸壓彈性模量試驗結果

(1)摻加納米碳酸鈣材料后，混凝土抗壓強度、劈拉強度、彈性模量略有增大，極限拉伸值、軸拉強度、軸壓強度增大較多，混凝土干縮變形、自生體積收縮變形略有減小。

(2)摻加硅灰后，混凝土抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、軸拉強度、軸壓強度均大幅增加，7天抗壓強度增加50%左右，劈拉強度增加80%左右，但混凝土干縮變形、自生體積收縮變形有所增加，對混凝土抗裂又有不利影響。

(3)硅灰粉煤灰復摻后，混凝土抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度、軸壓強度均有所增加，7天劈拉強度增加10%左右，各齡期極限拉伸值增大10%～30%。同時混凝土自生體積變形收縮早期略有增大，干縮變形也有增加。

(4)摻加聚丙烯纖維后，混凝土抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、軸拉強度、軸壓強度變化不大，混凝土干縮變形略有減小、自生體積收縮變形后期明顯減小。

(5)摻加防裂抗滲復合材料后，各齡期混凝土抗壓強度及早齡期劈拉強度均增加10%以上，極限拉伸值、軸拉強度、軸壓強度略有增加，混凝土干縮變形、自生體積收縮變形明顯減小。

(6)摻加微膨脹材料后，自生體積變形為微膨脹，各齡期混凝土抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、軸拉強度、軸壓強度均有所降低，干縮變形增加10%左右。

(7)摻加減縮劑后，早期混凝土抗壓強度和劈拉強度有較大增長，極限拉伸值、軸壓強度略有增加，軸拉強度略有減小。混凝土干縮變形3天后開始明顯減小，隨著水化反應和表面水分散失，混凝土毛細孔水分開始減少，減縮劑開始起作用，7天時減少26%，28天時減少14%，90天時減少12%。混凝土自生體積變形收縮減小，從3天的減少32%逐步縮小到90天的13%。

(8)摻加防水劑后，各齡期混凝土抗壓強度、劈拉強度均有所增加，早期劈拉強度有較大增長，極限拉伸值、軸拉強度略有增加，軸壓強度略有減小。混凝土早期3～28天干縮變形變大，自生體積收縮變形基本一致。

4 抗裂性能提升措施效果對比分析

前面分析了各種抗裂性能提升材料對混凝土單項性能的影響，而對各項性能的綜合影響決定了混凝土是否開裂，這可以通過計算下述抗裂指數來進行評價。考慮到面板混凝土屬于薄板結構，內部溫升不大，底部砂漿墊層平整度要求較高，中間單層結構性配筋，因此面板混凝土所受約束較小，開裂主要受抗拉性能與失水干縮性能的影響。可以選用比較簡潔的早期抗裂指數公式，本文選用如下開裂指數公式，計算的不同齡期抗裂指數見表8。同時列出了相對于基準混凝土的抗裂指數增加率，以便對比分析各種材料的抗裂效果。

(5)

表8 采用不同抗裂措施混凝土的時變抗裂指數

式中，RL—軸拉強度，MPa；εp—極限拉伸值，×10-6；EL—抗拉彈性模量，GPa；εs—干縮率，×10-6。

由表8數據分析可以得到如下試驗結果：

(1)隨著混凝土齡期的增長，混凝土抗裂指數總體來說是增加的，混凝土的抗裂能力逐漸增加。

(2)抗裂指數增加率表明，納米碳酸鈣、硅灰等超細材料極大地提升了混凝土的早期抗裂性，硅灰粉煤灰復摻對混凝土中期抗裂提升明顯，減縮劑對混凝土早期中期抗裂都非常有利，摻防裂抗滲復合材料和聚丙烯纖維材料混凝土的各齡期的抗裂效果均有所提升，摻微膨脹材料和防水劑混凝土的后期抗裂指數有所降低。

(3)抗裂指數增加率也表明，各種功能性材料對面板混凝土后期防裂的作用有限。

因此，推薦在面板混凝土中摻加超細材料和減縮劑，有效提升早中期的抗裂性，避免早期開裂在混凝土中形成缺陷，造成后期裂縫的擴大和增多。

5 結論

(1)采用抗裂指數公式，可以更有效地評價各種功能性材料對面板混凝土抗裂能力提升效果。

(2)不同齡期的抗裂指數對比分析表明，不同功能性材料的防裂效果存在明顯的差異，推薦摻加超細材料和減縮劑，可以有效提升面板混凝土抗裂性。

(3)不同功能性材料的防裂效果在不同齡期也存在明顯的差異，建議采用綜合性的抗裂措施，充分利用不同功能性材料在不同齡期防裂能力更具優勢的特性。

(4)推薦使用合適的多參數抗裂指數公式取代單參數綜合評價混凝土性能，更契合實際抗裂效果，以保證混凝土配合比設計的高質量。