雙膨脹源層面材料力學特性及微觀結構研究

祝小靚，傅瓊華，高江林，龔 英，徐晶晶

(1.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術研究中心，江西 南昌 330029)

1 研究背景

碾壓混凝土壩每連續鋪筑多個碾壓層后要間歇一次較長的時間[1]，因此碾壓混凝土壩通常存在“冷縫”問題[2]。層面是碾壓混凝土壩的薄弱面[3- 4]，如何提高壩體質量的問題實際上是如何控制和提高層面質量的問題[5]。當前碾壓混凝土壩高度在不斷提高，壩前水壓也在不斷增大，層間縫面的滲漏問題更為突出[6]。當庫水沿層面進入壩體，會增加壩體的孔隙水壓力及揚壓力，在降低壩體抗滑穩定性的同時，滲透水還會將混凝土中的Ca(OH)2和其他成分帶走，使其強度降低從而影響碾壓混凝土的耐久性。

在水工建筑物的修補加固項目中，出現了因使用普通混凝土硬化收縮致使新老混凝土層間出現裂縫的現象[7- 8]，通過摻入膨脹劑的方法，使得新澆筑混凝土產生一定微膨脹，以補償收縮和產生自應力從而改善結合部位的受力性能[9]。而針對碾壓混凝土壩層間結合質量問題，目前較為傳統的做法是提高層間結合部位處理材料的抗壓強度，這類處理材料同樣面臨收縮變形較大的問題，那么是否也可以通過摻入膨脹劑，使得新澆筑混凝土產生一定的微膨脹，起到補償收縮和產生預壓應力的作用，從而改善新老混凝土結合部位受力性能[10]值得深入研究。

表1 層面材料試驗配合比

目前主要是通過鋪筑普通砂漿、凈漿或者小級配混凝土的處理方式[11，12]對碾壓混凝土壩層面進行處理，部分大壩的層面改善效果并不理想。本文針對目前碾壓混凝土壩存在的層間滲漏和結合質量問題，基于修補材料在新老混凝土粘結處理上的特點，從碾壓混凝土壩層面處理材料角度入手，利用雙膨脹源膨脹劑補償收縮，輔以硅粉與膨脹產物反應生成的水化硅酸鈣提高層面材料粘結性能的思路，從材料的微觀角度探究雙膨脹源改性材料對宏觀性能的改性機理。

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗所用水泥為弋陽海螺水泥責任有限公司生產的海螺P·O42.5普通硅酸鹽水泥，江西景德鎮發電廠的II級粉煤灰，埃肯公司920U型半加密硅粉，HME類氧化鈣-硫鋁酸鈣復合類膨脹劑以及FDN-B緩凝高效減水劑。細骨料采用細度模數為3.0的人工砂。

2.2 配合比

層面處理材料包括硫鋁酸鈣-氧化鈣雙膨脹源膨脹劑和硅粉，采用大摻量粉煤灰層面處理砂漿，控制不同配比的處理材料拌和物性能基本保持一致，設計了表1所示層面材料配合比。其中，F代表單摻粉煤灰，FS代表粉煤灰與硅粉復摻，FSE代表粉煤灰、硅粉及膨脹劑復摻，數字代表膨脹劑摻量。硅粉和膨脹劑采用內摻法，等量取代膠凝材料，保持粉煤灰與(粉煤灰+水泥)的比例不變。

3 試驗結果

層面處理砂漿流動度及各齡期強度見表2，摻入膨脹劑后，同時改善了抗壓強度和抗折強度。層面材料28 d和90 d的抗壓強度要比碾壓混凝土本體的抗壓強度高一個等級。

表2 不同層面處理材料流動度和強度

3.1 膨脹劑對層面處理材料柔韌性的影響

柔韌性反映了材料柔韌變形性能的好壞，壓折比可以在一定程度上衡量材料柔韌性。利用表2中抗壓強度和抗折強度的數據經過計算可以得到壓折比，如表3所示。

表3 膨脹劑對層面處理材料柔韌性的影響

由表3可以看出，7 d時摻有膨脹劑的層面材料柔韌性較未摻時好，隨著齡期的增長，柔韌性逐漸變差，但90 d齡期時單摻粉煤灰的層面材料柔韌性反而最優。對于碾壓混凝土層面粘結性能來說，早期上下層碾壓混凝土的變形對層面材料的柔韌性要求更高，因此早期柔韌性對碾壓混凝土層面粘結性能的影響至關重要。

圖3 微觀形貌(180 d)

3.2 層面處理材料微觀結構分析

3.2.1 鈣硅比能譜分析

通過對層面材料的整個斷面做能譜分析(見圖1)，得到的能譜分析結果如圖2所示。利用SEM附帶的EDS能譜分析確定水化產物中鈣和硅的摩爾含量，并對鈣硅比做了統計，如表4所示。從表中可以看出，鈣硅比基本小于1.5，平均值為1.265。通常，硅酸鹽水泥混凝土的鈣硅比一般在1.5～2.0之間，且多數情況下接近于2.0。與硅酸鹽水泥不同的是，由于粉煤灰中氧化鈣含量較少，粉煤灰反應生成的水化硅酸鈣的鈣硅比較低，因此，大摻量粉煤灰的凝膠材料水化生成的凝膠整體鈣硅比較低。

圖1 層面材料斷面

圖2 層面材料斷面能譜分析

從表中可以明顯的看出，硅粉的加入，使得FS的鈣硅比降低，膨脹劑的加入使得鈣硅比進一步降低，隨著膨脹劑摻量的增加，鈣硅比先減小后增大。有研究表明，水化硅酸鈣的強度隨著鈣硅比的減小而增大。

表4 Ca/Si統計結果

3.2.2 微觀結構掃描電鏡分析

采用日本電子珠式會社JSM- 6701F冷場發射掃描電子顯微鏡測試不同層面處理材料的微觀結構，從圖3可以看出，FS層面材料180 d的水化產物中生成了較多C-S-H，總體來看，比單摻粉煤灰的層面材料要密實。C-S-H是混凝土材料強度、密實性和孔隙發展的決定性材料。硅粉的摻入，增加了水化硅酸鈣凝膠在空間上的云狀、網狀形態的復雜性，增大了材料內部孔隙長度及曲折性，即在一定程度上延長了外界水分的滲透路徑，對降低混凝土相對滲透系數起到了積極作用。

膨脹劑的摻入明顯促進了針棒狀鈣礬石Aft晶體的生長，隨著膨脹劑摻量的增加，針棒狀鈣礬石Aft晶體的數量明顯增多，正是由于這些晶體的生成，使得混凝土產生一定量的微膨脹，且在混凝土內部的孔洞和微裂縫中生長，逐漸搭接在一起形成相互交錯的網狀結構，且貫穿于絮凝狀和網狀的C-S-H凝膠中，使混凝土內部結構不斷密實；膨脹劑摻量為8%時，水化硅酸鈣凝膠與氫氧化鈣、鈣礬石晶體結合在一起，膨脹性能適中，混凝土結構較為致密；但當膨脹劑超過一定摻量時，會由于膨脹性能過大而引起新的微裂縫。

4 結 論

(1)7 d時摻有膨脹劑的層面材料柔韌性較未摻時好，而對于碾壓混凝土層面粘結性能來說，早期上下層碾壓混凝土的變形對層面材料的柔韌性要求更高，因此早期柔韌性對碾壓混凝土層面粘結性能的影響至關重要。

(2)硅粉和膨脹劑可以降低水化產物的鈣硅比，隨著膨脹劑摻量的增加，鈣硅比先減小后增大，而水化硅酸鈣的強度與鈣硅比密切相關。

(3)膨脹劑摻量為8%時，水化硅酸鈣凝膠與氫氧化鈣、鈣礬石晶體結合在一起，膨脹性能適中，一方面生成鈣礬石和氫氧化鈣微膨脹起到補償收縮的作用，另一方面通過膨脹產物填充結構孔隙，使水泥石更為密實；但當膨脹劑超過一定摻量時，會由于膨脹性能過大而引起新的微裂縫。