西北寒區超高性能面板表面防護混凝土試驗研究

孫小玉

(天水市水利服務中心，甘肅 天水 741000)

1 概述

土石壩結構簡單、適應性強、施工簡單、工程造價低，在現代水利工程中得到廣泛應用[1- 5]。土石壩在設計和修建過程中，為了防止滲漏和潰壩，一般會在土石壩表面設計一層混凝土面板，由于混凝土面板長期與水接觸，極易出現鈣離子溶蝕現象，從而影響混凝土強度和密實性，導致壩體滲漏，因此，開展土石壩面板混凝土性能研究具有重要意義[6- 11]。

西北寒區具有復雜的水工環境，除了靜荷載循環作用和鹽類侵蝕溶蝕作用，在寒冷氣候環境下，混凝土內部孔隙水會發生結冰，導致結構發生凍脹破壞(凍融循環作用)，為了防止發生凍脹損傷，寒區水工混凝土常常設計為很低的水灰比，這就會導致面板混凝土的自收縮性大大增加，引起混凝土開裂，從而加速土石壩發生溶蝕破壞。據不完全統計，土石壩因面板混凝土損傷發生滲透破壞的占比達到50%以上。為提升寒區面板混凝土的長期服役性能，就需要在低水膠比設計情況下，盡量減少面板混凝土的自收縮性。參照超高性能混凝土的設計思路，在低水膠比情況下，可通過摻入鋼纖維、減縮劑或者是膨脹劑等減少混凝土的自收縮性，當水膠比為0.2，鋼纖維摻量為2%時，可降低57%的混凝土干燥收縮量，但是目前關于這三種材料具體的減縮效果的橫向比較還比較鮮見，因此，有必要開展進一步的對比試驗研究。

本文采用室內試驗法，通過強度試驗、溶蝕試驗和干燥收縮試驗，對西北寒區土石壩超高性能面板表面防護混凝土進行了研究，以期能為面板混凝土的設計與應用提供參考。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

水泥：選用P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，主要化學成分為SiO2、Al2O3和CaO，占比分別為20.9%、5.4%和62.2%，比表面積大小為365m2/kg，初凝和終凝時間為160、220min，28d抗壓和抗折強度分別為59、11MPa。

粉煤灰：選用I級粉煤灰，密度大小為2kg/m3，比表面積為695m2/kg，主要化學成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，占比分別為65.7%、20.6%和4.7%，需水量為87%，燒失量為4.4%。

硅灰：耐火度>1600℃，密度大小為1620kg/m3，比表面積為20000m2/kg，主要化學成分為SiO2和Na2O，占比分別為90%和7.4%，需水量比為109%，燒失量為2.3%。

骨料：粗細石英砂，粗石英砂(40～70目)粒徑范圍為0.212～0.428mm，含水率為1.2%，細石英砂(70～140目)粒徑范圍為0.106～0.212mm，含水率為1.1%。

外加劑：減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率≥28%，含氣量為3.12%，收縮率比為93.6%；引氣劑減水率為9.5%，含氣量為4.7%；膨脹劑選用HCSA膨脹劑，主要化學成分為CaO和Al2O3，占比分別為50.6%和15.6%；減縮劑選用SBT?-SRA(Ⅰ)型混凝土減縮劑。

鋼纖維：平均直徑為0.22mm，平均長度為13mm。

2.2 試驗方案

試驗共分為兩個部分：第一部分，通過強度和溶蝕試驗，確定出不同硅灰摻量下表面防護混凝土的最佳基礎配合比，硅灰摻量分別為0、10%、20%、30%、40%共5種；第二部分，在最佳基礎配比情況下，探討鋼纖維摻量(0、1%、2%、2.5%)、減縮劑(0、2%、3%、4%)以及膨脹劑(0、8%、10%、12%)對混凝土干燥收縮性能的影響。基礎配合比設計情況見表1。

表1 基礎配合比情況

2.3 試驗內容

基本性能試驗：包括強度試驗和抗溶蝕試驗。強度試驗采用YAW- 300型微機全自動壓折一體試驗機測試不同基礎配合比混凝土28d養護齡期下的抗壓和抗折強度；抗溶蝕試驗采用浸泡法，將養護齡期為28d的試件在5mol/L氯化銨溶液中浸泡70d，測量浸泡前后的質量損失情況。

收縮試驗：將不同配比試驗組混凝土自然養護1d，然后拆模放入干縮試驗箱中，試驗箱中的溫度為20±2℃，相對濕度大小為60±5%，測試不同干縮時間段(1、3、7、14、28、 56d)的干縮率。

3 試驗結果及分析

3.1 強度特征

試驗得到的不同硅灰摻量下混凝土的強度特征如圖1所示。從圖1中可以看到：隨著硅灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈先增大后減小的變化特征，0、10%、20%、30%、40%硅灰摻量對應的混凝土抗壓強度分別為94、105.4、99.5、85.8、62.5MPa，當硅灰摻量為10%時，表面防護混凝土的抗壓強度值達到最大值，相較于不摻加硅灰時，抗壓強度增大約12%；摻入硅灰后，表面防護混凝土抗折強度均有不同程度的增加，10%、20%、30%、40%硅灰摻量對應的混凝土抗折強度分別為23.9、22.8、23.3、25.8MPa，相比不摻加硅灰試驗組(17.5MPa)分別提升37%、30%、33%、 47%。由此可見，摻入硅灰可以提升表面防護混凝土的強度特征，且當硅灰摻量在10%時，能達到較好的增強效果，這是因為硅灰粒徑較小，可以起到良好的填充效應，降低混凝土孔隙率，同時硅灰還具有一定的火山灰效應，使得混凝土內部結構更加致密， 但是當硅灰摻量達到一定量以后，會給混凝土內部引入過量的氣泡，反而會導致密實度下降，同時還會導致混凝土塑性收縮量增大，產生大量微裂縫，因而會在一定程度上造成強度降低。

圖1 不同硅灰摻量混凝土強度特征

3.2 抗溶蝕特性

試驗得到的不同硅灰摻量下表面防護混凝土浸泡70d后的質量損失情況如圖2所示。從圖2中可以看到：當不摻入硅灰時，混凝土的質量損失隨溶蝕時間的增長而逐漸增大，溶蝕70d后，質量損失達到1.5%，當摻入10%的硅灰后，混凝土的質量損失仍隨溶蝕時間的增長而逐漸增大，但溶蝕70d后，質量損失僅為0.47%，而當摻入20%～40%后，混凝土沒有出現質量損失，反而質量還有所增加，表明硅灰的摻入對提高混凝土抗溶蝕性能具有明顯的作用。這是因為混凝土在氯化銨溶液中浸泡時，由于氯化銨的浸入，導致氯化銨和水泥石中的氫氧化鈣發生化學反應，使得試件內部的鈣離子濃度增大，而試件表面的混凝土鈣離子濃度又比較低，從而導致試件內外部會形成鈣離子的濃度差，試件內部的鈣離子會向外部流出，進而導致混凝土質量損失；當摻入適量硅灰后，混凝土內部結構密實度會增加，同時由于硅灰具有的火山灰效應，使得試件內部易溶蝕的氫氧化鈣轉變為不易溶蝕的C-S-H 凝膠，從而提升整體的抗溶蝕性能。從試驗結果來講，當硅灰摻量為20%時，混凝土的抗溶蝕性能最佳。

圖2 不同硅灰摻量混凝土溶蝕曲線

3.3 干燥收縮性能

結合上文分析結果，綜合考慮表面防護混凝土的強度和抗溶蝕性能，認為當硅灰摻量為20%時，表面防護混凝土的綜合性能最佳。因此，以C試驗組為基礎配合比，分別加入不同摻量的鋼纖維、減縮劑和膨脹劑，然后進行干縮試驗，得到的干燥收縮曲線如圖3所示。

從圖3(a)中可以看到：隨著收縮時間的增加，混凝土的干燥收縮量呈對數型函數增長，0～14d時，干燥收縮量增長較快，當超過14d后，干燥收縮量逐漸趨于穩定。隨著鋼纖維摻量的增加，同一時間的干燥收縮量逐漸減小，干燥收縮56d后，不摻加鋼纖維的試驗組干燥收縮量為723μm/m，1%、2%、2.5%鋼纖維摻量下的干燥收縮量分別為652、550、535μm/m，相較于不摻加鋼纖維試驗組，干燥收縮量分別降低9.8%、23.9%、26%，表明鋼纖維可以較好地抑制表面防護混凝土的收縮，這是因為鋼纖維可以在混凝土中起到去加支撐作用，增加水泥石顆粒之間的聯結力，從試驗結果來看，當鋼纖維摻量超過2%以后，抑制收縮增加的效果將不再明顯。

圖3 不同材料摻入下干燥收縮曲線

從圖3(b)中可以看到：不同減縮劑摻量下的干燥收縮曲線仍呈對數型變化特征，隨著減縮劑摻量的增加，同一時間的干燥收縮量逐漸減小，這是因為減縮劑作為一種表面活性劑，可以降低混凝土試件中的孔溶液表面張力，同時可以減小和延遲混凝土試件中的水分蒸發，因而可以減小混凝土的干燥收縮。2%、3%、4%減縮劑摻量下的干燥收縮量分別為285、250、245μm/m，相較于不摻加減縮劑試驗組，干燥收縮量分別降低60.6%、65.4%、66.1%，減縮劑摻量對干燥收縮量的影響較小，但抑制收縮的效果明顯強于鋼纖維。

從圖3(c)可以看到：不同膨脹劑摻量下的干燥收縮曲線呈不同的變化特征，不摻加膨脹劑情況下，干燥收縮曲線呈對數型變化，摻入膨脹劑后，干燥收縮曲線先減小后增大，即混凝土先表現為膨脹，然后再表現為輕微收縮，這是因為膨脹劑具有自身水化的特性，在早期可以通過自身所含的生石灰和水進行水化反應，生成大量的CH，從而表現體積膨脹，此時膨脹作用大于干縮作用，當干縮7d后，膨脹劑已基本消耗殆盡，干縮作用開始占據優勢，此時又表現為體積壓縮。8%、10%、12%減縮劑摻量下的干燥收縮量分別為12、-35、-215μm/m，可見，膨脹劑對于表面防護混凝土的減縮效果最佳，但是若摻入的膨脹劑過大，會在使用過程中造成一定量的膨脹，反而會導致混凝土結構損傷，因此各項因素，認為膨脹劑摻量不應超過10%。

4 結語

針對西北寒區復雜的水工環境，采用室內試驗方法，對土石壩面板表面防護混凝土進行了研究，結果表明：

(1)摻入適量硅灰，可以明顯提升防護混凝土的強度特性，當硅灰摻量為10%時，能達到較好的增強效果。

(2)硅灰的摻入可顯著提升防護混凝土的抗溶蝕性能，當硅灰摻量為20%時，混凝土的抗溶蝕性能最佳。

(3)對防護混凝土收縮抑制效果排名依次為：膨脹劑>減縮劑>鋼纖維。

(4)由于膨脹劑會在使用過程中造成結構膨脹損傷，因此在實際工程中的最佳摻量還需進一步做研究，同時對膨脹劑、減縮劑、鋼纖維三種材料復摻情況下的減縮效果仍需在將來作進一步探討。