不同膨脹劑的堆石壩面板混凝土抗裂性能試驗研究

邸會明

（綏中縣水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125200）

因具有抗震性好、施工簡便等優點，混凝土面板堆石壩被廣泛應用于壩體工程，但面板壩建設始終面臨著裂縫控制的難題[1]。從材料角度控制自澆筑到運行期堆石壩面板的開裂，最大程度地限制堆石壩面板混凝土開裂逐漸成為水利工程和混凝土材料領域關注的熱點[2]。目前，從材料角度主要通過引入膨脹組分、利用纖維增韌、摻加礦物摻合料、優化配合比等措施補償或抑制混凝土的收縮，從而達到裂縫控制的作用[3-5]。膨脹劑是一類能夠持續增加水化產物固相體積的材料，如氧化鎂、無水硫鋁酸鈣和石灰的理論膨脹劑可以達到118%、125%、120%，其產生的合理膨脹應力可以優化孔溶液成分、堿度，改善微結構密實度及其抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化等性能[5-6]。然而，膨脹劑性能的發揮受混凝土性能發展與膨脹歷程協調性、活性、種類等諸多因素的影響，使用之前必須系統分析面板混凝土收縮開裂受不同膨脹組分的影響作用。鑒于此，本文以遼寧省關門山水庫面板堆石壩為例，以除險加固工程C25 面板混凝土的配合比和原材料為基準，通過配合比優化和摻入膨脹劑，探討不同膨脹劑對面板混凝土抗裂性能、干燥收縮、限制膨脹率和抗壓強度的影響，以期為面板混凝土開裂風險控制及其配合比優化提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用北京金隅集團股份有限公司生產的P·O42.5 級水泥，沈陽鑫盛華誠商貿有限公司提供的F 類Ⅱ級粉煤灰，大連格潤特建材有限公司生產的混凝土用氧化鎂、Ⅰ型和Ⅱ型硫鋁酸鈣類3 種膨脹劑，細骨料選用大連豐鑫沙石廠提供的人工機制砂，細度模數3.0，石粉含量15.2%，堆積密度1580kg/m3，粗骨料為連續級配粒徑5～15mm、16～30mm 的花崗巖碎石。聚丙烯纖維來源于山東億泰工程材料有限公司，纖維的抗拉強度540.28MPa，直徑24.75μm，外加劑選用西奧興業PCA410 聚羧酸高效減水劑，拌和水用當地自來水。經檢測，3 種膨脹劑符合《混凝土用氧化鎂膨脹劑》及Ⅰ型、Ⅱ型硫鋁酸鈣類膨脹劑相關要求。

1.2 配合比設計

為達到設計指標條件下堆石壩面板混凝土膨脹劑摻量和施工方案最佳的要求，對比分析J-M(摻氧化鎂膨脹劑)、S-Ⅰ(摻Ⅰ型膨脹劑)、S-Ⅱ(摻Ⅱ型膨脹劑)優化配合比和J-0 組基準配合比的混凝土性能。根據C25W10F100 的設計要求確定4 組配合比強度等級，控制坍落度40～80mm，采用機械拌和、振動成型、標準養護的方式制備混凝土試塊，混凝土配合比如表1 所示。

表1 混合比設計

1.3 試驗方法

1）依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土抗壓強度試件的拌和、成型、養護及測試，配制的試件為150mm×150mm×150mm立方體，測定標養3d、7d、28d、56d 的抗壓強度。

2）采用非接觸式收縮變形測定儀和515mm×100mm×100mm 的棱柱體試件進行早期收縮試驗，在恒濕恒溫環境中進行測試，混凝土收縮率以3d 齡期測試值為基準。

3）采用尺寸100mm×600mm×800mm 含刀口誘導器的平板試模制作早期抗裂性試驗試件，入模成型后放入恒濕恒溫中養護。成型30min 后立即調節風扇的風速和位置使試件表面中心正上方100m 處風速為5±0.5m/s，采用200 倍放大鏡讀取24±0.5h 時(自加水攪拌起算)的表面裂縫寬度，計算確定單位面積上的開裂面積。

4）本試驗選用515mm×100mm×100mm 的棱柱體進行干縮試驗，成型前將銅制測試釘頭預埋至試件端頭，成型后室內靜置24h 后拆模并立即放入標養室養護3d，標養室相對濕度不低于95%，溫度20±20℃，然后放入恒濕恒溫環境中測試初始長度，在該環境下養護1d、3d、7d、14d、28d 時用臥式收縮儀測試混凝土干燥收縮率。

5）根據《水工混凝土試驗規程》進行混凝土限制膨脹率試件的拌和、成型、養護及測試，成型前將縱向限制器預埋至拌合物內，配制的試件為300mm×100mm×100mm 棱柱體，其成型拆模強度應達到3～5MPa，拆模后1h 內測試其初長，隨后浸入恒溫(20±20℃)水槽內養護，用限制膨脹率測量儀測定水養3d、7d、14d 時長度變化值，14d 時將試件移至恒濕恒溫環境中(相對濕度60±5%、溫度20±20℃)養護，測試28d、42d 的膨脹率用于對比分析。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度試驗

水工混凝土3d、7d、28d、56d 抗壓強度測試結果如圖1，結果顯示混凝土抗壓強度均隨著養護齡期的增加逐漸增大。摻膨脹劑混凝土各齡期強度相較于基準組都較高，3d、7d、28d 早期強度呈穩定增長變化趨勢，28d 后增幅明顯減小。具體而言，S-M 組的3d 強度相對于J-0 基準組提高10.7%，7d 強度與J-0 基準組相同，28d、56d 強度持續高于J-0 基準組；S-Ⅰ組的3d、7d、28d、56d 強度相對于J-0 基準組提高16.1%、17.2%、9.1%、23.2%，這說明Ⅰ型硫鋁酸鈣類膨脹劑的早期水化活性較高，并且后期呈持續發展態勢；經對比分析，Ⅱ型硫鋁酸鈣類膨脹劑的早期和后期水化效率均較低。對于關門山水庫面板堆石壩，考慮到混凝土設計強度較低為C25，故優先選用早期抗裂性能顯著、活性良好且能夠明顯提升后期強度的Ⅱ型硫鋁酸鈣類膨脹劑。

圖1 各齡期混凝土抗壓強度變化

2.2 早期收縮與抗裂試驗

摻不同膨脹劑水工混凝土早期抗裂性及收縮率測試結果如表2，結果表明水化硬化早期各組混凝土試件體積變化明顯。具體而言，體積變化最大的是J-0 基準組混凝土，S-M 組的早期收縮率最小明顯低于J-0 基準組、S-Ⅰ組和S-Ⅱ組；另外，S-Ⅰ組早期收縮率相較于J-0 基準組降低76.1%，其漿體仍保持收縮趨勢，這與S-M 組有明顯差異。結合早期抗裂試驗數據，采用刀口法測定的J-0 基準組混凝土裂縫最多達到12 條，開裂面積均值也最大達到71mm2/m2，S-M 組、S-Ⅰ組、S-Ⅱ組的開裂面積均值和裂縫條數相較于J-0 基準組均明顯下降，特別是S-Ⅰ組未發現裂縫開裂，該組混凝土抗裂性能最高。

表2 早期開裂面積及早期收縮率

綜合考慮兩因素，摻10%Ⅰ型膨硫鋁酸鈣類脹劑的收縮補償性能最好，可以有效控制早期混凝土開裂風險，而摻10%氧化鎂發揮的微膨脹作用說明其摻量過高，從而使混凝土收縮應力＜膨脹應力，對此仍需做進一步分析[7-8]。另外，鑒于當地水文氣象條件與刀口法試驗環境的差異，從工藝上選擇最合理的養護方案、面板混凝土溫控方法及控制強風或大溫差也是減少裂縫開裂的有效措施。

2.3 混凝土干縮試驗

水工混凝土1d、3d、7d、17d、28d 干縮率變化曲線如圖2，結果表明J-0 基準組齡期1d 的干縮率為72.6×10-6，干縮率隨養護齡期的延長逐漸增大，齡期28d 時達到385.1×10-6，增長率達到430.4%；摻膨脹劑的S-M 組、S-Ⅰ組、S-Ⅱ組干縮率明顯降低，齡期1d、3d 時的干縮率約為基準組的50%，雖然3～7d 干縮率快速增長但仍明顯低于J-0 基準組，7～28d 摻膨脹劑組混凝土干縮率平緩上升，增幅明顯放緩。究其原因，膨脹劑的摻入可能與水泥漿早期(1d、3d)爭水，從而降低了水化速度和早期干縮形變程度，而后期膨脹組分水化生成的Mg(OH)2、Ca(OH)2、鈣礬石等促使混凝土自生體積變形，在一定程度上減少或補償后期的溫度收縮[9,10]。綜上分析，混凝土中摻入適量的膨脹劑可以抑制其干縮體積變形。結合試驗數據，S-M 組、S-Ⅰ組、S-Ⅱ組的28d 干縮率相較于J-0 基準組分別減少46.0%、53.6%、50.5%，摻Ⅰ型硫鋁酸鈣類膨脹劑的混凝土抗收縮性能最優。

圖2 各齡期混凝土干燥收縮率變化

2.4 限制膨脹率試驗

不同環境下各齡期水工混凝土限制膨脹率如圖3 所示。結果表明，早期J-0 基準組混凝土出現微膨脹，齡期3d 的微膨脹效果優于S-M 組和S-Ⅱ組，隨著齡期的延長其膨脹效果開始減弱，齡期達到42d 時發生0.012%的收縮。對于摻膨脹劑的試驗組，3d 時S-Ⅰ組的混凝土微膨脹變形明顯大于其它組，7d 時達到最高后微膨脹效果開始下降，42d 時混凝土發生收縮；另外，各齡期S-Ⅰ組的限制膨脹率略高于S-M 組和S-Ⅱ組。從最大數值上，S-Ⅱ組、S-Ⅰ組、S-M 組、J-0 組的限制膨脹率依次 為0.010%、0.016%、0.012%、0.006%，42d 時依次為-0.002%、-0.002%、-0.005%、-0.012%。綜上分析，早期基準組混凝土微膨脹而后期明顯干縮，28d 后逐漸出現干縮狀態，其干縮量明顯高于摻膨脹劑試驗組；摻膨脹劑組與基準組混凝土相比具有較優的微膨脹效果，并且隨著養護齡期的延長膨脹劑逐漸發揮補償收縮作用。S-Ⅰ組混凝土的3d 早期膨脹效果優于同齡期S-M、S-Ⅱ組，限制膨脹率峰值最高，尤其是28d 齡期的收縮補償作用明顯優于其它組。

圖3 各齡期混凝土限制膨脹率

3 結論

1）隨著養護齡期的延長，摻10%Ⅰ型硫鋁酸鈣類膨脹劑的早期水化活性突出，且后期呈持續發展態勢，其3d、7d、28d、56d 強度相對于基準組提高16.1%、17.2%、9.1%、23.2%。摻10% Ⅱ型硫鋁酸鈣類膨脹劑的早期效果明顯，早期收縮補償作用高于其它組，混凝土的開裂風險較低，并且后期具有突出的收縮補償能力。

2）本試驗以C25W10F100 標號混凝土為設計目標，一般情況下通過提高設計強度可以保證混凝土抗凍抗性性能。摻Ⅰ型硫鋁酸鈣類膨脹劑的28d抗壓強度較高，說明摻入適量膨脹劑能夠減少面板混凝土開裂風險，降低其自收縮變形，增強混凝土強度和密實度。因此，通過調整膠凝材料或水泥用量、摻入膨脹劑等優化配合比，既能有效降低面板混凝土開裂風向，還具有顯著的經濟效益。