基于不同摻量粉煤灰和抗裂減滲劑對面板混凝土性能影響試驗研究

沙成剛，焦萬明，李善斌，萬英正，岳禹臣

(1.青海省水利水電勘測規劃設計研究院有限公司，青海 西寧 810001；2.青海省水利水電工程局有限責任公司，青海 西寧 810001)

0 引 言

混凝土面板作為面板堆石壩防滲體系的重要組成部分，影響著大壩整體防滲質量和運行安全，然而面板混凝土因自身結構和材料組成特性，導致很容易出現裂縫。大量實踐證明，面板混凝土硬化過程中可能產生減縮裂縫；面板混凝土凝結過程中可能產生干縮裂縫；氣溫下降時，面板混凝土表面與內部混凝土可能產生溫度應力裂縫等[1-2]，以上是面板混凝土裂縫產生的原因和可能出現的類型。面板混凝土產生的裂縫是可以通過采取一定的措施加以預防的。閔泳濤等[3]在常態面板混凝土中分別摻入纖維素纖維、聚丙烯纖維及增強密實(抗裂)劑3種抗裂材料，形成抗裂面板混凝土，對其力學性能、耐久性能、干縮性能以及早期抗裂性能開展試驗研究，分析了抗裂材料對面板混凝土性能的影響規律；喻幼卿等[4]在混凝土中摻入增強密實(抗裂)劑后，能顯著地降低混凝土早期干縮值，有效地控制混凝土的收縮變形，從而使混凝土具有良好的抗裂性能；董蕓等[5]通過試驗研究了人工合成纖維及人工合成纖維與鋼纖維復摻對水布埡工程面板混凝土各項性能尤其是抗裂性能的影響，得到高抗拉強度和極限拉伸值、低收縮、低彈性模量、耐久性良好的高抗裂面板混凝土；馮林等[6]根據混凝土裂縫產生的機理，從原材料優選和配合比設計角度開展研究工作，旨在降低裂縫產生的幾率，以及在產生裂縫后有效阻止裂縫的發展、通過混凝土性能試驗對比得到了抗裂性能良好的混凝土配合比；劉數華等[7]論述了將粉煤灰摻入水工混凝土中，對降低水泥膠砂脆性系數，減小混凝土的彈性模量、干縮、絕熱溫升、自生體積變形和增大徐變度等的作用，提出了粉煤灰摻量與混凝土彈性模量的相關關系式，驗證了粉煤灰的摻入對提高水工混凝土的抗裂性能是有利的。可見，對于水工混凝土抗裂性能影響的研究涉及纖維素纖維、聚丙烯纖維、粉煤灰、抗裂減滲劑、配合比以及各種摻和料和外加劑等，這些研究對選擇和使用性能較優的混凝土原材料、抗裂材料來改善面板混凝土的抗裂性能具有重要意義。

當前，已通過在工程設計環節采取適當技術預防控制，在施工環節選取合適的面板混凝土原材料及抗裂材料等方面最大限度地提高和改善面板混凝土抗裂性能[8]。基于夕昌水庫面板混凝土，通過研究對比摻入不同摻量粉煤灰、摻與不摻抗裂減滲劑(WHDF)3種抗裂方案，分析混凝土力學性能、耐久性能、干縮性能、自生體積變形及對早期抗裂性能的影響，從而為水工面板混凝土尤其是青海高寒地區的面板混凝土抗裂材料選擇及施工配合比確定提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 材料選取

夕昌水庫面板混凝土材料選用甘肅祁連山P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，骨料為夕昌砂石料場生產的人工砂及人工碎石，砂細度模數(FM)=2.4～2.8，小石∶中石=55∶45；采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司PCAR-I聚羧酸高性能減水劑和GYQ-I高效引氣劑，引氣劑摻量根據現場含氣量實時調整，含氣量控制在4.0%～6.0%；試驗用粉煤灰選用甘肅宏大集團有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰；增強密實劑選用武漢天衣新材料有限公司生產的WHDF抗裂減滲劑(乳白/黃色的液體)。宏大粉煤灰試驗檢測結果及標準要求見表1和表2。

表1 粉煤灰試驗檢測結果

表2 粉煤灰化學成分分析檢測結果 %

1.2 混凝土配合比及拌和物性能

水膠比是決定混凝土強度、耐久性、變形等性能的主要因素，是混凝土配合比設計的關鍵參數。在確定的水泥、粉煤灰摻量以及外加劑摻量等試驗條件下，為研究宏大粉煤灰、靈武粉煤灰及益德粉煤灰和摻與不摻WHDF阻裂減滲劑情況下，對混凝土力學性能、耐久性能、自生體積變形及早期開裂性能等的影響，以夕昌水庫大壩面板混凝土設計強度等級為C9030、抗滲等級為W12、抗凍標號為F300的二級配混凝土為基準方案(JZ方案)，設計3種對比方案：①方案一。粉煤灰摻量20%，不摻WHDF抗裂減滲劑。②方案二。粉煤灰摻量20%，摻入2%WHDF抗裂減滲劑。③方案三。粉煤灰摻量25%，摻入2%WHDF抗裂減滲劑。根據夕昌水庫前期各混凝土配合比及相應強度統計資料，并參考其他類似工程的相關成果，采用水膠比與抗壓強度關系試驗推薦水膠比0.4。各方案混凝土配合比及拌和物性能見表3、4。

表3 混凝土配合比各拌和物摻量

1.3 試驗方法

依據DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規程》、DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》及GB 8076—2008《混凝土外加劑》的相關要求，測定混凝土的力學性能、耐久性能、干縮性能、混凝土早期抗裂性能等試驗。檢測結果評定按DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術規程》技術要求進行。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

2.1.1 混凝土軸向拉伸

混凝土軸向拉伸試驗要測定面板混凝土的劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度、極限拉伸值及抗拉彈性模量，試件測試斷面尺寸為100 mm×100 mm。試件成型前篩除混凝土拌和物中粒徑大于40 mm的骨料。試驗結果見圖1。

圖1 混凝土軸向拉伸試驗結果

方案一使混凝土28 d、90 d齡期的劈裂抗拉強度值分別提升38.1%、27.5%；軸心抗拉強度增長分別為39.7%，23.5%；極限拉伸值分別增長19%，5.7%；軸拉彈模量分別增長17.4%，3.8%。方案二使混凝土28 d、90 d齡期的劈裂抗拉強度值提升分別為32.4%、29.8%；軸心抗拉強度分別增長45.4%，25.3%；極限拉伸值分別增長23.9%，6.1%；軸拉彈模量分別增長33.5%，4.1%。方案三使混凝土28 d、90 d齡期的劈裂抗拉強度值提升分別為28.1%、21.8%；軸心抗拉強度增長分別為48.8%，17.9%；極限拉伸值增長分別為23.1%，6.3%；軸拉彈模量增長分別為29.7%，5.4%。由此可見，3種抗裂方案中28 d混凝土各性能值提升幅度較大，90 d混凝土各性能值提升幅度較小，并趨于穩定。這主要是由于粉煤灰在混凝土中能夠起到活性的作用，能使水泥和粉煤灰之間的縫隙變得更小，起到填充的作用，從而提高混凝土結構密度。摻入WHDF可提高混凝土中凝膠數量，改善和增強水泥與骨料間粘結力，提高混凝土韌性。

從3種方案試驗結果來看，混凝土抗拉強度采用劈裂和軸向拉伸兩種方法，混凝土的軸拉強度均高于劈拉強度，同齡期軸拉強度與劈裂抗拉強度的比值在1.2～1.4之間；3種方案中粉煤灰摻與不摻WHDF的極限拉伸值有明顯提高，但在摻入WHDF后的極限拉伸值差別又不明顯；隨著粉煤灰摻量增大，同齡期混凝土軸拉彈性模量有所下降趨勢，但下降幅度很有限。所以綜合考慮，摻20%粉煤灰、2%WHDF的方案二對混凝土抗裂性能更為有利。

2.1.2 混凝土軸心抗壓強度、靜力抗壓彈性模量

混凝土抗壓強度試驗采用150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件，靜力抗壓彈性模量試驗采用Φ150 mm×300 mm的圓柱體。試驗結果見圖2和圖3。

圖2 混凝土軸心抗壓強度試驗

圖3 混凝土靜力抗壓彈性模量試驗

由圖2、3試驗結果可知，方案一和方案二中混凝土28 d和90 d齡期的抗壓強度值和靜力抗壓彈性模量相差不大，方案二各值略大些，這說明混凝土中粉煤灰摻入量較為合適，摻與不摻WHDF對混凝土抗壓強度值和靜力抗壓彈性模量影響不顯著。方案三隨著粉煤灰的摻量增大，混凝土抗壓強度值和靜力抗壓彈性模量反而有所降低，這說明粉煤灰的摻量超過了水泥石和粉煤灰之間縫隙填充的量，致使試驗前水泥含量相對降低，粉煤灰摻量過多；也說明抗壓彈性模量隨抗壓強度的增而增大。對比3種抗裂方案，方案二試驗數據表現較優。

2.2 混凝土變形性能

2.2.1 混凝土干縮濕脹變形

混凝土干縮試件尺寸采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體，成型時篩除粒徑大于40 mm的骨料。試驗結果見圖4和圖5。

圖4 干縮變形對比結果

圖5 濕脹變形對比結果

由圖4、5可知，3種抗裂方案的混凝土試塊早期干縮速率較快，隨著齡期的增長趨勢逐漸變緩，說明早期混凝土試塊中的水分損失較快，引起的干縮變化較大。在其他條件相同的情況下，摻20%粉煤灰和摻入阻裂防滲劑(WHDF)時，混凝土試塊的干縮值變化較明顯。3種抗裂方案28 d齡期干縮變形降低幅度在4%左右，降低幅度不大；90 d齡期降低幅度在14%左右。方案二與方案三的干縮變形和濕脹變形差別不明顯，方案一與其他兩種灰相比，干縮值相對較大，濕脹值相對較小。從試驗結果看出，粉煤灰本身就具有能夠填充混凝土內部縫隙，使其結構密度得以提高的作用，試驗中3種抗裂方案混凝土試塊均摻入WHDF的情況下，WHDF可以靠抑制水泥中C3A的水化速度，并通過激發二次水化作用[9]，增加凝膠數量，增強粘結能力，從而達到抑制和降低混凝土試塊干縮率。由以上分析結果，方案二和方案三對抵抗混凝土干縮濕脹變形效果相對明顯。

2.2.2 混凝土自生體積變形

混凝土的自生體積變形是評價混凝土抗裂性能的一個重要參數，在混凝土硬化過程中，由膠凝材料水化誘發的混凝土體積變化而引起。試件尺寸、形狀與混凝土干縮濕脹變形試驗一致，試驗結果見圖6。

圖6 混凝土自生體積變形過程線

由圖6可知，粉煤灰摻量20%、水膠比等不變情況下，與基準方案相比，方案一混凝土自生體積變形較大，28 d和90 d自生體積變形值分別為-18×10-6和-23.2×10-6，說明摻入20%粉煤灰后對抑制混凝土自生體積變形效果較差。方案二粉煤灰摻量20%且摻入WHDF，28 d和90 d自生體積變形值分別為-6.5×10-6和-7.2×10-6；方案三中粉煤灰量摻量增加至25%，摻入WHDF，28 d和90 d自生體積變形值分別為-6.0×10-6和-6.9×10-6。從方案二和方案三數據可以看出，混凝土的自生體積變形隨著齡期的增長均有減小的趨勢，在90 d齡期內趨于穩定。

根據李曉勇等研究成果[10]，混凝土的自身體積變形關鍵取決于膠結材料的性質，按傳統經驗粉煤灰的摻入會使得混凝土中的水泥用量相應減少，進而使混凝土的自生體積變形隨著粉煤灰摻量的增加而減小。本試驗結果表明，在粉煤灰摻量和水膠比不變情況下，摻入WHDF明顯使混凝土自生體積變形值和發展規律均出現較大的改變，且變形值差別很大；依據試驗數據和圖形發展趨勢3種抗裂混凝土自生體積變形均為收縮型，但摻入WHDF后，早期呈微膨脹，約5～7 d后膨脹量開始減小，約20～28 d開始轉變為收縮，90 d后收縮基本趨于穩定。

2.3 混凝土耐久性能

2.3.1 混凝土抗滲性能

試件抗滲試驗結果見表5。

由表5可知，在試驗滲水壓力逐級加壓至1.3 MPa時，4種抗裂方案的混凝土試件均無滲水，抗滲等級均超出W12的設計要求，混凝土試件內部平均滲水高度從大到小排序為：JZ>方案一>方案二>方案三，表明各試驗方案的混凝土試件，在不同摻量粉煤灰和摻與不摻WHDF情況下均可不同程度地提高混凝土抗滲性能，滿足要求。從表4還可以看出，方案一平均滲水高度28 mm，摻入WHDF后，平均滲水高度降至23 mm，粉煤灰增至25%后，平均滲水高度降至21 mm，說明摻入WHDF能更進一步提高混凝土的密實性，減少滲透通道，提高抗滲效果。

表4 混凝土配合比拌和物性能

表5 混凝土抗滲試驗結果

2.3.2 混凝土抗凍性能

混凝土抗凍試件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體，試驗齡期28 d，試驗結果見圖7和圖8。

圖7 質量損失率與凍融循環次數關系

圖8 相對動彈性模量與凍融循環次數關系

由圖7、8可知，與基準方案相比，摻入粉煤灰和WHDF，經過300次凍融循環后，各混凝土試件均具有較好的抗凍融破壞能力，且抗凍等級不小于F300。300次凍融循環后，各試驗混凝土試件的質量損失率由小到大排序為：方案二>方案三>方案一>基準方案；相對動彈性模量由大到小排序為：方案三>方案二>方案一>基準方案。很明顯，經300次凍融循環，方案二和方案三抗凍性能更好。

說明：1)混凝土早期抗裂抗裂試驗裝置內部有7根裂縫誘導器，在每個誘導器上部只要出現裂縫即計為裂縫條數；2)沿著裂縫誘導器的混凝土裂縫整體看為蛇形裂縫，只要不連接即分開計算裂縫數目，單位面積的裂縫數目按此規則統計。

2.4 混凝土早期抗裂性能

混凝土早期抗裂試驗采用平板法，試件為800 mm×600 mm×100 mm的薄板型，平行于模具短邊設有7根裂縫誘導器，試件成型30 min后，在其表面平行于誘導器方向開始吹風，吹風24 h后測讀裂縫。平板早期抗裂試驗成果見表6，混凝土早期開裂對比見圖9。

圖9 混凝土早期開裂對比

表6 平板早期抗裂試驗成果

由表6、圖9可知，與基準方案相比，3種抗裂方案混凝土的初始開裂時間為6～7 d，混凝土早期裂縫發展較快，隨著齡期的延長，裂縫擴展趨于穩定；混凝土摻入粉煤灰和WHDF均能夠明顯限制混凝土塑性裂縫的產生，主要表現在混凝土試塊裂縫數量和裂縫平均開裂面積等均有較大幅度降低。3種抗裂方案混凝土試塊裂縫條數分別為4、2、3條，與基準方案相比降幅分別為33.3%、66.7%、50%；裂縫平均開裂面積和單位面積總開裂面積也明顯減小，降幅分別為8.8%、25%、17.6%，單位面積總開裂面積降幅分別為64.2%、58.1%、55.4%。

目前，國內一些學者的研究認為，粉煤灰早期不參與水化反應，大量的細小玻璃態粉煤灰顆粒均勻分布在水泥石中，起到微集料約束效應，和集料的宏觀約束效應相疊加，進一步抑制了水泥石的收縮[11]。混凝土水膠比等其他參數不變，雖然大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量超過25%)抗裂性能較好，但是早期強度過低不能滿足施工上對工期的要求，因此不是最適合的。適量的粉煤灰摻量，可以使混凝土中的水化反應不至于太慢，對混凝土早期強度影響不大，既能提高混凝土抗裂性能，也能提高其抗沖耐磨性，且不會影響到施工進度[12-13]。而摻入WHDF后，在混凝土中不論是本體還是界面處，凝膠增多，結晶變小分布均勻、結構明顯密實，水化物之間的粘結力增強，這是混凝土具有良好抗裂性能的關鍵所在[14-15]。顯而易見，從試驗數據和以上分析來看，方案二對混凝土的早期抗裂性能效果更好。

3 結 論

(1)在基準混凝土中摻入適量的粉煤灰和抗裂減滲劑，對提高混凝土抗裂性能具有良好效果。綜合比較3種抗裂方案，方案二在混凝土力學性能、變形性能、耐久性及早期抗裂性能方面均較優，同時結合實際施工需要，保證混凝土早期強度不至于過低，粉煤灰摻量不宜過多。經綜合分析，夕昌水庫面板混凝土推薦采用摻入20%宏大粉煤灰和2%WHDF抗裂減滲劑。

(2)與基準混凝土相比，3種抗裂方案在7、28、90 d齡期均可不同程度地提升混凝土的劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度及極限拉伸值，90 d時提升幅度最小，并趨于穩定；混凝土抗拉彈性模量有所降低，對混凝土抗壓強度值和靜力抗壓彈性模量影響不顯著；同時，3種抗裂方案均能不同程度改善混凝土抗滲、抗凍和早期抗裂性能，對干縮濕脹變形和自生體積變形有明顯抑制和減少作用。

夕昌水庫實際應用證明，在基準混凝土中，選用甘肅宏大集團有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，武漢天衣新材料有限公司生產的WHDF抗裂減滲劑在面板混凝土配合比設計中取得了良好效果，可為水工面板混凝土尤其是青海高寒地區的面板混凝土抗裂材料選擇及施工配合比確定提供借鑒。