纖維、摻合料和外加劑材料在面板混凝土防裂抗凍作用中的研究綜述

徐海燕，戈雪良，2，3，4，劉偉寶，張政男，劉紫玫

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.國家能源水電工程安全與環境技術研發中心，江蘇 南京 210029；4.水利部水工新材料工程研究中心，江蘇 南京 210029)

1 研究背景

中國混凝土面板堆石壩的發展距今已有近40年，在國家《抽水蓄能中長期發展規劃(2021—2035年)》深入推動下，未來15年我國規劃建設550座大型抽水蓄能電站。面板堆石壩作為抽水蓄能電站建設的主要壩型之一，防裂是面板混凝土的首要技術要求，面板混凝土裂縫控制不好將嚴重威脅面板的防滲、抗凍等其他耐久性能。在抽蓄中長期發展規劃中，“十四五”期間僅新疆、西藏、東北等氣候環境高寒復雜地區規劃建設的抽水蓄能電站就達38座，高寒、高海拔等氣候復雜地區高溫差、高蒸發的惡劣自然環境對面板混凝土有著更高的抗裂、抗凍技術需求。據不完全統計，目前，高寒地區建成和在建的混凝土面板堆石壩已超過30座，高抗裂、抗滲以及抗凍耐久性仍是高寒地區面板堆石壩急需解決的問題。

面板混凝土是抽水蓄能電站上、下水庫的表面防滲結構，具有面積大、厚度薄等特點。由于面板混凝土的板式結構特征，相比較于其他水工混凝土結構，有更大的概率會產生裂縫。面板混凝土表面的裂縫會降低混凝土的抗滲性，水以及化學侵蝕物質沿著裂縫滲入會加劇混凝土的凍融破壞，進而產生更多的裂縫和孔洞等病害，從而形成混凝土耐久性劣化的惡性循環直至面板混凝土結構功能失效[1-2]。因此，面板混凝土的防裂技術一直是水利水電工程研究的熱點與重點。大量工程實踐表明，纖維的摻入可以有效地抑制混凝土裂縫發展，纖維在面板混凝土阻裂增韌作用方面已有20余年的實踐經驗。目前，纖維技術在纖維品種以及混雜纖維摻用等方面較20多年前已有較大發展，本文從面板混凝土裂縫成因、已建水利水電工程面板混凝土纖維應用情況以及纖維和其他混凝土原材料在面板混凝土中的防裂抗凍等方面進行綜述研究，以期對未來我國抽水蓄能電站面板混凝土工程的建設提供一定理論和技術支撐。

2 面板混凝土裂縫成因分析及纖維應用情況

2.1 面板混凝土裂縫成因

面板混凝土的裂縫可分為結構性裂縫和非結構性裂縫，其中非結構性裂縫主要包括溫度裂縫和收縮裂縫。結構裂縫的成因主要有壩體沉降過大或不均勻沉降、壩體自重、庫水壓力，以及面板與墊層約束等外力作用。非結構性裂縫的成因主要與混凝土本身材料特性以及環境溫度有關。在寒冷及嚴寒地區，環境溫差大，面板混凝土在澆筑早期會產生大量的水化熱而引發溫度變形，混凝土還會因為水分蒸發而產生收縮變形，各種因素帶來的變形應力大于混凝土本身允許的抗拉強度，從而導致開裂。在面板混凝土澆筑完成運行期，表面裂縫導致水分及侵蝕物質滲入，在低溫下內部水結冰膨脹產生膨脹應力，進而加劇裂縫的發展。面板混凝土產生的裂縫往往是多因素共同作用的結果。大量實踐表明，在水庫蓄水前溫度應力和收縮應力是混凝土面板早期微細裂縫產生的主要原因，面板混凝土的裂縫80%以上是非結構性裂縫。溫度應力引發的裂縫形態多近于水平，具有隨溫度變化擴張或合攏的特征。干縮引發的收縮裂縫往往呈“龜裂”狀，這些微細裂縫在面板上形成薄弱區，遇外力因素極易發展成貫通裂縫。

2.2 纖維在國內面板堆石壩的應用情況

呂興棟等[3]統計了部分面板堆石壩的裂縫發展以及面板原材料纖維使用情況，李遠程等[4]對高寒地區部分面板壩環境的極端最低溫度、面板混凝土摻入纖維情況等技術參數做了總結，可以看出纖維在面板堆石壩中的使用從種類上的發展到不同種類纖維的混摻和纖維搭配摻合料復合使用，逐步形成了纖維在內的多元阻裂增韌體系。面板混凝土表面裂縫多產生于施工或運行初期，在部分寒冷以及嚴寒地區，聚丙烯纖維和聚丙烯醇纖維是早期混凝土面板最常用的纖維，隨后聚乙烯醇纖維、纖維素纖維以及纖維和膨脹劑復合使用逐步運用到面板混凝土防裂中。

20世紀90年代初，纖維最早用于道路、橋梁和房建工程，在20世紀90年代末才開始應用在水工建筑物中。2000年白溪水庫二期工程首次將聚丙烯纖維應用于面板堆石壩，與一期面板工程相比，二期面板裂縫寬、深、長度和數量都較一期面板有較好的改善[5]。隨后鋼纖維、聚丙烯腈纖維也被用于各個面板堆石壩工程的抗裂研究中。2002年國內開始建立世界最高的水布埡面板堆石壩，聚丙烯腈纖維在纖維混凝土抗裂性試驗中提高了混凝土面板的初裂強度和韌性，呈現了良好的抗裂作用，水布埡工程一二期面板便首次用到了聚丙烯腈纖維，在一期面板澆筑養護完畢后，僅發現了兩條裂縫[6-7]。三期面板處于水位變化區，要求更高的抗裂能力，后在工程中復摻了鋼纖維與聚丙烯腈纖維。水布埡工程面板混凝土摻聚丙烯腈纖維和鋼纖維的彎曲韌性試驗結果如圖1。試驗組編號C0為基準組，PAN-0.7為摻量0.7 kg/m3的聚丙烯腈纖維，S-0.9為摻量0.9 kg/m3的鋼纖維。從圖1可知，混摻鋼纖維和聚丙烯腈纖維的混凝土早期(3 d)和后期(28 d)抗折強度都有明顯提高，初裂強度后期(28 d)提高幅度大，表現出良好的增韌作用。隨著纖維對混凝土阻裂增強作用研究的深入，越來越多性能優異的纖維被用到面板堆石壩中，包括碳纖維、聚乙烯醇纖維和纖維素纖維等[8-11]。纖維在面板堆石壩中應用的效果差異與纖維材料自身特性、施工環境和工藝有關。察汗烏蘇和柳樹溝兩座面板壩位于新疆同一高寒區，趙慶對兩面板壩運行中裂縫發展情況做了對比[12]。察汗烏蘇面板壩摻入聚丙烯纖維，柳樹溝面板壩的建設中原材料復摻了羅塞纖維素纖維和鋼纖維，并選擇了恰當的制作工藝，在后期僅發現27條裂縫，與察汗烏蘇面板壩的711條裂縫形成了強烈對比。纖維在面板混凝土上防裂性能的研究除了纖維種類上以及纖維混雜的發展，纖維也開始和外加劑、摻合料等材料復合使用。

圖1 水布埡工程面板混凝土彎曲韌性試驗結果[7]

3 纖維等原材料對面板混凝土防裂抗凍的影響

面板混凝土開裂和凍融破壞是高寒區混凝土壩的突出工程風險，提高混凝土的抗裂性是增強混凝土凍融耐久性的重要措施[2]。面板混凝土的防裂抗凍技術包括材料設計、結構設計和施工工藝三方面，本文主要從材料層面考慮面板混凝土的防裂抗凍性能，特別是纖維以及纖維同其他外加劑和摻合料的復合作用。

3.1 纖維材料的影響

3.1.1 纖維材料特性的影響

混凝土內部均勻分散的纖維相互橋連，可以形成空間網狀支撐結構，從而限制裂縫的產生和發展，纖維增強混凝土的機理主要有復合材料和纖維間距理論。纖維在混凝土中發揮作用的效果與纖維自身材料性能、纖維摻量和纖維與基體界面結合力有關。在纖維類型上，與聚合物纖維相比，金屬鋼纖維有更高的強度和彈性模量，能夠在裂紋發展區提供較高的應力抑制裂紋發展，而較軟的聚合物纖維則能增加裂紋區的韌性和應變能力。在纖維尺寸上，通常來講，較長的纖維對宏觀裂縫的產生和發展有明顯控制作用，短纖維則針對控制微裂紋的發展。纖維的作用效果還受到纖維摻量的影響，摻量過高會影響纖維的分散效果，不利于發揮纖維的增強作用。Pakravan等在文獻[13]中對3種常用的聚合物纖維(聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維)性質做了分類，其中聚乙烯纖維有比聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維更高的彈性模量和拉伸強度，同時聚乙烯纖維具有疏水性，在混凝土中主要表現為拔出型破壞，使得聚乙烯纖維在混凝土裂縫的產生與發展中能量吸收能力更高，能更有效地增強混凝土延展性。Wang等[14]做了聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維對面板混凝土抗裂性和耐久性的影響及對比，試驗發現在抑制開裂和抗凍性能的比較上，聚乙烯醇纖維優于聚丙烯腈纖維和聚丙烯纖維，同樣能用纖維自身機械性能和與水泥基材料粘附性差異解釋。而Bertelsen等[15]對關于水泥基材料中約束性收縮開裂試驗的文獻進行回顧，通過將纖維阻裂效率的結果表示與纖維體積分數、幾何形狀、尺寸和機械性能等信息構建數據庫進行描述性統計分析，發現更細的纖維，較強的粘結性，體積單位纖維數量以及比纖維表面積增加對纖維阻裂有較為明顯的積極影響，但纖維彈性模量和長度沒有顯示出明顯的相關性。

3.1.2 混雜纖維技術的影響

單一纖維由于自身性質特點，對于混凝土防裂性能的提升效果是有限的；另外在實際工程中，面板混凝土的裂縫是以不同尺寸形式在各種應力階段出現，所以不難理解兩種或更多類型的纖維混合可以在不同層次上性能互補，發揮更有利的阻裂增強作用，近年來混雜纖維增強混凝土也越發受到關注。Wang等[16]定量分析了鋼纖維和聚丙烯纖維混雜混凝土的氣孔結構以及氣孔結構與混凝土滲透性和耐鹽凍融性的關系，試驗發現兩種纖維單摻和混摻都可減少混凝土的氣孔含量，混雜纖維使180～500 μm的孔隙彎曲度變復雜，但混雜纖維對混凝土的滲透性有負面影響，對混凝土的抗凍性能有提升但效果不顯著。混凝土的孔隙結構常被研究用來描述抗滲性和抗凍耐久性，然而很少有研究從孔隙結構角度分析它對混凝土開裂性能的影響。Li等[17]基于聲發射和低頻核磁共振數據，建立了混凝土開裂和孔徑分布之間的關系模型，并用多元回歸方程定量描述了孔徑分布對混凝土開裂的影響，發現孔徑在100～1 000 nm的毛細孔和孔徑大于1 000 nm的大孔對混凝土開裂有明顯的影響。

3.1.3 纖維復合材料技術的影響

纖維一方面通過自身機械性能對混凝土起到阻裂增強作用，而另一方面纖維的引氣作用會增加混凝土內部的截留空氣量，可能會使混凝土內部薄弱界面增多從而對混凝土的機械性能和耐久性產生不利影響。外加劑和摻合料能有效降低孔隙率，鞏固纖維與漿體間的薄弱區，合適配比的纖維與外加劑，摻合料復合使用能得到更為高效的抗裂效果[18-19]。Wang等[20]研究發現摻粉煤灰、纖維、氧化鎂膨脹劑和減縮劑的防裂措施均能提高混凝土抗凍性，其中粉煤灰和PVA纖維復合作用明顯細化了混凝土孔結構，混凝土抗凍性提高效果最好。Afroughsabet等[21]發現硅灰的存在可以改善纖維在混凝土中的分散性，另外硅灰和纖維的聯合使用能讓混凝土的吸水率變低。Fallah等[22]發現高百分比的納米二氧化硅和硅灰都會導致混凝土試件發生脆性斷裂，而纖維能補償韌性，這也是硅灰經常會搭配纖維使用的原因。

3.2 其他混凝土原材料的影響

3.2.1 外加劑

在面板混凝土中常用的外加劑有膨脹劑、減水劑、減縮劑和引氣劑等。關于外加劑對面板混凝土防裂抗凍性能的影響主要分為減少混凝土收縮變形和水泥水化溫升兩方面。在混凝土中摻入膨脹劑制得補償性收縮混凝土是減少收縮裂縫的有效方法，膨脹劑使混凝土產生一定的體積膨脹來補償混凝土的收縮，從而減少收縮裂縫的生成，而減縮劑是通過降低毛細管中液相的界面張力來減少收縮。減水劑和引氣劑可以有效提升混凝土的和易性并改善混凝土的含氣量，其中引氣劑給混凝土內部增加的獨立氣泡對混凝土抗凍性提升有益。

膨脹劑類型主要包括氧化鈣型、硫鋁酸鈣型和氧化鎂型，氧化鎂型膨脹劑是面板混凝土最常用的類型。氧化鎂膨脹劑在面板混凝土中的膨脹性能受其活性和摻量的影響，不同活性的氧化鎂膨脹劑最大收縮補償效應出現的時間有差異。面板混凝土的干燥和自收縮主要發生在早期，Wang等[23]建議面板混凝土使用10%以下的活性氧化鎂以消除早期收縮和提高早期抗裂性，但應注意小心養護，以避免氧化鎂膨脹劑由于高活性在面板混凝土塑性收縮階段開裂。膨脹劑在面板混凝土中提升抗凍性能的影響研究較少，但Chen等[24]對外摻氧化鎂膨脹劑的混凝土自生變形進行了長達6年的觀察研究，結果表明，在適當摻量下，混凝土的孔結構隨著齡期的增長會越來越好，并且混凝土含有氧化鎂水化產物的周圍沒有產生微裂紋。張迪等[25]通過平板法研究粉煤灰、減縮劑和氧化鎂膨脹劑對面板混凝土抗裂性的影響，發現三者都提高了混凝土早期抗裂性，而6%氧化鎂膨脹劑的效果最好。

適當摻量的減縮劑能有效降低混凝土的早期收縮和開裂，另外減縮劑與引氣劑、膨脹劑和纖維具有協同作用，減縮劑與膨脹劑的復合可以降低自收縮和干燥收縮，顯著抑制裂縫的產生，纖維與減縮劑復合可以補償由減縮劑引發的強度下降[26]。不過，李悅等[27]在3種不同外加劑(減水劑、減縮劑和膨脹劑)對混凝土抗裂性能的研究中發現，只摻入萘系減水劑的混凝土早期塑性收縮會增大，適量的減縮劑和膨脹劑單摻都能發揮較好的抗裂效應，膨脹劑和減縮劑的復合使用對混凝土的抗裂效果并沒有顯著的提升，這可能與材料配合比以及試驗方法的差異有關。

3.2.2 摻合料

粉煤灰、礦渣、硅灰等摻合料對水泥的水化有復雜的化學和物理效應，這些效應在恰當的摻量和養護條件下可以使混凝土獲得更為優異的耐久性。摻合料對水泥水化的物理效應包括摻合料細顆粒的填充效應，可以致密混凝土孔結構；球形顆粒的承球效應，改善新拌混凝土的流動性；對水泥體系的稀釋效應，能降低水化溫升還有對水化產物的異相成核效應。化學效應主要是摻合料的火山灰效應和自水化效應。這些效應一方面能改善混凝土孔隙結構、降低水化溫升從而減緩混凝土開裂，另一方面隨著具體的摻合料摻入也可能給混凝土某些性能帶來不利影響。

如礦粉顆粒的形態多為多角形玻璃體，與水泥基材料不易形成良好的顆粒級配，會導致混凝土內部適合裂紋發展的孔隙結構變多。馬永烔等[28]在對比單摻粉煤灰、礦粉和復摻情況下對混凝土開裂的影響中發現，單摻粉煤灰的混凝土抗裂性效果最好，而單摻礦粉的效果最差，這與時宇等[29]人的研究一致。硅灰的高火山灰效應會加速水泥早期水化，降低混凝土內部濕度，增大混凝土的脆性。Wang等[18]在粉煤灰用量對面板混凝土收縮和抗裂性研究中指出，粉煤灰的摻量從0到40%的體積率增加均顯著提高混凝土的抗塑性收縮開裂性能，但對約束條件下干燥收縮抗裂性能帶來不利影響。

Sun等[30]對鋼渣、粉煤灰、礦渣和石灰石4種礦物摻合料兩兩搭配成6種復合摻合料，研究復合摻料對水泥基材料的水化和長期性能影響，結果表明，混凝土中摻入與水泥細度相同的復合摻合料對早期水化沒有顯著延緩作用，但降低了累計水化熱，另外含有兩種活性摻合料的復合體系中有害孔的體積和孔隙率通常低于只含有一種活性摻合料和石灰石粉的復合體系，其中礦渣-粉煤灰復合摻合料孔隙結構優化最好，而粉煤灰-鋼渣復合摻合料的孔結構發展最差。

3.3 表面涂層防護的影響

外加劑、摻合料和纖維等混凝土材料上的設計是面板混凝土防裂抗凍的基礎，混凝土面板表面防護則是加強措施。在混凝土表面涂覆涂層或薄膜可以阻止水分以及侵蝕物質進入混凝土內部，提高混凝土耐久性。常用的混凝土表面防護材料包括硅烷、改性環氧樹脂、丙烯酸酯涂料和水泥基聚合物砂漿等，這些防護材料可降低混凝土吸水性，提高混凝土抗凍性。但以上表面涂層防護材料均屬于傳統柔性外包防護材料范疇，且大部分均以有機材質為主，存在一個長期材料老化與耐久性問題；另外，上述傳統柔性外包防護材料與混凝土基材之間存在“成層或成膜”結構，長期服役后會發生“剝離、脫殼”情況，這些問題在我國西北、東北等地區水利水電混凝土工程已噴涂表面防護材料的工程實例已出現，噴涂聚脲提高混凝土抗凍性等，取得了一定效果，但會出現服役運行若干年后表面防護材料層的脫落、損毀等現象，因此表面防護的長期附著穩定性是一個有待解決的問題。

4 結論與展望

混凝土面板開裂和凍融破壞是高寒區混凝土面板壩急需解決的兩大技術問題，從混凝土材料層面進行防裂抗凍混凝土的設計是解決該技術問題的關鍵技術途徑，纖維材料以及纖維同其他材料復合在混凝土面板防裂抗凍上的應用還存在以下幾方面的問題有待進一步研究：

(1)以往纖維應用于混凝土的研究多聚焦于單一的抗裂問題或單一的抗凍問題，而在實際工程中面板混凝土開裂和凍融破壞問題往往同時發生，對于抗裂和抗凍兩問題的耦合研究需進一步加強。

(2)目前纖維混凝土抗裂性能試驗主要針對的是溫度應力和收縮應力引發的早期裂縫，高寒區面板混凝土除了面對施工過程中體積收縮變化引發的開裂風險，還有混凝土受凍后內部水結冰導致的凍脹開裂風險，因此纖維對混凝土內部凍結應力的影響需進一步研究。

(3)混雜纖維體系中不同種類纖維的最優混雜比例和纖維總摻量的確立目前主要通過混凝土性能試驗定性分析，試驗工作量大，建立纖維特征值與纖維混雜效應的定量聯系，開發預測混雜纖維增強混凝土性能的力學模型是混雜纖維體系的重要研究方向。