防裂抗滲復合材料在高蒸發地區水利工程的應用

楊 林，徐 然，陳學理，楊炳勇

(1.江河安瀾工程咨詢有限公司，河南 鄭州 450000；2.江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226500；3.不二新材料科技有限公司，江蘇 南通 226500)

混凝土的收縮開裂，主要是由膠材漿體的收縮開裂造成的。收縮包括塑性收縮、干縮、自收縮、溫收縮和碳化收縮等[1-3]。溫度裂縫的主要原因是混凝土內外部較大的溫差造成的[4]。大體積混凝土在施工過程中很容易出現由于溫差和收縮引起的變形，而這種變形常受到內部或外部約束，產生一定的應力，一旦超過混凝土本身的抗變形能力，會導致裂縫的出現，嚴重影響混凝土的質量[5]。這在我國西北高蒸發地區尤為嚴重。

混凝土的耐久性與抗裂能力緊密相關[6-10]。由于環境、變形和荷載的因素，結構在剛剛建設完成就易出現不同程度、不同形式的早期裂縫[8]。裂縫的存在不僅影響建筑物外觀，如果裂縫沒有得到有效控制，在使用過程中，外界物質侵入混凝土內部后，將與結構內部的混凝土和鋼筋直接發生物理化學反應，大大降低結構的耐久性[11]。

何家溝水庫位于寧夏固原市原州區黃鐸堡鎮何家溝村，是固原市黃河水調蓄工程的調節水庫，是實現和保障整個工程供水的核心。何家溝水庫控制流域面積10.9km2，最大壩高58m，主壩壩頂軸線長495m，該水庫設計為碾壓式均質土壩。設計總庫容997萬m3，校核洪水總量71萬m3，為小型水庫。主要由主壩及入庫、出庫輸水建筑物組成。采用混凝土面板作為壩體主要防滲措施。工程地處西北高蒸發地區，面板混凝土抗裂控制難度很大。

防裂抗滲復合材料是高功能粉體與改性合成纖維為主要原料復合而成的一種新型防裂抗滲復合材料[12-13]。其通過優質合成纖維的“橋接效應”，有效降低早期塑性開裂，提高整體體積穩定性；高功能粉體材料能有效降低混凝土的水化溫升，降低溫度峰值8～10℃，延緩峰值出現時間10～12h，從而減少因溫度應力而產生的裂縫。

1 原材料、配合比與試驗方法

水泥為42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為F類I級粉煤灰。天然砂，5～20mm和20～40mm人工灰巖碎石，拌合用水為鄭州地區的自來水。混凝土配合比見表1。為了考察防裂抗滲復合材料與其他同類材料相比性能優劣，選擇某憎水性混凝土防水抗裂劑作為對比，推薦摻量20kg/m3。主要進行了混凝土的工作性能、凝結時間、劈拉強度、抗壓強度、干縮、抗凍、抗裂、絕熱溫升、抗沖磨以及自生體積變形試驗，并進行了水泥水化熱和微觀孔結構分析研究。試配過程中發現，摻入防裂抗滲復合材料后混凝土的和易性狀態良好。

表1 混凝土配合比參數表

采用表1的配合比，進行混凝土的拌合、成型和性能測試。主要進行了混凝土的工作性、抗凍性能、干縮、早期抗裂性能、自生體積變形試驗，試驗依據SL/T 352-2020《水工混凝土試驗規程》[14]進行。采用TAM AIR熱活性微量熱儀測試粉體及其水泥混合物的水化熱。采用AutoPoreIV9500 Micrometrics Instrument壓汞測試儀，對混凝土漿體內部距離表面5～10mm深度處的漿體顆粒進行壓汞試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 基本性能研究

混凝土基本性能試驗結果見表2。可見，與空白組相比，摻加防裂抗滲復合材料混凝土的強度有所降低，其中3d強度降低最明顯，混凝土28d強度有輕微降低；混凝土的抗滲等級均滿足W12抗滲要求，混凝土的初凝和終凝時間顯著增加，說明防裂抗滲復合材料具有比較明顯的抑溫作用；混凝土均無泌水；混凝土的30min坍落度損失變化不明顯。整體看，防裂抗滲復合材料能延長凝結時間，有利于保持施工性能，可根據工程要求調整抑溫組分，避免凝結時間過長。

表2 混凝土的基本性能試驗結果

2.2 抗凍性能研究

混凝土抗凍性能試驗結果如圖1-2所示。可見，水膠比為0.48時，空白組抗凍融循環次數不到100次，采用防裂抗滲復合材料時，抗凍融循環次數可達到200次。摻加某憎水性混凝土防水抗裂劑的混凝土抗凍融循環次數也可達到200次。不過摻加防裂抗滲復合材料的混凝土質量損失明顯降低，這與摻防裂抗滲復合材料后使混凝土的密實性提高和纖維的阻裂效果有關，對提高抗凍有利。

圖1 凍融循環下的混凝土動彈性模量

圖2 凍融循環下的混凝土質量損失率

2.3 干縮性能研究

混凝土干縮性能試驗結果如圖3所示。可見，與基準組相比，Dw-n和Dw-nX的混凝土3、7、14、28d的干縮率分別降低60.2%、25.0%、34.3%、27.8%和54.5%、35.7%、28.8%、30.8%，防裂抗滲復合材料可在一定程度上降低混凝土的干縮，這對混凝土的長期防裂有利。同時與某同類產品相比，摻防裂抗滲復合材料混凝土的干縮更小。

圖3 不同齡期混凝土干縮率

2.4 早期抗裂性能研究

混凝土早期抗裂性能試驗結果如圖4所示。可見，與空白組相比，采用防裂抗滲復合材料的混凝土28d時每條裂縫平均開裂面積有所降低，單位面積裂縫數目分別降低70%、80%，單位面積上總開裂面積分別降低75%、84%，下降十分明顯。進一步，將防裂抗滲復合材料與某憎水性混凝土防水抗裂劑的混凝土進行對比可見，某憎水性混凝土防水抗裂劑也有一定的降低塑性開裂的效果，但效果不如防裂抗滲復合材料顯著。與干縮性能相比，防裂抗滲復合材料對早期抗裂性能改善更為顯著，說明防裂抗滲復合材料對抑制混凝土的塑性收縮裂縫更有利。

圖4 平板法混凝土抗裂性能

2.5 自生體積變形研究

混凝土自生體積變形試驗結果如圖5所示。可見，4個編號的混凝土的自生體積變形均為收縮型。與空白組相比，防裂抗滲復合材料組混凝土的自生體積收縮明顯降低，有利于提高混凝土的抗裂性能[15]。

圖5 不同摻加劑混凝土自生體積變形

2.6 水泥水化熱研究

為分析防裂抗滲復合材料對水泥水化熱的影響，開展了水泥水化熱試驗。如圖6所示為純水泥樣品、摻合0.7%防裂抗滲復合材料粉體的水泥水化熱結果。

圖6 膠凝材料水化熱結果：(a)熱流量；(b)水化熱

圖6(a)可以看出加入裂抗滲復合材料可以有效的延后水泥到達水化熱放熱峰值的時間，同時減少水化放熱峰值的熱流量極值。加入粉體的水泥樣品中，水泥的放熱曲線較基準樣品更為平緩，且未見明顯的放熱峰值，在水化反應進行84h時最高熱流量為0.31mW/g，僅為基準樣品放熱峰值的15%。

圖6(b)展示了摻合不同粉體的水泥水化放熱與時間的關系圖。由圖6(b)可以看出，在試驗時間內，摻合#1粉體的水泥樣品水化熱仍處于上升階段，其水化發熱量為63.5J，較基準樣品下降約61%。由此可見，在膠凝材料中加入裂抗滲復合材料可以有效的降低水泥的水化放熱峰值，減少早期混凝土溫升，因而降低混凝土因溫度變化而發生開裂的風險[16]。同時，這也解釋了防裂抗裂復合材料能顯著延長混凝土凝結時間的原因。

2.7 孔結構

為分析防裂抗滲復合材料對水泥漿體微孔結構的影響，開展了壓汞試驗。如圖7所示為基準組、摻合防裂抗滲復合材料混凝土組的孔結構試驗結果。可見，與基準組相比，摻防裂抗滲復合材料組混凝土漿體的最可幾孔徑基本不變，說明摻防裂抗滲復合材料不會對混凝土內部的微孔結構產生不利影響。

圖7 孔結構試驗結果

3 工程應用

寧夏何家溝調蓄水庫工程位于寧夏固原市，地處西北高蒸發地區，混凝土面板開裂風險很大。為減少混凝土面板開裂，確保工程質量，經多方對比論證分析，決定在壩坡現澆板混凝土中摻加防裂抗滲復合材料作為抗裂措施。

現場實際施工發現，該材料的和易性良好，混凝土拆模后表面平整光潔。在使用防裂抗滲復合型材料后澆筑的混凝土有明顯的改觀，28d內沒有裂縫產生。經過兩年的觀測，僅有少量微裂縫產生，沒有宏觀裂縫，混凝土裂縫降低率超過90%。強度與普通混凝土強度沒有明顯差異，混凝土顏色更加接近清水混凝土，如圖8所示。這說明防裂抗滲復合材料用于高蒸發地區面板工程上是合適的。

圖8 何家溝水庫工程應用效果對比

4 結論

采用防裂抗滲復合材料為一種粉體與纖維的復合抗裂材料提高某一位于高蒸發地區的水工溢洪道混凝土的抗裂性能。通過室內混凝土性能試驗，對混凝土的工作性能、力學性能和抗裂性能等進行了系統研究，在室內研究的基礎上，開展工程應用試驗研究。結論如下。

(1)室內試驗結果表明，與空白組相比，摻防裂抗滲復合材料混凝土的凝結時間明顯延長，粉體對水泥水化熱有明顯的延緩和抑制作用。

(2)與空白組相比，采用防裂抗滲復合材料的混凝土28d時每條裂縫平均開裂面積有所降低，單位面積裂縫數目分別降低70%、80%，單位面積上總開裂面積分別降低75%、84%，下降十分明顯。與空白組相比，防裂抗滲復合材料組混凝土的自生體積收縮和干縮均明顯降低，有利于提高混凝土的抗裂性能。

(3)空白組抗凍融循環次數不到100次，采用防裂抗滲復合材料時，抗凍融循環次數可達到200次。與某憎水性混凝土防水抗裂劑相比，摻加防裂抗滲復合材料的混凝土質量損失率更低。

(4)摻防裂抗滲復合材料的面板實體混凝土開裂降低了90%，外觀效果良好，工程應用效果明顯。