基于抗裂性能的水工混凝土配合比研究

許明綱

(本溪隆澤建設工程有限公司，遼寧 本溪 117000)

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥采用海螺牌P·O 42.5級普硅水泥，比表面積338 m3/kg，燒失量2.08%，堿含量0.50%，密度3.16 g/cm3，其力學性能指標如表1。

表1 水泥的主要性能指標

粉煤灰采用鐵嶺某電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰，經檢測粉煤灰需水量比98.0%，比表面積450 m2/kg，細度21.6%，燒失量3.1%，28 d活性指數78%。

骨料采用大連豐鑫沙石廠提供的天然砂和花崗巖碎石，砂表觀密度2600 kg/m3，細度模數2.71；碎石為粒徑5～20 mm和20～40 mm兩種級配，經檢測砂石骨料的主要性能指標均滿足《水工混凝土施工規范》(SL 677—2014)要求。

膨脹劑采用市場上購買的S-AC膨脹劑，經檢測其主要性能指標滿足《混凝土膨脹劑》(GB/T 23439—2017)相關要求。

外加劑采用青島虹夏高分子材料有限公司生產的HSN高效引氣減水劑，黃褐色粉劑，結合3%～5%含氣量要求其推薦摻量0.5%～1.5%，減水率達到13.0%～20.0%，可適用于防滲防腐、抗凍融、水利工程、碼頭、港口等有一定含氣量要求的混凝土。

1.2 試驗配合比

一般地，在滿足設計要求的情況下應盡量減小水泥用量和膠骨比，保證混凝土具有良好的工作性能、較高的密實度和較小的水膠比，最大限度地降低因內部溫升及水化放熱等因素所產生的裂縫問題[1]。在配合比設計時要考慮粉煤灰摻量、骨料級配、砂率以及水膠比等因素的影響，以二級配C25F300抗裂混凝土為目標合理設計配合比。

經計算，可以確定二級配C25F300抗裂混凝土的配制強度31.6 MPa。

通過多次試配調整和優化選擇各參數確定最終配合比如表2，其中高效引氣減水劑摻量0.6%，膨脹劑和粉煤灰摻量8.0%、22.0%，砂率分別為36.0%、37.0%和38.0%。

表2 試驗配合比

根據《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2020)進行不同配合比混凝土抗收縮、抗凍、抗拉和抗壓性能的測試，通過試驗數據分析探討混凝土性能受粉煤灰、膨脹劑和高效引氣減水劑的影響。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度試驗

抗壓強度是反映混凝土性能的主要參數，試驗測定不同配合比水工混凝土7 d、28 d齡期抗壓強度如表3。

表3 抗壓強度試驗數據 MPa

由表3可知，P1、P2、P3組試件28 d抗壓強度均滿足C25設計等級要求，隨著水膠比的增大相應的抗壓強度呈減小趨勢，究其原因是水膠比越大則未參與水化的水分越多，這些水分分布混凝土內部，形成水泡或蒸發氣孔導致其抗荷載作用面積減小，孔隙周圍因荷載作用出現應力集中的情況，從而降低整體抗壓強度[2]。

2.2 干縮性能試驗

水工混凝土開裂的影響因素較多，干縮是導致其開裂的重要因素之一。干燥條件下內部孔隙水分逐漸蒸發，由此形成的毛細管引力會壓縮基體孔隙，導致體積逐漸縮小并形成裂縫。將適量膨脹劑摻入水工混凝土中能夠有效降低開裂風險，試驗測定0 d、3 d、7 d、14 d和28 d齡期不同配合比混凝土的干縮值(其中干縮值大小是指絕對值，絕對值越大，干縮值越大，干縮值為負代表收縮，干縮值為正代表膨脹，在計算時用負值表示)如表4。

由表4可知，混凝土干縮值隨水膠比的增加逐漸下降，這是由于增大水膠比相當于減少膠材用量，從而降低了試件的水化程度和干縮值。表中水膠比為0.36小時(P1)，其干縮值較大，也就是收縮越大，水膠比為0.48大時(P3)，其干縮值的絕對值小，表示收縮越小。

2.3 極限拉伸試驗

軸心抗拉條件下混凝土在斷裂前的最大伸長值即為極限拉伸值，若拉伸變形大于其極限拉伸值就會形成裂縫。保持其他條件不變時，極限拉伸值越大則混凝土的抗裂性能越優[3]，試驗測定不同配合比水工混凝土的極限拉伸值如表5。

由表5可知，水工混凝土極限拉伸值隨水膠比的增加逐漸降低，究其原因是提高水膠比會減小基體材料密實性和抗拉強度，受拉斷裂時相應的最大伸長值也會降低。

2.4 抗凍性能試驗

對于水工混凝土抗凍性能我國北方嚴寒地區的要求更高，而良好的抗凍性能與混凝土的高致密性密切相關[4-5]，試驗測定不同水膠比水工混凝土抗凍性能如表6。

表6 抗凍性能試驗數據

由表6可知，各組試件均達到F300以上設計抗凍要求，水膠比越大相應的質量損失率越高，相對動彈模量逐漸減小，究其原因是相同骨料級配條件下，水膠比越小則致密性越好，混凝土的抗凍性能也就越優。

2.5 水化溫升試驗

水化放熱會導致試件體積出現膨脹，因自身導熱性能較差使得熱量散失不均勻，內外部降溫速率差異很容易引起不同程度的收縮，這為裂縫的形成提供了條件[6-7]。一般采用式(1)計算不同水膠比混凝土的水化溫升值T。

T=WQ/Cρ

(1)

式中：W為膠材的用量，kg；Q為膠材的水化熱，kJ/kg；C為混凝土的比熱容，取0.96 kJ/(kg· ℃)；ρ為混凝土的容重，kg/m3。

根據實踐經驗確定膠材水化熱，試驗測定不同水膠比試件的水化溫升值如表7。由表7可知，水工混凝土水化溫升隨水膠比的增加逐漸下降。

2.6 最優配合比

在確定最優配合比時，應先保證能夠滿足抗凍性能和抗壓強度設計要求，然后考慮混凝土干縮、極限拉伸和水化溫升引起的線性膨脹之和L，通過計算選出L值最小配合比為最優，如式(2)：

(2)

式中：L為混凝土線性膨脹值；εT、εj、εg為溫縮變形值、極限拉伸值和干縮值；T為水化溫升；α為線膨脹系數，取6.5×10-6/℃。經計算不同配合比試件的單位線性變化值如表8。

表8 變形性能試驗數據

由表8可知，綜合考慮溫度變形值、28 d極限拉伸值以及28 d干縮值等因素影響，最終確定P3組為水工混凝土抗裂性能最優配合比。

3 結 論

通過試驗測定水泥、粉煤灰、砂石骨料、膨脹劑和高效引氣減水劑等材料性能，結果發現其性能均符合水工混凝土相關要求，并選用以上材料配制混凝土測定其性能。結果表明，隨水膠比的增加水工混凝土的水化溫升、抗凍性、干縮值、極限拉伸值以及抗壓強度均表現出下降趨勢；水膠比越大試件的單位線性變化值越小，考慮溫度變形值、28 d極限拉伸值以及干縮值等因素影響，最終確定P3組為抗裂性能最優配合比。該配合比能夠明顯增強整體抗裂性，有效降低水工結構的開裂風險，為東北嚴寒地區港口建筑物、水利水電工程等裂縫控制提供參考依據。