水利工程中的混凝土防裂材料改性及施工應用技術優化

中圖分類號：TQ178 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0106-04

Modification of concrete anti-cracking materials in water conservancy projects and optimization of construction application technology

ZHOU Zhenhui， CAO Jimeng （Ningyang County Water Conservancy Engineering Company，Ningyang 2714Oo，Shandong China）

Abstract：Aiming at the problem of poorlow temperature crack resistance of traditional hydraulic asphalt concrete， amethodof modifying hydraulicconcrete with rubber powder is proposed.Firstly，theratioof rubber powder modified hydraulicconcreteisoptimized，andthenitslowtemperature crackresistanceisanalyzed.Finalysomesuggestionsareput forward foritsconstruction application.Theresults showthat thefracture energyofrubberpowder modified hydraulic concrete at 0‰ is about 2 832 J/m² when the dosage of rubber powder modified asphalt is 7% and the dosage of fly ash is 12% . When the temperature drops to ，the flexural strength of modified asphalt hydraulic concrete is 3.3 MPa，and the flexural modulus is about 562 MPa.The freezing temperature is -45 C ，and the freezing stress is 4.84MPa ，which meets the requirements of water conservancy project construction in northern cold regions （ lt;-37^°C ）

Key words：hydraulic concrete;asphalt concrete;low temperature crack resistance;rubber powder modified asphalt;water conservancy project

在水利工程領域，混凝土結構承擔著擋水、輸水等重要功能。受服役環境的影響，水利工程中的混凝土溫度變化十分頻繁，很容易導致裂縫的產生。而混凝土裂縫問題時刻威脅著工程的安全與穩定。為解決水利工程混凝土裂縫問題，王柳江等[嘗試通過在水工瀝青混凝土內摻加玄武巖纖維提升其抗裂性能，并通過實驗證明了在 0% 的低溫條件下，纖維可有效提高瀝青混凝土的破壞拉伸應變；王金凱等2研究了高寒高海拔地區水工混凝土表面環氧樹脂涂層的耐老化性能，為后續高寒高海拔環境下高性能高耐久環氧樹脂涂層的研發提供參考；方偉等3通過小梁彎曲試驗，分析溫度變化與水環境作用對于普通瀝青混凝土和玄武巖纖維瀝青混凝土裂縫愈合規律的影響。試驗結果表明，玄武巖纖維的摻入可減小長時間水環境對瀝青混凝土裂縫愈合的不利影響，為水工瀝青混凝土抗裂設計提供參考；劉亮等4采用投影尋蹤回歸對水工瀝青混凝土配合比進行優化，提升水工混凝土的劈裂抗拉性能。以上學者的研究為提升水工混凝土的防裂性能提供了參考，但在低溫抗裂性能方面的研究還存在一些不足。基于此，本實驗通過膠粉對水工瀝青混凝土進行改性，并對其低溫抗裂性能進行研究，為水工瀝青混凝土的深度應用提供了參考。

1試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：基質瀝青（70#，泰安匯杰新材料有限公司）；廢膠粉（60目，湖北海睿環保新材料科技有限公司）；碎石（標準級，河北智睿礦產品加工有限公司）；天然河砂（標準級，鄭州鄭金建材有限公司）；粉煤灰（標準級，靈壽縣盛運礦產品加工廠）。

主要設備：101-A型電熱烘箱（滄州億軒試驗儀器有限公司）；HD-CP250型超聲分散機（山東霍爾德電子科技有限公司）；DW-100D型低溫試驗箱（無錫四聯科技有限公司）；WDW型萬能試驗機（河北鑫貿路業試驗儀器有限公司）。

1.2 試樣制備

1.2.1 膠粉改性瀝青的制備

（1）將70#基質瀝青放入電熱烘箱內，設置溫度為140℃將瀝青加熱至流動狀態，然后按照質量比75：15將熔融瀝青和60目的廢膠粉混合，在溫度為180^qC 的條件下通過高速剪切機攪拌 10min 使其混合均勻；（2）將混合物置于超聲分散機內進行超聲處理，超聲時間為 30min ，得到膠粉改性瀝青。

1.2.2 改性瀝青水工混凝土的制備

根據SL677—2014《水工混凝土施工規范》對基礎水工混凝土配比進行設計[57]，具體如表1所示。具體制備過程為：

（1）將所需物料提前置于電熱烘箱內 150^qC 恒溫 烘干3h，瀝青 110^qC 脫水 3h

（2）按照表1配比依次將碎石、天然河砂、粉煤灰放入攪拌機內，然后放入改性瀝青，打開攪拌機先低速攪拌 2min ，然后高速攪拌 3min ，得到改性瀝青水工混凝土;

（3）將制備的改性瀝青水工混凝土倒入提前刷有脫模劑的模具中，用刮刀將瀝青混凝王刮平后，使用擊實錘均勻擊實成型，脫模后進行性能測試。

表1改性瀝青水工混凝土配比設計Tab.1Mix design of modified asphalt hydraulic concrete

1.3 低溫抗裂性能分析

通過小梁彎曲試驗，使用低溫試驗箱和萬能試驗機對制備的改性瀝青水工混凝土的低溫抗裂性能進行分析[8-10]

2 結果與討論

2.1水工混凝土配比優化

2.1.1 膠粉改性瀝青用量優化

膠粉改性瀝青用量對改性瀝青水工混凝土 0% 斷裂能的影響如圖1所示。

圖1膠粉改性瀝青用量對改性瀝青水工混凝土0℃斷裂能的影響

Fig.1Theeffectof rubberpowdermodifiedasphalt content on the 0% fracture energy ofmodifiedasphalthydraulicconcrete

由圖1可知，隨改性瀝青用量的增加，改性瀝青水工混凝土 0% 斷裂能表現出先增加后降低的變化趨勢。這是因為膠粉改性瀝青具備很好的延展性和粘性，能有效提高膠漿延展性和骨料間的粘結力，其用量越多，這種提升效果越明顯[11-13]。在低溫條件下，改性瀝青水工混凝土發生收縮時，可通過塑性變形吸收能量，使斷裂能有所提升。但改性瀝青摻量存在最佳閾值，超過最佳閾值后，改性瀝青在混凝土體系內形成游離瀝青層，集料嵌擠作用被削弱，混凝土剛度下降，在低溫狀態下應力集中加劇，斷裂能明顯下降。當膠粉改性瀝青用量為 7% 時，改性瀝青水工混凝土 0% 斷裂能最高，因此選擇適合的膠粉改性瀝青用量為 7% 。

2.1.2 粉煤灰用量優化

粉煤灰用量對改性瀝青水工混凝土 0% 斷裂能的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨粉煤灰用量的增加，改性瀝青水工混凝土0℃斷裂能表現出先增加后降低的變化趨勢。這是因為粉煤灰顆粒為球形，在改性瀝青水工混凝土內部起到潤滑的作用，可有效降低混凝土內部摩擦，混凝土柔韌性得到顯著提升，低溫收縮應力明顯減少，使水工混凝土 0% 斷裂能增加[14-15]。但粉煤灰用量過多會導致膠漿粘結性下降，對改性瀝青水工混凝土的劈裂抗拉強度產生不良影響，進而影響了改性瀝青水工混凝土的 0% 斷裂能。當粉煤灰用量為12% 時，改性瀝青水工混凝土 0% 斷裂能最高，因此選擇適合的粉煤灰用量為 12% 。

綜上，在最佳配比條件下，改性瀝青水工混凝土0% 斷裂能約為 2832J/m² □

2.2 低溫抗裂性能分析

以市售普通瀝青水工混凝土為對照，對制備的改性瀝青水工混凝土低溫抗裂性能進行分析。

2.2.1 低溫抗彎性能分析

兩種混凝土在不同低溫條件下的抗彎性能分析結果如圖3所示。

由圖3可知，隨溫度的降低，兩種瀝青水工混凝土的抗彎強度均表現出先降低后增加的變化趨勢，彎曲模量則持續增加。這是因為在降溫初期，瀝青水工混凝土內部孔隙水因凍結而發生膨脹，產生凍脹應力，使瀝青與骨料的界面出現裂縫，造成骨料脫粘，材料整體性下降，抗彎強度下降。隨溫度持續降低，瀝青逐漸進入玻璃態，分子鏈運動被凍結，材料由粘彈性轉變為彈性固體，極限抗彎強度顯著提升。同時，完全凍結的水分在骨料間形成剛性冰晶網絡，產生臨時性“膠結”作用，協同硬化后的瀝青共同抵抗彎曲荷載，增強整體剛度，因此瀝青水工混凝王的抗彎強度增加。同時，也是因為溫度降低導致的瀝青硬化，使瀝青整體剛度增加，彎曲模量也持續增加。

同時從圖3中還可知，改性瀝青水工混凝土的彎曲強度始終高于市售普通瀝青水工混凝土，彎曲模量始終低于市售普通瀝青水工混凝土，表現出良好的耐低溫抗裂效果。這是因為在溫度下降的過程中，膨脹的膠粉顆粒能有效抑制微裂紋的擴展，減少破壞性裂紋的發生，使其具備優異的低溫抗裂性能。在-40℃條件下，改性瀝青水工混凝土抗彎強度與彎曲模量分別為 3.3MPa 和562MPa，滿足寒冷地區水利工程使用要求。

2.2.2 凍斷試驗結果分析

兩種混凝土的凍斷試驗結果如表2所示。

表2凍斷試驗結果Tab.2 Freeze fracture test results

由表2可知，改性瀝青水工混凝土的凍斷溫度為 -45^°C ，明顯低于普通水工瀝青混凝土。而凍斷應力約為 4.84MPa ，明顯高于普通水工瀝青混凝土，表現出良好的抗凍斷性能。這是因為膠粉顆粒在瀝青中溶脹、分散，相互連接，形成了一個穩定的三維網絡結構，有效地增強了混凝土內部的連接。在外界荷載或溫度變化等因素的作用下，這個三維網絡結構能夠有效地分散應力，將外力均勻地傳遞到整個混凝土結構中，從而抵抗裂縫的產生，從微觀層面提升了混凝土的抗裂性能。使改性瀝青水工混凝土表現出良好的低溫抗裂性能。

2.3 施工應用技術優化

2.3.1 施工應用過程

本改性瀝青水工混凝土在改性瀝青水工混凝土施工的過程中，需要選擇適宜的天氣，若在冰雪天施工，需要提前清除鋼筋 500mm 內冰雪塊，并將基礎面加熱至正溫。在澆筑的過程中，應選擇分層澆筑，且每層厚度均不超過 40mm ；同時，梁板混凝土應同時澆筑，并控制澆筑速度，從一端推進。水下混凝土澆筑后，自然養護至指定齡期；冬季混凝土澆筑采用綜合蓄熱法養護至指定齡期。

2.3.2 施工應用建議

（1）改性瀝青水工混凝土澆筑的水位變動區需要額外涂刷防腐涂層，避免因為水位變化造成的反復凍融，表面磨損和氣蝕破壞，使混凝土出現內部微裂紋擴展和表面剝落的現象；

（2）在拆模后應立刻覆蓋保溫材料進行養護，避免因為溫度驟降造成混凝土出現內部損傷，影響使用效果；

（3）水下施工的過程中需要保證圍欄結構穩定，防止因為水壓過大破壞混凝土的穩定性

3結語

綜上，本試驗制備的改性水工瀝青混凝土表現出良好的低溫抗裂性能，滿足我國嚴寒地區建筑要求。（1）膠粉能有效提升混凝土膠漿延展性和骨料間的粘結力，在低溫條件下，可通過塑性變形吸收瀝青水工混凝土收縮時的能量；（2）球形顆粒的粉煤灰可有效降低改性水工瀝青混凝土內部摩擦，提升混凝土柔韌性，減少低溫收縮應力，增加水工混凝土0℃斷裂能；（3）在溫度下降的過程中，膨脹的膠粉顆粒可抑制微裂紋的擴展，減少破壞性裂紋的發生，提升低溫抗裂性能。

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