某水电站闸墩多掺合料抗裂混凝土试验研究

李 生 良， 李 艳 萍， 郭 洪 娟， 黄 如 卉， 马 智 法

(1.中国人民武装警察部队水电第三总队，四川成都 610036;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061;3.中庆建设有限责任公司，吉林长春 130000)

1 概述

某水电站下水库闸墩采用预应力混凝土浇筑，与常规混凝土相比，预应力混凝土具有混凝土标号高、水泥用量高、胶凝材料用量高等特点，从而导致混凝土浇筑后水化热温升较高、干缩较大，存在开裂危险。根据工程需要进行了混凝土抗裂技术研究，通过采用双掺、三掺混凝土掺合料，同时掺粉煤灰前期性能激发剂等新技术手段，研究了不同胶凝材料组合变化对混凝土性能的影响，优化了混凝土配合比，达到了减少工程裂缝、增加结构耐久性能的目的。

2 原材料

(1)水泥。本次试验采用抚顺水泥有限责任公司生产的浑河牌P·MH42.5级中热硅酸盐水泥，各项指标均满足技术要求。

(2)粉煤灰。本次试验采用的粉煤灰为吉林市某粉煤灰有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，各项指标均满足技术要求。

(3)粉煤灰激发剂。粉煤灰激发剂采用由甘肃巨才电力技术有限责任公司生产的HF外加剂，掺量选择为2%。

(4)膨胀剂。本次研究采用新中州HEA－1膨胀剂作为本次试验研究用膨胀剂。

(5)硅粉。本次研究采用由挪威埃肯集团材料公司生产的硅粉，各项性能指标满足技术要求。

(6)外加剂。本次试验所用外加剂为北京某混凝土材料有限公司生产的ZB－4萘系高效引气减水剂。

(7)纤维。本次试验研究采用的纤维为江苏生产的丹强丝。

(8)粗骨料。粗骨料为工程附近的卵石，各项性能指标满足技术要求。

(9)细骨料。细骨料为工程附近的天然河砂，各项性能指标满足技术要求。

3 混凝土配合比方案

本试验配合比设计等级为C40F300W6，采用5种胶材组合，其组合方式和思想为:(1)单掺粉煤灰，其组合思想是利用粉煤灰形态效应、火山灰活性效应优化混凝土性能;(2)双掺粉煤灰、粉煤灰激发剂，其组合思想是利用粉煤灰形态效应、火山灰活性效应优化混凝土性能，采用激发剂提前激发粉煤灰活性;(3)双掺粉煤灰、膨胀剂，其组合思想是利用粉煤灰形态效应、火山灰活性效应与膨胀剂膨胀填充效应叠加，提高混凝土性能;(4)双掺粉煤灰、硅粉，其组合思想是利用粉煤灰形态效应、火山灰活性效应与硅粉微集料填充效应叠加，提高混凝土性能;(5)三掺粉煤灰、膨胀剂、硅粉，其组合思想是利用粉煤灰形态效应、火山灰活性效应与膨胀剂膨胀填充效应、硅粉微集料填充效应叠加，提高混凝土性能。

根据上述组合方式和思想，混凝土配制的各项参数见表1。

4 试验结果与分析

结合研究目的，进行了各种掺合料组合的抗压、极限拉伸、干缩、抗冻、抗渗等项试验性能测试，其具体结果见表2、3。

(1)混凝土强度试验结果分析。从试验结果可以看出，7 d抗压强度相对较大的三个掺合料组合为:纤维+粉煤灰+膨胀剂＞空白＞粉煤灰+粉煤灰激发剂，28 d抗压强度相对较大的三个掺合料组合为:粉煤灰+粉煤灰激发剂＞粉煤灰+硅粉＞粉煤灰+膨胀剂。由此可以说明机理如下:①在混凝土早期胶凝强度尚未发育，强度较低时，掺纤维可以提高混凝土强度;②粉煤灰、膨胀剂、硅粉等掺合料的强度发育较水泥缓慢，因此各掺合料组合的混凝土早期强度均不及空白混凝土;③粉煤灰激发剂的强度激发作用在早期和28 d龄期均有体现，加入激发剂后混凝土各龄期强度明显高于单掺粉煤灰混凝土强度;④硅粉、膨胀剂与粉煤灰配合使用较单掺粉煤灰混凝土强度有所提高，两者强度提高值相差不大。

表1 二级配混凝土试验配合比表

表2 混凝土性能试验成果表

表3 混凝土各龄期干缩结果表

(2)极限拉伸试验结果分析。混凝土极限拉伸值是指混凝土经轴心抗拉时，混凝土断裂前最大伸长值。当混凝土的拉伸变形超过混凝土的极限拉伸值时，混凝土将产生裂缝。极限拉伸值作为混凝土抗裂性指标，在其它条件相同时，混凝土的极限拉伸值越高，其抗裂性越好。在宏观层面上，混凝土极限拉伸性能主要受混凝土骨料性能、水泥石性能及胶骨比的影响。从试验结果看，当骨料级配、水胶比、胶材总量基本相同时，不同掺合料组合及不同外加剂品种条件下混凝土的极限拉伸试验结果抗拉强度、极限拉伸值差异不大。掺入纤维的混凝土7 d抗拉强度较其他组合有所增加，但28 d抗拉强度值较其他组合略有降低，说明本研究中纤维可提高发育未成熟混凝土的早期抗拉强度，而对混凝土发育成熟后期并无贡献。

(3)混凝土干缩试验结果分析。干缩是混凝土开裂的重要诱因之一，主要受胶骨比、水灰比，水泥品种、掺合料品种、外加剂品种等因素影响。在本次研究中，主要通过研究不同掺合料组合情况下混凝土干缩性能的变化寻找干缩性能较好的掺合料组合，以降低混凝土开裂机率。一般研究路径为:①掺入适量膨胀剂，补偿部分混凝土收缩;②优化混凝土胶材组合，提高水泥石的内部密实度;③选择适当的外加剂品种。

既使是完全水化后，混凝土仍是多孔材料。掺合料组合的变化，由于其各自水化产物的差异，对混凝土胶凝材料的自然堆积密实度(水化前胶材空隙率)、粒度及其水化速度具有一定程度的影响，在宏观干缩性能上体现为混凝土干缩性能的变化。

从试验结果可以看出，当掺合料组合为粉煤灰+膨胀剂时，混凝土干缩值最小，基准混凝土干缩值最大，其余掺合料组合的混凝土干缩值介于二者之间。与基准混凝土相比，粉煤灰+膨胀剂混凝土28 d干缩率降低约20%，60 d干缩率降低约23%。与粉煤灰混凝土相比，粉煤灰+膨胀剂混凝土28 d干缩率降低约12%，60 d干缩率降低约20%。

(4)混凝土抗渗、抗冻性能试验结果。与普通混凝土相比，加入膨胀剂后，由于钙矾石膨胀结晶体具有填充和堵塞毛细孔径的作用，从而增加了混凝土的密实性;由于其高致密性而具有良好的抗渗、抗冻能力。本研究各混凝土配合比抗渗等级均达到W6以上，混凝土抗冻等级均可达F300以上。

5 混凝土推荐配合比选择

大体积混凝土抗裂性能主要受混凝土干缩、极限拉伸、水化热温升的影响，在本次试验研究中，主要依据混凝土抗压强度、干缩、极限拉伸、抗渗、抗冻性能及水化热温升进行混凝土最佳掺合料组合选择。具体选择步骤为:(1)选择抗压强度、抗渗、抗冻性能满足设计要求的掺合料组合混凝土配合比;(2)在步骤(1)的基础上综合比较各掺合料组合混凝土配合比性能，具体比较方法为:计算混凝土干缩与混凝土极限拉伸及由水化热温升导致的混凝土线性膨胀之和，即各配合比单位线性变化值。通过计算，得P2－1－1单位线性变化值L为4.79×10－4;P2－2－1单位线性变化值L为4.47×10－4;P2－3－1单位线性变化值 L为4.36×10－4;P2－4－2单位线性变化值L为4.02×10－4;P2－5－22单 位 线 性 变 化 值 L为4.13×10－4;P2－6－2单位线性变化值 L为4.22×10－4。(3)在完成步骤(2)后，选择L最小的混凝土配合比作为推荐掺合料组合混凝土配合比。

综合考虑混凝土抗压强度、抗冻性能、抗渗性能、极限拉伸、干缩、水化热温升等抗裂性能影响因素后，选择粉煤灰+膨胀剂作为本次研究的最优掺合料组合。

6 结论及建议

根据试验研究结果，粉煤灰+膨胀剂的掺合料组合混凝土综合性能(主要侧重于抗裂)优于其它掺合料组合的混凝土。同时表明由于纤维的掺入，明显改善了混凝土早期(7 d)抗压强度及极限拉伸性能，但对混凝土28 d性能影响不大。

为了减少大体积混凝土产生裂缝的几率，对现场施工提出以下建议:(1)现场施工时应采取适当措施降低混凝土拌合物浇筑温度，从而尽可能降低混凝土内外温差;(2)混凝土施工后应及时养护，宜对混凝土表面采取覆盖措施，以防止水分散失;(3)后期养护对成熟混凝土的防裂有一定影响，因此混凝土的保湿养护应持续进行。