掺不同外掺料船闸混凝土抗裂性能试验研究

申宏波，张建峰，赵 恒

(1.华电金沙江上游水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 前 言

某水利枢纽工程由主坝和副坝组成。工程施工使用混凝土约为700万m3，其中船闸底板等部位混凝土浇筑仓面大，当地平均气温气候潮湿温润，大体积混凝土水泥水化温升不易控制，这些因素易导致混凝土会产生不同程度的温度裂缝。在水利水电工程建设中，大体积混凝土裂缝问题是影响工程结构质量和耐久性的关键因素之一，严重的还会影响工程安全，缩短工程寿命。混凝土是典型的脆性材料，其抗拉强度远小于抗压强度，混凝土大坝等大型水工建筑物体积庞大，受其自身和周围介质温度、湿度变化的影响以及基础约束的作用，往往在不同部位产生很大的约束应力，极易产生裂缝。防止混凝土坝产生裂缝，历来是各国坝工建设中的重大研究课题。

为了提高水工混凝土抗裂性能，应尽可能减小混凝土在水化硬化过程中的收缩变形，提高混凝土材料的抗拉强度，使混凝土具有低绝热温升、高抗拉强度、低收缩、低弹模、高极限拉伸特性[1]。目前水电工程常用的纤维有聚乙烯醇纤维( PVA) 、纤维素纤维、聚丙烯纤维( PP) 、聚丙烯腈纤维( PAN) 和钢纤维等[2]。针对该水利枢纽大体积混凝土抗裂性能研究，本文研究了轻烧氧化镁、PVA纤维和PP纤维混凝土性能的影响，揭示了不同材料对混凝土抗裂性能的影响规律，从而更好地为该水利枢纽工程建设提供技术支撑。

1 原材料与试验方法

试验采用广西柳州渔峰集团有限公司生产的42.5中热硅酸盐水泥、广西华天能环保科技开发有限公司提供的来宾电厂I级粉煤灰、武汉三源特种建材有限公司生产的轻烧氧化镁(简称“MgO”)、江苏能力科技有限公司生产的聚乙烯醇纤维(简称能力PVA)和深圳维特耐新材料有限公司生产的维克聚丙烯纤维(简称维克PP)、石家庄市长安育才建材有限公司生产的GK-4A高效减水剂(缓凝型)、GK-9A引气剂，骨料均取自江口天然砂砾石料场提供的天然砂岩骨料。试验用原材料均满足相应规程、规范要求，水泥、粉煤灰和氧化镁的化学组成见表1。

表1 水泥、粉煤灰和硅粉的化学组成 %

试验使用的混凝土基准配合比：二级配混凝土、水胶比0.36、混凝土单位用水量118 kg/m3、粉煤灰掺量25%、砂率32%，掺入纤维和氧化镁后，单位用水量略有增加。混凝土的抗压、极限拉伸值、干缩和抗裂性能的试验方法和试验结果处理按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的有关规定进行。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

不同MgO掺量和掺纤维的混凝土28d抗压强度及劈拉强度见图1，混凝土各龄期的拉压比(劈裂抗拉强度与抗压强度之比)结果见表2所示。由图1和表2可以看出，相同条件下，掺入MgO后，混凝土抗压强度和劈拉强度均有所降低，随着MgO掺量的提高，混凝土的抗压强度和劈拉强度呈缓慢降低的趋势。7 d、28 d与90 d龄期混凝土劈拉强度与抗压强度比值分别为6.3%～6.9%、5.7%～6.3%和5.7%～5.9%，平均比值分别为6.6%、6.0%和5.8%。随着龄期增长，劈拉强度与抗压强度比逐渐下降。掺入不同品种的纤维后，混凝土各龄期抗压强度略有降低。掺入江苏能力PVA纤维后，混凝土劈拉强度略有增长，但掺维克PP纤维后，劈拉强度略有降低，混凝土拉压比有一定的提高。

图1 掺氧化镁和纤维混凝土抗压强度

表2 掺氧化镁和纤维混凝土的拉压比

2.2 变形性能

掺MgO和纤维混凝土干缩试验结果见图2，自生体积变形结果见图3。

图2 掺MgO和纤维混凝土干缩率

图3 掺MgO混凝土自生体积变形曲线

试验结果表明：相同水灰比和原材料品质的条件下，随着MgO掺量的提高，混凝土的混凝土的干缩变形有一定程度减小。随着MgO掺量的增加，混凝土的干缩率有降低的趋势。掺MgO的混凝土自生体积变形呈现正值，表明混凝土呈现膨胀状态。轻烧MgO是利用补偿收缩原理，在约束条件下由提前膨胀产生的预压应力来补偿收缩，从而达到消除或减少裂缝的目的。氧化镁在水化过程中产生的膨胀变形，表现出一种独特的“延迟性”，可利用这种延迟性膨胀来抵消部分的温度收缩变形、干燥收缩变形，使混凝土总体变形收缩量减小，这对混凝土的防裂、抗裂是有利的。掺入不同品种的纤维后，同等条件下混凝土干缩变形减小，且对混凝土早龄期干缩的抑制效果更显著，但不同纤维品种之间的差异不明显。

2.3 早期开裂性能

掺MgO和纤维混凝土平板法抗裂试件的试验结果见表3，平板法试件的开裂参数见表4。试验结果表明： MgO对改善混凝土塑性阶段的抗裂性作用不大。掺入不同品种的纤维后，减小了平板裂缝的数目和面积，降低了最大裂缝宽度，但平板抗裂等级并没有提高，说明纤维在混凝土塑性阶段，对抗裂有一定的改善作用。主要是因为纤维在混凝土中的乱向分布，一方面，可以抑制混凝土颗粒的下沉，从而减少混凝土中水溢出形成的毛细通道，减少泌水现象，可以有效抑制混凝土的塑性开裂；另一方面，当混凝土出现开裂时，一部分荷载转移到纤维，使混凝土呈现出较高的延性，有效抑制混凝土的早期开裂。

表3 掺MgO和纤维混凝土平板法抗裂试件的试验结果

表4 掺MgO和纤维混凝土平板法试件的开裂参数

2.4 掺MgO水泥胶凝材料的压蒸稳定性研究

由于水泥熟料中的MgO含量不超过5%，超过时应通过压蒸试验后可放宽到6%。MgO混凝的胶凝材料是由水泥及掺和料组成，故MgO的掺量采用胶凝材料总量为基数进行计算。掺量过高有可能引起混凝土粉化破坏，虽然在研究过程中，当MgO掺量达到8%时，压蒸试验仍满足要求，但因研究时间较短，为慎重起见，当MgO极限掺量超过胶凝材料用量的5%时，仍应进行压蒸试验，以确定其安定性。

《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》(DL/T 5296—2013)中也提出了掺MgO混凝土安定性试验方法，通过将试件竖放在预先加热至80℃±2℃的养护箱里养护，养护至60d龄期，安定性的评价指标为：①混凝土膨胀率小于等于0.060%；②掺MgO混凝土的劈裂抗拉强度与基准混凝土的劈裂抗拉强度之比不小于0.85；③混凝土无弯曲或龟裂。

胶凝材料压蒸安定性试验结果见表5，砂浆压蒸安定性的试验结果见表6，掺MgO混凝土的安定性见表7。

表5 胶凝材料压蒸安定性试验结果

表6 掺氧化镁砂浆压蒸安定性试验结果

表7 掺氧化镁混凝土安定性试验结果

从试验结果可以看出：掺入氧化镁后，产生膨胀作用，使得胶凝材料的压蒸膨胀率增大。且试验发现氧化镁掺量越高，试件膨胀得越厉害，砂浆膨胀率和混凝土膨胀率也随之增大，但劈拉强度比逐渐降低。当MgO掺量不超过5%时，影响较小，超过5%时，影响较大。砂浆试件压蒸膨胀率均未超过0.5%，表明掺6%的轻烧MgO砂浆安定性合格。当MgO掺量小于6%时，混凝土膨胀率都小于0.060%，掺MgO混凝土的劈裂抗拉强单独与基准混凝土的劈裂抗拉强度之比也都大于0.85。

3 结 论

1)掺入MgO后不改变混凝土的水化放热特性和水化进程，但会使混凝土各龄期的强度及极限拉伸值略有降低。MgO在水化过程中产生的体积膨胀可以部分补偿混凝土的干缩变形，对混凝土自生体积收缩变形补偿作用明显。使掺MgO混凝土的干缩率低于基准混凝土，并使混凝土呈微膨胀变形。

2)单掺PVA或PP纤维，混凝土7 d、28 d龄期强度略有降低，各龄期极限拉伸值略有提高，混凝土自生体积收缩变形趋势不变，纤维对混凝土早期塑性开裂有一定抑制作用。

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