不同水泥及掺和料对高性能混凝土塑性开裂的影响

王秀东

(新疆卡拉贝利水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什 844000)

混凝土面板堆石坝防渗体是混凝土面板，其裂缝的多少、宽度和深度都影响着混凝土面板的防渗效果。严寒、干旱的新疆地区，昼夜温差大，气候干燥、多风等，在诸多对抑制混凝土裂缝不利的环境下，如何配制出抗裂性最佳的混凝土，是研究的重点。选择性能好的外加剂或纤维等抗裂掺加物，可以有效地提高混凝土的抗裂性能。本文根据卡拉贝利水利枢纽工程特点，分别选用聚乙烯醇纤维和WHDF抗裂减渗剂(又名WHDF增密剂，简称WHDF)进行混凝土抗裂试验，从材料角度优选大坝抗裂混凝土。

1 试验方法及评定办法

采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)标准[1]中的方法进行早期抗裂试验。规范要求测试24h为试验结果，本试验研究为了对比长时间效果，故延长到48h，观察裂缝的发展情况。依据《混凝土质量控制标准》(GB 50164—2011)[2]规定对试验结果进行质量评定(见表1)。

表1 混凝土早期抗裂性能等级划分

2 试验材料

2.1 水泥

本次按委托方要求，对不同部位的混凝土进行试验，分别采用P·HSR42.5水泥和P·O42.5水泥，其物理力学性能、化学成分指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)[3]中相应等级技术要求。

2.2 粉煤灰

粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，它是在火电厂排出的烟气中收集到的细颗粒粉末。粉煤灰在混凝土中具有火山灰活性作用，它吸收氢氧化钙后生成硅酸钙凝胶，成为胶凝材料的一部分；微珠球状颗粒，具有增大混凝土流动性、减少泌水、改善混凝土和易性的作用；粉煤灰的水化反应很慢，它在混凝土中长期以固体颗粒形态存在，具有填充骨料空隙的作用，可提高混凝土密实性；同时通过大量国内外试验文献资料证明，掺入适量的粉煤灰可提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力及抑制碱骨料反应的作用。经检测，粉煤灰各项指标符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)[4]中Ⅱ级粉煤灰技术要求。

2.3 粗细骨料

细骨料为当地河床砂，为Ⅱ区中砂，粗骨料为当地卵石，骨料除碱活性外(已通过掺粉煤灰拌和解决)，其余检测项目均符合《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)[5]中技术要求。

2.4 外加剂和纤维

本配合比试验使用了高效减水剂AX-1、引气剂AOXIN和JK-7型聚乙烯醇纤维、混凝土抗裂减渗剂WHDF。经检测，其性能均符合相应标准规范的要求。

2.5 水

本次混凝土配合比试验研究拌和用水为地下水，水质较好，符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)技术要求。

3 试验方案

本次试验主要测试对比面板(趾板)混凝土掺用增密剂WHDF、纤维和两者均不掺在约束条件下的早期抗裂性能，6组试验中均掺入30%粉煤灰(方案分组见表2)。

表2 试验组合

4 试验结果分析

通过对6组试件结果进行分析(见表3)，单位面积的裂缝数目指标，在抗硫酸盐水泥配置的高性能混凝土试件中，K1>K3>K2；在普通硅酸盐水泥配置的混凝土试件中，P1>P2>P3。且两种水泥的试件中24h和48h单位面积的裂缝数目相同。总体结果表现为P1>K1>P2>K3>K2>P3。

单位面积上总开裂面积指标，在抗硫酸盐水泥配置的高性能混凝土试件中，24hK1的单位面积总开裂面积较K2少7%，较K3少64%，K2的单位面积总开裂面积较K3少61%；48hK1的单位面积总开裂面积较K2多3%，较K3少68%，K2的单位面积总开裂面积较K3少69%。总体结果表现为P3>K3>P1>K2>K1>P2。

在普通硅酸盐水泥配置的混凝土试件中，24h P2的单位面积总开裂面积较P1少83%，较P3少95%，P1的单位面积总开裂面积较P3少67%；48h P2的单位面积总开裂面积较P1少83%，较P3少95%，P1的单位面积总开裂面积较P3少70%。

只掺入30%粉煤灰的抗硫酸盐水泥与普通硅酸盐水泥试件相比，单位面积上总开裂24h减少57%，48h减少55%；掺1%纤维普通硅酸盐水泥与抗硫酸盐水泥试件相比，单位面积上总开裂24h减少64%，48h减少62%；掺2%WHDF抗硫酸盐水泥与普通硅酸盐水泥试件相比，单位面积上总开裂24h减少64%，48h减少62%。

表3 试验结果

由表3数据可知：从单位面积的裂缝数目指标来看，抗硫酸盐水泥+1%纤维与普通硅酸盐水泥+2%WHDF的组合裂缝数目最少。

从单位面积上总开裂面积指标看，普通硅酸盐水泥+1%纤维组合的抗裂效果最好，这是因为混凝土试件在硬化过程中，体积收缩，受到试验模板约束时，便产生拉应力，当拉应力大于混凝土本身的抗拉强度时，混凝土被拉开，形成塑性裂缝，而掺入纤维后，拌和物之间的整体性增强，提高了混凝土的抗拉强度，能够有效抵御收缩产生的拉应力，从而减少混凝土的塑性开裂。

当普通硅酸盐水泥掺增密剂时，单位面积的裂缝数目最少，但单位面积上总开裂面积是最高的，从试件开裂情况看，裂缝的宽度大且深，多发生在导裂梁上方，说明增密剂能在水化初期提高混凝土的抗拉强度，在约束少的区域不会产生裂缝，但在约束多的区域，混凝土开裂的风险很高。

5 结 论

试验结果表明，6组试件中，单位面积上总开裂面积由大到小的排列为P3>K3>P1>K2>K1>P2。普通硅酸盐水泥+1%纤维组合的单位面积上总开裂面积最小，抗裂等级为Ⅴ，抗裂性能最好，因此，推荐P2组合。在施工过程中，应注意对混凝土进行早期养护，通过覆盖塑料薄膜等方式，减小不利环境因素对混凝土开裂的影响。