土石坝面板表层高性能混凝土抗干缩性能试验研究

张宪南

(桓仁满族自治县农业发展服务中心，辽宁 桓仁 117200)

1 研究背景

土石坝是一种历史悠久的大坝坝型，具有材料易获取、结构简单、施工方便等诸多优势，但是也存在坝身不能直接溢流、防渗性能差等不足。因此，在土石坝建设过程中往往需要在其表面增加一层混凝土面板，防止入渗水流对大坝安全的不利影响[1]。超高性能混凝土(UHPC)水灰比相对较低，主要由硅灰、石英砂、减水剂和纤维组成，一般具有较强的力学性能和韧性，对解决混凝土面板表层抗溶蚀问题具有十分重要的意义，因此成为土石坝混凝土面板表面保护层的重要选择，在混凝土面板施工中具有广泛的应用[2]。

由于UHPC混凝土含有较高比例的胶凝成分，且水灰比较低，因此和普通混凝土相比具有更大的自收缩比[3]。为了解决这一问题，国内外学者在该领域进行了广泛而深入的理论和实践探索，并提出了一系列改善UHPC自收缩性的方式，就目前的研究成果来看，主要是在混凝土中添加膨胀剂、减缩剂、纤维等方式[4]。但是，就目前的研究现状来看，并没有针对上述3种材料在控制混凝土自收缩效果方面的横向比较。基于此，此次研究以上述3种材料的掺量为主要变量展开试验研究，以期为UHPC混凝土在土石坝面板施工中的应用提供必要的支持和借鉴。

2 材料与方法

2.1 试验材料

在面板混凝土施工过程中适宜采用水化热较低、活性较高的水泥，其主要技术指标应该符合国家的相关标准[5]。此次研究中选用的是大连市水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积大于360m2/kg，初凝时间150min、终凝时间为210min，28d抗压和抗折强度分别为49.0和9.2MPa。

为提高面板混凝土在施工过程中的和易性，减少施工过程中水化热的释放，在拌合料中掺入一定量的粉煤灰和硅灰。试验中选择的是大连华能热电厂生产的国家II级粉煤灰，其烧失量不大于8%。蓄水比不大于105%，相关指标满足国家要求；试验中的硅灰为河北科旭公司出品的微硅灰，其容重为1600kg/m3。

试验中使用的细骨料为普通天然河沙，其细度模数在2.60～2.80之间，粗骨料为人工石英砂岩碎石，其表观密度为2550kg/m3，粒径范围为5～15mm。

试验用外加剂为大连建筑科学院研制的DK-5型低引气高效复合减水剂，可以有效减水15%～18%，同时还具有一定的超塑化性能，可以显著改善碾压混凝土的和易性；试验用膨胀剂为新一代HCSA膨胀剂；试验用减缩剂为苏博特公司生产的 SBT-SRA聚醚类混凝土减缩剂；试验用纤维为天津东方建材有限公司出品的聚丙烯纤维。

试验用水为普通自来水。

2.2 配合比设计

试验中以相关施工规范为依据，同时参照土石坝混凝土面板的施工的工程经验，设计碾压混凝土的配合比[6]。其中，水泥用量为997 kg/m3、粉煤灰用量为95 kg/m3、硅灰用量为105 kg/m3、用水量为191 kg/m3、水胶比为0.22、用砂量为700 kg/m3、骨料为1020kg/m3、减水剂掺量为1.8%。为了试验不同的纤维、膨胀剂和减缩剂掺量对混凝土自收缩性能的影响，结合相关研究经验和成果，设计1%、2%、2.5% 3种不同的聚丙烯纤维掺量；2%、2.5%、3%等3种不同的减缩剂掺量以及6%、8%、10%等3种不同的膨胀剂掺量，将没有掺加抗自收缩材料的混凝土作为对照组进行试验研究。

2.3 试件的制作

根据研究的需要，试件制作选择25mm×25mm×300mm的模具尺寸。混凝土材料使用HJL60型强制搅拌机搅拌成型，装模后利用ZW-5型平板振动器振实。由于试件在制作和养护过程中，会不可避免的产生一些损伤。为了最大限度减少这些客观因素的影响，试件制作必须严格按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的要求开展。混凝土的拌制需要在室内进行，环境温度控制在15～25℃之间[7]。在拌制过程中，首先加入水泥和粉煤灰和聚丙烯纤维搅拌2min，然后加入粗骨料和细骨料，然后再搅拌2min，最后加入其他添加剂和水搅拌5min完成。在试件装模之前首先需要将模具内部擦拭干净，并均匀涂刷一层有机脱模剂。然后将模具放在振捣台的工作面上，并将拌制好的混凝土装入模具，然后在其表面放置压重块并振捣成型，在用灰刀将表面抹平。在试件成型之后在静置24h脱模，然后转入标准养护室养护至试验龄期[8]。

2.4 试验方法

此次试验研究利用干燥收缩值来表征混凝土的自收缩特征。在试验过程中每组取3个试件，利用比长仪对试件的干燥收缩进行测定。测定时首先对脱模之后的试件长度进行测量，将其作为试验的初始长度，然后分别测量3、7、14、28和56d龄期的试件长度，将所有3个试件长度的均值作为最终试验结果。根据试验数据计算获取不同龄期的干缩率。

3 试验结果分析

3.1 纤维掺量

对1%、2%、2.5% 3种不同的聚丙烯纤维掺量的试件进行干缩试验，根据试验中获取的数据，计算获得不同纤维含量、不同龄期的试件干燥收缩率，结果如图1所示。

图1 不同纤维掺量干缩率随龄期变化曲线

由图1可知，试件的干缩率随着龄期迅速增大之后趋于稳定；掺加聚丙烯纤维的混凝土干缩率较对照组明显降低，说明掺加纤维对降低UHPC混凝土的干缩率有明显的效果。从不同掺加量的结果对比来看，纤维掺量对降低UHPC混凝土的干缩率的效果存在明显影响。从56d试验数据来看，当纤维掺量分别为1%、2%、2.5%时，其干缩率分别为644、490、485 μm/m，与对照组的723 μm/m相比分别减小了10.9%、32.2%和32.9%。由此可见，当纤维掺量较小时，增加纤维掺量可以明显提升其降低干缩率的效果，当纤维掺量较大时，再增加纤维掺量其作用效果并不明显。因此，从控制干缩率的效果来看，聚丙烯纤维的掺量应该以2%为宜。

3.2 减缩剂掺量

对2%、2.5%、3% 3种不同的减缩剂纤维掺量的试件进行干缩试验，根据试验中获取的数据，计算获得不同减缩剂掺量、不同龄期的试件干燥收缩率，结果如图2所示。

由图2可知，与掺加纤维类似，试件的干缩率随着龄期迅速增大之后趋于稳定；掺加减缩剂的混凝土干缩率较对照组明显降低，说明减缩剂对降低UHPC混凝土的干缩率有明显的效果。从不同掺加量的结果对比来看，减缩剂的掺量

图2 不同减缩剂掺量干缩率随龄期变化曲线

对降低UHPC混凝土的干缩率效果也存在明显影响。从56d龄期的试验数据来看，当纤维掺量分别为2%、2.5%、3%时，其干缩率分别为305、223、219μm/m，与对照组的723μm/m相比分别减小了57.8%、69.2%和69.7%。由此可见，适当增加减缩剂掺量可以获得更好的干缩率控制效果，大幅增加减缩剂掺量的效果较为有限。基于此，减缩剂的最佳掺量应该在2.5%左右。

3.3 膨胀剂掺量

对6%、8%、10% 3种不同的膨胀剂掺量的试件进行干缩试验，根据试验中获取的数据，计算获得不同膨胀剂掺量、不同龄期的试件干燥收缩率，结果如图3所示。

图3 不同膨胀剂掺量干缩率随龄期变化曲线

由图3可知，在不同膨胀剂掺量条件下，试件的干缩率先迅速减小，后迅速增加并逐渐趋于稳定。掺加膨胀剂的混凝土干缩率较对照组明显降低，说明膨胀剂对降低UHPC混凝土的干缩率有明显的效果。当膨胀剂掺量为6%时，其干缩率分别为25μm/m，与对照组相比减小了96.5%，而膨胀剂掺量为8%和10%时混凝土表现为膨胀，特别是膨胀剂的掺量在10%的情况下，56d龄期混凝土会产生217μm/m的膨胀。由此可见，掺入一定量的膨胀剂可以有效抵消混凝土的干缩变形。由此可见，在抑制混凝土干缩变形方面，膨胀剂的作用最大，其次是减缩剂，最后是聚丙烯纤维。当然，膨胀剂会使UHPC产生膨胀，可能对其结构产生影响，因此其最佳掺量还需要进行进一步研究。

4 结论

此次研究通过室内试验的方式，探讨了纤维、减缩剂和膨胀剂对土石坝面板UHPC混凝土干缩性的影响，获得的主要结论如下。

(1)掺加纤维和减缩剂对降低UHPC混凝土的干缩率有明显的效果，最佳掺量分别为2%和2.5%。

(2)掺加膨胀剂对降低UHPC混凝土的干缩率的效果最明显，当掺量大于8%是可以使混凝土产生一定的膨胀。

(3)膨胀剂会使UHPC产生膨胀，可能对其结构产生影响，因此其最佳掺量还需要进行进一步研究。