不同膨胀剂的堆石坝面板混凝土抗裂性能试验研究

邸会明

（绥中县水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125200）

因具有抗震性好、施工简便等优点，混凝土面板堆石坝被广泛应用于坝体工程，但面板坝建设始终面临着裂缝控制的难题[1]。从材料角度控制自浇筑到运行期堆石坝面板的开裂，最大程度地限制堆石坝面板混凝土开裂逐渐成为水利工程和混凝土材料领域关注的热点[2]。目前，从材料角度主要通过引入膨胀组分、利用纤维增韧、掺加矿物掺合料、优化配合比等措施补偿或抑制混凝土的收缩，从而达到裂缝控制的作用[3-5]。膨胀剂是一类能够持续增加水化产物固相体积的材料，如氧化镁、无水硫铝酸钙和石灰的理论膨胀剂可以达到118%、125%、120%，其产生的合理膨胀应力可以优化孔溶液成分、碱度，改善微结构密实度及其抗硫酸盐侵蚀、抗碳化等性能[5-6]。然而，膨胀剂性能的发挥受混凝土性能发展与膨胀历程协调性、活性、种类等诸多因素的影响，使用之前必须系统分析面板混凝土收缩开裂受不同膨胀组分的影响作用。鉴于此，本文以辽宁省关门山水库面板堆石坝为例，以除险加固工程C25 面板混凝土的配合比和原材料为基准，通过配合比优化和掺入膨胀剂，探讨不同膨胀剂对面板混凝土抗裂性能、干燥收缩、限制膨胀率和抗压强度的影响，以期为面板混凝土开裂风险控制及其配合比优化提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用北京金隅集团股份有限公司生产的P·O42.5 级水泥，沈阳鑫盛华诚商贸有限公司提供的F 类Ⅱ级粉煤灰，大连格润特建材有限公司生产的混凝土用氧化镁、Ⅰ型和Ⅱ型硫铝酸钙类3 种膨胀剂，细骨料选用大连丰鑫沙石厂提供的人工机制砂，细度模数3.0，石粉含量15.2%，堆积密度1580kg/m3，粗骨料为连续级配粒径5～15mm、16～30mm 的花岗岩碎石。聚丙烯纤维来源于山东亿泰工程材料有限公司，纤维的抗拉强度540.28MPa，直径24.75μm，外加剂选用西奥兴业PCA410 聚羧酸高效减水剂，拌和水用当地自来水。经检测，3 种膨胀剂符合《混凝土用氧化镁膨胀剂》及Ⅰ型、Ⅱ型硫铝酸钙类膨胀剂相关要求。

1.2 配合比设计

为达到设计指标条件下堆石坝面板混凝土膨胀剂掺量和施工方案最佳的要求，对比分析J-M(掺氧化镁膨胀剂)、S-Ⅰ(掺Ⅰ型膨胀剂)、S-Ⅱ(掺Ⅱ型膨胀剂)优化配合比和J-0 组基准配合比的混凝土性能。根据C25W10F100 的设计要求确定4 组配合比强度等级，控制坍落度40～80mm，采用机械拌和、振动成型、标准养护的方式制备混凝土试块，混凝土配合比如表1 所示。

表1 混合比设计

1.3 试验方法

1）依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土抗压强度试件的拌和、成型、养护及测试，配制的试件为150mm×150mm×150mm立方体，测定标养3d、7d、28d、56d 的抗压强度。

2）采用非接触式收缩变形测定仪和515mm×100mm×100mm 的棱柱体试件进行早期收缩试验，在恒湿恒温环境中进行测试，混凝土收缩率以3d 龄期测试值为基准。

3）采用尺寸100mm×600mm×800mm 含刀口诱导器的平板试模制作早期抗裂性试验试件，入模成型后放入恒湿恒温中养护。成型30min 后立即调节风扇的风速和位置使试件表面中心正上方100m 处风速为5±0.5m/s，采用200 倍放大镜读取24±0.5h 时(自加水搅拌起算)的表面裂缝宽度，计算确定单位面积上的开裂面积。

4）本试验选用515mm×100mm×100mm 的棱柱体进行干缩试验，成型前将铜制测试钉头预埋至试件端头，成型后室内静置24h 后拆模并立即放入标养室养护3d，标养室相对湿度不低于95%，温度20±20℃，然后放入恒湿恒温环境中测试初始长度，在该环境下养护1d、3d、7d、14d、28d 时用卧式收缩仪测试混凝土干燥收缩率。

5）根据《水工混凝土试验规程》进行混凝土限制膨胀率试件的拌和、成型、养护及测试，成型前将纵向限制器预埋至拌合物内，配制的试件为300mm×100mm×100mm 棱柱体，其成型拆模强度应达到3～5MPa，拆模后1h 内测试其初长，随后浸入恒温(20±20℃)水槽内养护，用限制膨胀率测量仪测定水养3d、7d、14d 时长度变化值，14d 时将试件移至恒湿恒温环境中(相对湿度60±5%、温度20±20℃)养护，测试28d、42d 的膨胀率用于对比分析。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度试验

水工混凝土3d、7d、28d、56d 抗压强度测试结果如图1，结果显示混凝土抗压强度均随着养护龄期的增加逐渐增大。掺膨胀剂混凝土各龄期强度相较于基准组都较高，3d、7d、28d 早期强度呈稳定增长变化趋势，28d 后增幅明显减小。具体而言，S-M 组的3d 强度相对于J-0 基准组提高10.7%，7d 强度与J-0 基准组相同，28d、56d 强度持续高于J-0 基准组；S-Ⅰ组的3d、7d、28d、56d 强度相对于J-0 基准组提高16.1%、17.2%、9.1%、23.2%，这说明Ⅰ型硫铝酸钙类膨胀剂的早期水化活性较高，并且后期呈持续发展态势；经对比分析，Ⅱ型硫铝酸钙类膨胀剂的早期和后期水化效率均较低。对于关门山水库面板堆石坝，考虑到混凝土设计强度较低为C25，故优先选用早期抗裂性能显著、活性良好且能够明显提升后期强度的Ⅱ型硫铝酸钙类膨胀剂。

图1 各龄期混凝土抗压强度变化

2.2 早期收缩与抗裂试验

掺不同膨胀剂水工混凝土早期抗裂性及收缩率测试结果如表2，结果表明水化硬化早期各组混凝土试件体积变化明显。具体而言，体积变化最大的是J-0 基准组混凝土，S-M 组的早期收缩率最小明显低于J-0 基准组、S-Ⅰ组和S-Ⅱ组；另外，S-Ⅰ组早期收缩率相较于J-0 基准组降低76.1%，其浆体仍保持收缩趋势，这与S-M 组有明显差异。结合早期抗裂试验数据，采用刀口法测定的J-0 基准组混凝土裂缝最多达到12 条，开裂面积均值也最大达到71mm2/m2，S-M 组、S-Ⅰ组、S-Ⅱ组的开裂面积均值和裂缝条数相较于J-0 基准组均明显下降，特别是S-Ⅰ组未发现裂缝开裂，该组混凝土抗裂性能最高。

表2 早期开裂面积及早期收缩率

综合考虑两因素，掺10%Ⅰ型膨硫铝酸钙类胀剂的收缩补偿性能最好，可以有效控制早期混凝土开裂风险，而掺10%氧化镁发挥的微膨胀作用说明其掺量过高，从而使混凝土收缩应力＜膨胀应力，对此仍需做进一步分析[7-8]。另外，鉴于当地水文气象条件与刀口法试验环境的差异，从工艺上选择最合理的养护方案、面板混凝土温控方法及控制强风或大温差也是减少裂缝开裂的有效措施。

2.3 混凝土干缩试验

水工混凝土1d、3d、7d、17d、28d 干缩率变化曲线如图2，结果表明J-0 基准组龄期1d 的干缩率为72.6×10-6，干缩率随养护龄期的延长逐渐增大，龄期28d 时达到385.1×10-6，增长率达到430.4%；掺膨胀剂的S-M 组、S-Ⅰ组、S-Ⅱ组干缩率明显降低，龄期1d、3d 时的干缩率约为基准组的50%，虽然3～7d 干缩率快速增长但仍明显低于J-0 基准组，7～28d 掺膨胀剂组混凝土干缩率平缓上升，增幅明显放缓。究其原因，膨胀剂的掺入可能与水泥浆早期(1d、3d)争水，从而降低了水化速度和早期干缩形变程度，而后期膨胀组分水化生成的Mg(OH)2、Ca(OH)2、钙矾石等促使混凝土自生体积变形，在一定程度上减少或补偿后期的温度收缩[9,10]。综上分析，混凝土中掺入适量的膨胀剂可以抑制其干缩体积变形。结合试验数据，S-M 组、S-Ⅰ组、S-Ⅱ组的28d 干缩率相较于J-0 基准组分别减少46.0%、53.6%、50.5%，掺Ⅰ型硫铝酸钙类膨胀剂的混凝土抗收缩性能最优。

图2 各龄期混凝土干燥收缩率变化

2.4 限制膨胀率试验

不同环境下各龄期水工混凝土限制膨胀率如图3 所示。结果表明，早期J-0 基准组混凝土出现微膨胀，龄期3d 的微膨胀效果优于S-M 组和S-Ⅱ组，随着龄期的延长其膨胀效果开始减弱，龄期达到42d 时发生0.012%的收缩。对于掺膨胀剂的试验组，3d 时S-Ⅰ组的混凝土微膨胀变形明显大于其它组，7d 时达到最高后微膨胀效果开始下降，42d 时混凝土发生收缩；另外，各龄期S-Ⅰ组的限制膨胀率略高于S-M 组和S-Ⅱ组。从最大数值上，S-Ⅱ组、S-Ⅰ组、S-M 组、J-0 组的限制膨胀率依次 为0.010%、0.016%、0.012%、0.006%，42d 时依次为-0.002%、-0.002%、-0.005%、-0.012%。综上分析，早期基准组混凝土微膨胀而后期明显干缩，28d 后逐渐出现干缩状态，其干缩量明显高于掺膨胀剂试验组；掺膨胀剂组与基准组混凝土相比具有较优的微膨胀效果，并且随着养护龄期的延长膨胀剂逐渐发挥补偿收缩作用。S-Ⅰ组混凝土的3d 早期膨胀效果优于同龄期S-M、S-Ⅱ组，限制膨胀率峰值最高，尤其是28d 龄期的收缩补偿作用明显优于其它组。

图3 各龄期混凝土限制膨胀率

3 结论

1）随着养护龄期的延长，掺10%Ⅰ型硫铝酸钙类膨胀剂的早期水化活性突出，且后期呈持续发展态势，其3d、7d、28d、56d 强度相对于基准组提高16.1%、17.2%、9.1%、23.2%。掺10% Ⅱ型硫铝酸钙类膨胀剂的早期效果明显，早期收缩补偿作用高于其它组，混凝土的开裂风险较低，并且后期具有突出的收缩补偿能力。

2）本试验以C25W10F100 标号混凝土为设计目标，一般情况下通过提高设计强度可以保证混凝土抗冻抗性性能。掺Ⅰ型硫铝酸钙类膨胀剂的28d抗压强度较高，说明掺入适量膨胀剂能够减少面板混凝土开裂风险，降低其自收缩变形，增强混凝土强度和密实度。因此，通过调整胶凝材料或水泥用量、掺入膨胀剂等优化配合比，既能有效降低面板混凝土开裂风向，还具有显著的经济效益。