防裂抗渗复合材料在高蒸发地区水利工程的应用

杨 林，徐 然，陈学理，杨炳勇

(1.江河安澜工程咨询有限公司，河南 郑州 450000；2.江苏商贸职业学院，江苏 南通 226500；3.不二新材料科技有限公司，江苏 南通 226500)

混凝土的收缩开裂，主要是由胶材浆体的收缩开裂造成的。收缩包括塑性收缩、干缩、自收缩、温收缩和碳化收缩等[1-3]。温度裂缝的主要原因是混凝土内外部较大的温差造成的[4]。大体积混凝土在施工过程中很容易出现由于温差和收缩引起的变形，而这种变形常受到内部或外部约束，产生一定的应力，一旦超过混凝土本身的抗变形能力，会导致裂缝的出现，严重影响混凝土的质量[5]。这在我国西北高蒸发地区尤为严重。

混凝土的耐久性与抗裂能力紧密相关[6-10]。由于环境、变形和荷载的因素，结构在刚刚建设完成就易出现不同程度、不同形式的早期裂缝[8]。裂缝的存在不仅影响建筑物外观，如果裂缝没有得到有效控制，在使用过程中，外界物质侵入混凝土内部后，将与结构内部的混凝土和钢筋直接发生物理化学反应，大大降低结构的耐久性[11]。

何家沟水库位于宁夏固原市原州区黄铎堡镇何家沟村，是固原市黄河水调蓄工程的调节水库，是实现和保障整个工程供水的核心。何家沟水库控制流域面积10.9km2，最大坝高58m，主坝坝顶轴线长495m，该水库设计为碾压式均质土坝。设计总库容997万m3，校核洪水总量71万m3，为小型水库。主要由主坝及入库、出库输水建筑物组成。采用混凝土面板作为坝体主要防渗措施。工程地处西北高蒸发地区，面板混凝土抗裂控制难度很大。

防裂抗渗复合材料是高功能粉体与改性合成纤维为主要原料复合而成的一种新型防裂抗渗复合材料[12-13]。其通过优质合成纤维的“桥接效应”，有效降低早期塑性开裂，提高整体体积稳定性；高功能粉体材料能有效降低混凝土的水化温升，降低温度峰值8～10℃，延缓峰值出现时间10～12h，从而减少因温度应力而产生的裂缝。

1 原材料、配合比与试验方法

水泥为42.5强度等级的普通硅酸盐水泥，粉煤灰为F类I级粉煤灰。天然砂，5～20mm和20～40mm人工灰岩碎石，拌合用水为郑州地区的自来水。混凝土配合比见表1。为了考察防裂抗渗复合材料与其他同类材料相比性能优劣，选择某憎水性混凝土防水抗裂剂作为对比，推荐掺量20kg/m3。主要进行了混凝土的工作性能、凝结时间、劈拉强度、抗压强度、干缩、抗冻、抗裂、绝热温升、抗冲磨以及自生体积变形试验，并进行了水泥水化热和微观孔结构分析研究。试配过程中发现，掺入防裂抗渗复合材料后混凝土的和易性状态良好。

表1 混凝土配合比参数表

采用表1的配合比，进行混凝土的拌合、成型和性能测试。主要进行了混凝土的工作性、抗冻性能、干缩、早期抗裂性能、自生体积变形试验，试验依据SL/T 352-2020《水工混凝土试验规程》[14]进行。采用TAM AIR热活性微量热仪测试粉体及其水泥混合物的水化热。采用AutoPoreIV9500 Micrometrics Instrument压汞测试仪，对混凝土浆体内部距离表面5～10mm深度处的浆体颗粒进行压汞试验。

2 试验结果与讨论

2.1 基本性能研究

混凝土基本性能试验结果见表2。可见，与空白组相比，掺加防裂抗渗复合材料混凝土的强度有所降低，其中3d强度降低最明显，混凝土28d强度有轻微降低；混凝土的抗渗等级均满足W12抗渗要求，混凝土的初凝和终凝时间显著增加，说明防裂抗渗复合材料具有比较明显的抑温作用；混凝土均无泌水；混凝土的30min坍落度损失变化不明显。整体看，防裂抗渗复合材料能延长凝结时间，有利于保持施工性能，可根据工程要求调整抑温组分，避免凝结时间过长。

表2 混凝土的基本性能试验结果

2.2 抗冻性能研究

混凝土抗冻性能试验结果如图1-2所示。可见，水胶比为0.48时，空白组抗冻融循环次数不到100次，采用防裂抗渗复合材料时，抗冻融循环次数可达到200次。掺加某憎水性混凝土防水抗裂剂的混凝土抗冻融循环次数也可达到200次。不过掺加防裂抗渗复合材料的混凝土质量损失明显降低，这与掺防裂抗渗复合材料后使混凝土的密实性提高和纤维的阻裂效果有关，对提高抗冻有利。

图1 冻融循环下的混凝土动弹性模量

图2 冻融循环下的混凝土质量损失率

2.3 干缩性能研究

混凝土干缩性能试验结果如图3所示。可见，与基准组相比，Dw-n和Dw-nX的混凝土3、7、14、28d的干缩率分别降低60.2%、25.0%、34.3%、27.8%和54.5%、35.7%、28.8%、30.8%，防裂抗渗复合材料可在一定程度上降低混凝土的干缩，这对混凝土的长期防裂有利。同时与某同类产品相比，掺防裂抗渗复合材料混凝土的干缩更小。

图3 不同龄期混凝土干缩率

2.4 早期抗裂性能研究

混凝土早期抗裂性能试验结果如图4所示。可见，与空白组相比，采用防裂抗渗复合材料的混凝土28d时每条裂缝平均开裂面积有所降低，单位面积裂缝数目分别降低70%、80%，单位面积上总开裂面积分别降低75%、84%，下降十分明显。进一步，将防裂抗渗复合材料与某憎水性混凝土防水抗裂剂的混凝土进行对比可见，某憎水性混凝土防水抗裂剂也有一定的降低塑性开裂的效果，但效果不如防裂抗渗复合材料显著。与干缩性能相比，防裂抗渗复合材料对早期抗裂性能改善更为显著，说明防裂抗渗复合材料对抑制混凝土的塑性收缩裂缝更有利。

图4 平板法混凝土抗裂性能

2.5 自生体积变形研究

混凝土自生体积变形试验结果如图5所示。可见，4个编号的混凝土的自生体积变形均为收缩型。与空白组相比，防裂抗渗复合材料组混凝土的自生体积收缩明显降低，有利于提高混凝土的抗裂性能[15]。

图5 不同掺加剂混凝土自生体积变形

2.6 水泥水化热研究

为分析防裂抗渗复合材料对水泥水化热的影响，开展了水泥水化热试验。如图6所示为纯水泥样品、掺合0.7%防裂抗渗复合材料粉体的水泥水化热结果。

图6 胶凝材料水化热结果：(a)热流量；(b)水化热

图6(a)可以看出加入裂抗渗复合材料可以有效的延后水泥到达水化热放热峰值的时间，同时减少水化放热峰值的热流量极值。加入粉体的水泥样品中，水泥的放热曲线较基准样品更为平缓，且未见明显的放热峰值，在水化反应进行84h时最高热流量为0.31mW/g，仅为基准样品放热峰值的15%。

图6(b)展示了掺合不同粉体的水泥水化放热与时间的关系图。由图6(b)可以看出，在试验时间内，掺合#1粉体的水泥样品水化热仍处于上升阶段，其水化发热量为63.5J，较基准样品下降约61%。由此可见，在胶凝材料中加入裂抗渗复合材料可以有效的降低水泥的水化放热峰值，减少早期混凝土温升，因而降低混凝土因温度变化而发生开裂的风险[16]。同时，这也解释了防裂抗裂复合材料能显著延长混凝土凝结时间的原因。

2.7 孔结构

为分析防裂抗渗复合材料对水泥浆体微孔结构的影响，开展了压汞试验。如图7所示为基准组、掺合防裂抗渗复合材料混凝土组的孔结构试验结果。可见，与基准组相比，掺防裂抗渗复合材料组混凝土浆体的最可几孔径基本不变，说明掺防裂抗渗复合材料不会对混凝土内部的微孔结构产生不利影响。

图7 孔结构试验结果

3 工程应用

宁夏何家沟调蓄水库工程位于宁夏固原市，地处西北高蒸发地区，混凝土面板开裂风险很大。为减少混凝土面板开裂，确保工程质量，经多方对比论证分析，决定在坝坡现浇板混凝土中掺加防裂抗渗复合材料作为抗裂措施。

现场实际施工发现，该材料的和易性良好，混凝土拆模后表面平整光洁。在使用防裂抗渗复合型材料后浇筑的混凝土有明显的改观，28d内没有裂缝产生。经过两年的观测，仅有少量微裂缝产生，没有宏观裂缝，混凝土裂缝降低率超过90%。强度与普通混凝土强度没有明显差异，混凝土颜色更加接近清水混凝土，如图8所示。这说明防裂抗渗复合材料用于高蒸发地区面板工程上是合适的。

图8 何家沟水库工程应用效果对比

4 结论

采用防裂抗渗复合材料为一种粉体与纤维的复合抗裂材料提高某一位于高蒸发地区的水工溢洪道混凝土的抗裂性能。通过室内混凝土性能试验，对混凝土的工作性能、力学性能和抗裂性能等进行了系统研究，在室内研究的基础上，开展工程应用试验研究。结论如下。

(1)室内试验结果表明，与空白组相比，掺防裂抗渗复合材料混凝土的凝结时间明显延长，粉体对水泥水化热有明显的延缓和抑制作用。

(2)与空白组相比，采用防裂抗渗复合材料的混凝土28d时每条裂缝平均开裂面积有所降低，单位面积裂缝数目分别降低70%、80%，单位面积上总开裂面积分别降低75%、84%，下降十分明显。与空白组相比，防裂抗渗复合材料组混凝土的自生体积收缩和干缩均明显降低，有利于提高混凝土的抗裂性能。

(3)空白组抗冻融循环次数不到100次，采用防裂抗渗复合材料时，抗冻融循环次数可达到200次。与某憎水性混凝土防水抗裂剂相比，掺加防裂抗渗复合材料的混凝土质量损失率更低。

(4)掺防裂抗渗复合材料的面板实体混凝土开裂降低了90%，外观效果良好，工程应用效果明显。