基于抗裂性能的水工混凝土配合比研究

许明纲

(本溪隆泽建设工程有限公司，辽宁 本溪 117000)

1 试验方案

1.1 原材料

水泥采用海螺牌P·O 42.5级普硅水泥，比表面积338 m3/kg，烧失量2.08%，碱含量0.50%，密度3.16 g/cm3，其力学性能指标如表1。

表1 水泥的主要性能指标

粉煤灰采用铁岭某电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，经检测粉煤灰需水量比98.0%，比表面积450 m2/kg，细度21.6%，烧失量3.1%，28 d活性指数78%。

骨料采用大连丰鑫沙石厂提供的天然砂和花岗岩碎石，砂表观密度2600 kg/m3，细度模数2.71；碎石为粒径5～20 mm和20～40 mm两种级配，经检测砂石骨料的主要性能指标均满足《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)要求。

膨胀剂采用市场上购买的S-AC膨胀剂，经检测其主要性能指标满足《混凝土膨胀剂》(GB/T 23439—2017)相关要求。

外加剂采用青岛虹夏高分子材料有限公司生产的HSN高效引气减水剂，黄褐色粉剂，结合3%～5%含气量要求其推荐掺量0.5%～1.5%，减水率达到13.0%～20.0%，可适用于防渗防腐、抗冻融、水利工程、码头、港口等有一定含气量要求的混凝土。

1.2 试验配合比

一般地，在满足设计要求的情况下应尽量减小水泥用量和胶骨比，保证混凝土具有良好的工作性能、较高的密实度和较小的水胶比，最大限度地降低因内部温升及水化放热等因素所产生的裂缝问题[1]。在配合比设计时要考虑粉煤灰掺量、骨料级配、砂率以及水胶比等因素的影响，以二级配C25F300抗裂混凝土为目标合理设计配合比。

经计算，可以确定二级配C25F300抗裂混凝土的配制强度31.6 MPa。

通过多次试配调整和优化选择各参数确定最终配合比如表2，其中高效引气减水剂掺量0.6%，膨胀剂和粉煤灰掺量8.0%、22.0%，砂率分别为36.0%、37.0%和38.0%。

表2 试验配合比

根据《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)进行不同配合比混凝土抗收缩、抗冻、抗拉和抗压性能的测试，通过试验数据分析探讨混凝土性能受粉煤灰、膨胀剂和高效引气减水剂的影响。

2 结果与分析

2.1 抗压强度试验

抗压强度是反映混凝土性能的主要参数，试验测定不同配合比水工混凝土7 d、28 d龄期抗压强度如表3。

表3 抗压强度试验数据 MPa

由表3可知，P1、P2、P3组试件28 d抗压强度均满足C25设计等级要求，随着水胶比的增大相应的抗压强度呈减小趋势，究其原因是水胶比越大则未参与水化的水分越多，这些水分分布混凝土内部，形成水泡或蒸发气孔导致其抗荷载作用面积减小，孔隙周围因荷载作用出现应力集中的情况，从而降低整体抗压强度[2]。

2.2 干缩性能试验

水工混凝土开裂的影响因素较多，干缩是导致其开裂的重要因素之一。干燥条件下内部孔隙水分逐渐蒸发，由此形成的毛细管引力会压缩基体孔隙，导致体积逐渐缩小并形成裂缝。将适量膨胀剂掺入水工混凝土中能够有效降低开裂风险，试验测定0 d、3 d、7 d、14 d和28 d龄期不同配合比混凝土的干缩值(其中干缩值大小是指绝对值，绝对值越大，干缩值越大，干缩值为负代表收缩，干缩值为正代表膨胀，在计算时用负值表示)如表4。

由表4可知，混凝土干缩值随水胶比的增加逐渐下降，这是由于增大水胶比相当于减少胶材用量，从而降低了试件的水化程度和干缩值。表中水胶比为0.36小时(P1)，其干缩值较大，也就是收缩越大，水胶比为0.48大时(P3)，其干缩值的绝对值小，表示收缩越小。

2.3 极限拉伸试验

轴心抗拉条件下混凝土在断裂前的最大伸长值即为极限拉伸值，若拉伸变形大于其极限拉伸值就会形成裂缝。保持其他条件不变时，极限拉伸值越大则混凝土的抗裂性能越优[3]，试验测定不同配合比水工混凝土的极限拉伸值如表5。

由表5可知，水工混凝土极限拉伸值随水胶比的增加逐渐降低，究其原因是提高水胶比会减小基体材料密实性和抗拉强度，受拉断裂时相应的最大伸长值也会降低。

2.4 抗冻性能试验

对于水工混凝土抗冻性能我国北方严寒地区的要求更高，而良好的抗冻性能与混凝土的高致密性密切相关[4-5]，试验测定不同水胶比水工混凝土抗冻性能如表6。

表6 抗冻性能试验数据

由表6可知，各组试件均达到F300以上设计抗冻要求，水胶比越大相应的质量损失率越高，相对动弹模量逐渐减小，究其原因是相同骨料级配条件下，水胶比越小则致密性越好，混凝土的抗冻性能也就越优。

2.5 水化温升试验

水化放热会导致试件体积出现膨胀，因自身导热性能较差使得热量散失不均匀，内外部降温速率差异很容易引起不同程度的收缩，这为裂缝的形成提供了条件[6-7]。一般采用式(1)计算不同水胶比混凝土的水化温升值T。

T=WQ/Cρ

(1)

式中：W为胶材的用量，kg；Q为胶材的水化热，kJ/kg；C为混凝土的比热容，取0.96 kJ/(kg· ℃)；ρ为混凝土的容重，kg/m3。

根据实践经验确定胶材水化热，试验测定不同水胶比试件的水化温升值如表7。由表7可知，水工混凝土水化温升随水胶比的增加逐渐下降。

2.6 最优配合比

在确定最优配合比时，应先保证能够满足抗冻性能和抗压强度设计要求，然后考虑混凝土干缩、极限拉伸和水化温升引起的线性膨胀之和L，通过计算选出L值最小配合比为最优，如式(2)：

(2)

式中：L为混凝土线性膨胀值；εT、εj、εg为温缩变形值、极限拉伸值和干缩值；T为水化温升；α为线膨胀系数，取6.5×10-6/℃。经计算不同配合比试件的单位线性变化值如表8。

表8 变形性能试验数据

由表8可知，综合考虑温度变形值、28 d极限拉伸值以及28 d干缩值等因素影响，最终确定P3组为水工混凝土抗裂性能最优配合比。

3 结 论

通过试验测定水泥、粉煤灰、砂石骨料、膨胀剂和高效引气减水剂等材料性能，结果发现其性能均符合水工混凝土相关要求，并选用以上材料配制混凝土测定其性能。结果表明，随水胶比的增加水工混凝土的水化温升、抗冻性、干缩值、极限拉伸值以及抗压强度均表现出下降趋势；水胶比越大试件的单位线性变化值越小，考虑温度变形值、28 d极限拉伸值以及干缩值等因素影响，最终确定P3组为抗裂性能最优配合比。该配合比能够明显增强整体抗裂性，有效降低水工结构的开裂风险，为东北严寒地区港口建筑物、水利水电工程等裂缝控制提供参考依据。