嚴(yán)寒地區(qū)水利工程抗裂混凝土配合比試驗(yàn)研究

潘義為，林建宏

（1.水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，北京 100038；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130061）

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，我國(guó)水利工程建設(shè)規(guī)模也在逐漸地?cái)U(kuò)大，水利工程作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，保證其工程質(zhì)量無疑是重中之重。但從20世紀(jì)初，混凝土壩建造初期開始，混凝土的裂縫問題始終是一大難題，混凝土自身收縮是引起開裂的主要因素之一，尤其對(duì)于處在嚴(yán)寒地區(qū)的水利工程來說，極端溫差較大，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)為了滿足其抗凍耐久性要求，勢(shì)必會(huì)增加單方混凝土水泥的用量，這就會(huì)導(dǎo)致水泥在水化過程中產(chǎn)生更多的熱量，在溫度降低后混凝土的干縮程度增大，從而為裂縫的產(chǎn)生留下隱患。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過在混凝土中摻入膨脹劑、高效引氣減水劑及粉煤灰等，可以合理降低單方混凝土水泥用量，提高混凝土極限拉伸值，減小水化溫升，降低干縮，進(jìn)而提出滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土配合比，是提高混凝土抗裂性的有效措施，這對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)水利工程建設(shè)具有相當(dāng)重要的意義。

1 原材料選擇

在此次配合比試驗(yàn)中，水泥選用由遼寧省交通水泥有限公司生產(chǎn)的堅(jiān)霸牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》[1]技術(shù)要求；粉煤灰選用由吉林化工集團(tuán)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果符合DL/T 5055-2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》[2]技術(shù)要求；細(xì)骨料選用天然砂，粗骨料選用粒徑分別為5~20 mm和20~40 mm的碎石，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果符合DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》[3]技術(shù)要求；膨脹劑選用由長(zhǎng)春大華建材化工有限公司生產(chǎn)的UEA型混凝土膨脹劑，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果符合GB/T 23439-2017《混凝土膨脹劑》[4]技術(shù)要求；外加劑選用由長(zhǎng)春東勘新型建筑材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SKY高效引氣減水劑，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果符合DL/T 5100-2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》[5]技術(shù)要求。

2 配合比設(shè)計(jì)

通常情況下，抗裂混凝土在滿足設(shè)計(jì)要求之后，應(yīng)盡可能地降低混凝土膠骨比及水泥用量，使得澆筑的混凝土具有較低的水膠比、較高的密實(shí)度、較好的工作性能等特點(diǎn)，盡量減少因水泥用量所產(chǎn)生的水化熱及混凝土內(nèi)部溫升等因素引發(fā)的裂縫。在設(shè)計(jì)配合比時(shí)，需要考慮到水膠比、砂率、骨料級(jí)配、粉煤灰摻量等混凝土性能影響因素。此次配合比試驗(yàn)為設(shè)計(jì)要求C25F300二級(jí)配抗裂混凝土的研究。

混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)DL/T 5144-2015[3]和DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[6]進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度保證率取95%，施工配制強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：fcu,0——混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu,k——混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，MPa；σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

其中，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差按規(guī)范要求取4.0，通過計(jì)算得出C25混凝土的配制強(qiáng)度為31.6 MPa。

對(duì)混凝土配合比參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，最終設(shè)計(jì)出不同混凝土配合比共3組，詳見表1。其中，外加劑摻量均為0.5%，膨脹劑摻量均為8%，粉煤灰摻量均為25%，砂率略有變化，分別為34%，35%和36%。

表1 抗裂混凝土設(shè)計(jì)配合比

3 混凝土性能測(cè)試及結(jié)果分析

按照規(guī)程規(guī)范要求，對(duì)3組不同配合比的混凝土試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，分別對(duì)其抗壓性能、抗拉性能、抗凍性能、收縮性能進(jìn)行測(cè)試，并分析配合比不同對(duì)混凝土性能的影響。

3.1 抗壓性能測(cè)試

混凝土抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)混凝土性能的基礎(chǔ)，同時(shí)也是評(píng)價(jià)混凝土性能的重要參考因素。在此次試驗(yàn)研究中，重點(diǎn)比較了不同水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度的變化，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果MPa

可以發(fā)現(xiàn)，各配合比混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)均達(dá)到C25以上，滿足設(shè)計(jì)要求，并且KL1，KL2，KL3混凝土抗壓強(qiáng)度在逐漸減小。這是因?yàn)樗z比越大，水泥水化后在混凝土中剩余的水分就越多，這些水分會(huì)形成水泡或者蒸發(fā)后形成氣孔，使得混凝土抵抗荷載的實(shí)際有效截面減小，在荷載作用下容易在孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

3.2 極限拉伸性能測(cè)試

混凝土極限拉伸值即混凝土經(jīng)軸心抗拉而斷裂前的最大伸長(zhǎng)值。若混凝土的極限拉伸值小于其拉伸變形，那么就會(huì)產(chǎn)生裂縫，在相同條件下，混凝土的極限拉伸值越高，說明其抗裂性越好。在此次試驗(yàn)研究中，重點(diǎn)比較了不同水膠比混凝土極限拉伸值的變化，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同配合比混凝土極限拉伸值測(cè)試結(jié)果 ×10-4

可以發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的增大，混凝土極限拉伸值在不斷減小，這是因?yàn)樗z比的增大使得水泥石性能下降，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度降低，斷裂時(shí)的極限拉伸值減小。

3.3 干縮性能測(cè)試

誘導(dǎo)混凝土開裂的原因有很多，干縮就是原因之一。在干燥條件下，混凝土內(nèi)部空隙水分蒸發(fā)后會(huì)引起毛細(xì)管引力，膠體孔隙受到壓縮，使得膠體的體積不斷縮小，誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。在混凝土中摻入適量的膨脹劑，可以有效降低混凝土的開裂幾率。各配合比混凝土干縮性能測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 不同配合比混凝土干縮值測(cè)試結(jié)果 ×10-4

各組配合比混凝土干縮值變化如圖1所示，從圖1中可以看出，隨著水膠比的增大，混凝土干縮值在不斷減小。這是因?yàn)樗z比增大，膠凝材料相應(yīng)減少，水化程度降低，導(dǎo)致混凝土干縮值減小。

圖1 干縮值與水膠比的關(guān)系圖

3.4 抗凍性能測(cè)試

嚴(yán)寒地區(qū)混凝土對(duì)抗凍性能的要求較高，而抗裂混凝土由于其高致密性具有良好的抗凍性能，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，各配合比混凝土抗凍等級(jí)均達(dá)到F300以上，滿足設(shè)計(jì)要求，抗凍性能測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 不同配合比混凝土抗凍性能測(cè)試結(jié)果%

可以發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的增大，混凝土質(zhì)量損失率也在不斷增大，而相對(duì)動(dòng)彈性模量在不斷減小。這是因?yàn)樵诠橇霞?jí)配相同的情況下，水膠比小的混凝土具有更好的致密性，其抗凍性能更加優(yōu)良。

3.5 混凝土水化溫升測(cè)試

混凝土水化產(chǎn)生的大量熱量使其體積發(fā)生膨脹，但由于混凝土自身導(dǎo)熱性較差，熱量散失過程中內(nèi)外的降溫速度不同，導(dǎo)致收縮程度不同，這就為混凝土裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

不同配合比混凝土水化溫升值可以通過下式計(jì)算求得：

式中：W——混凝土中活性膠材用量，kg；Q——活性膠材水化熱，kJ/kg；C——混凝土比熱容，此處取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ——混凝土容重，kg/m3。

膠凝材料水化熱按經(jīng)驗(yàn)取值，通過計(jì)算得到不同配合比混凝土水化溫升結(jié)果，詳見表6。可以發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的增大，水化溫升在不斷減小。

表6 不同配合比混凝土水化溫升 ℃

4 抗裂混凝土推薦配合比選擇

在選擇推薦配合比時(shí)，首先，選出混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能均滿足設(shè)計(jì)要求的配合比；然后，計(jì)算由混凝土水化溫升、混凝土極限拉伸及混凝土干縮導(dǎo)致的混凝土線性膨脹之和，計(jì)算公式如式（3），結(jié)果見表7；最后，選出線性膨脹之和最小的配合比。

表7 不同配合比混凝土的形變值及計(jì)算結(jié)果 ×10-4

式中：L——單位線性變化值；εT——混凝土溫縮變形值；εj——混凝土極限拉伸值；εg——混凝土干縮值。

式中：T——混凝土水化溫升，℃；α——混凝土線膨脹系數(shù)，此處取6.5×10-6/℃。

根據(jù)表7中結(jié)果，綜合考慮以上的各個(gè)影響因素后，最終選擇KL2作為抗裂混凝土推薦配合比。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)配合比試驗(yàn)所用原材料進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合相應(yīng)規(guī)程規(guī)范技術(shù)要求；通過對(duì)不同配合比混凝土性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明配合比編號(hào)KL1~KL3混凝土的抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值、干縮值、抗凍性能及水化溫升均逐漸下降；配合比編號(hào)KL1~KL3混凝土的線性膨脹之和越來越小，經(jīng)綜合考慮，最終選擇KL2作為抗裂混凝土推薦配合比。此次配合比試驗(yàn)研究從根本上有效提升了混凝土的抗裂性能，實(shí)際工程中混凝土開裂現(xiàn)象得以緩解，為減少嚴(yán)寒惡劣地區(qū)水工混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展提供了參考。