寒区面板混凝土早期裂缝抑制措施研究

2014-02-25黄如卉李艳萍雷秀玲李中田

东北水利水电 2014年12期

黄如卉，李艳萍，雷秀玲，李中田

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061）

1 概述

混凝土面板堆石坝以其就地取材、施工方便、工期短、造价低、安全性好正在被国内外坝工界普遍重视，而成为当今筑坝技术的一大趋势。但是,由于面板堆石坝的趾板是座落于基岩上的混凝土薄板结构，混凝土面板也是浇筑在垫层斜坡的薄板，厚度小而不均匀，施工期裸露，对环境温度和湿度的变化影响较敏感，特别是基岩凹凸约束作用、气温骤变和混凝土干缩将使趾板及面板较薄部位产生较大的拉应变，容易产生裂缝而影响混凝土的防渗效果。因此，对于以挡水为主要目的的水工混凝土面板及趾板防裂就显得尤为重要。

下面根据混凝土裂缝产生的机理，结合蒲石河抽水蓄能电站面板混凝土配合比试验，从原材料优选和混凝土配合比设计方面开展研究工作，通过混凝土大板裂缝试验，论证混凝土原材料对混凝土抗裂性能的影响。

2 面板混凝土抗裂性能试验研究

2.1 性能指标要求

蒲石河抽水蓄能电站地处东北寒冷地区，上库挡水建筑物为面板堆石坝，极端最高气温35.0 ℃，极端最低气温-38.5 ℃，极端温差近73 ℃。混凝土面板设计指标为二级配C30F300W8 混凝土。

2.2 原材料

1）水泥：采用抚顺水泥有限责任公司生产的浑河牌P·MH42.5 级中热硅酸盐水泥，该水泥各项指标满足国标GB200-2003 要求。

2）粉煤灰：选用辽宁省抚顺市能港实业有限公司生产的Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰。检验结果满足DL/T5055-2007 要求。

3）骨料：细骨料为天然河砂、粗骨料为天然卵石。河砂细度模数为2.80，属中砂，颗粒级配良好。天然砂及粗骨料品质符合DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》的规定。

4）膨胀剂：选用北京新中州建筑材料有限责任公司生产的HEA-1 型膨胀剂。

5）聚丙烯纤维：采用深圳市维特耐工程材料有限公司生产的维克抗裂抗渗聚丙烯纤维（纤维长度19 mm、掺量0.6 kg/m3），以综合评价膨胀剂与聚丙烯纤维在混凝土中复合应用的可行性。

2.3 混凝土配合比设计

通过混凝土配合比参数设计和试拌试验，确定了满足面板混凝土技术要求的基准配合比。水胶比为0.31，0.35，粉煤灰掺量为25%，砂率为35%，小石∶中石的比例为40∶60，用水量为109 kg/m3。采用与水泥适应性良好的上海陶正产SR3 聚羧酸高效减水剂、河北省混凝土外加剂厂生产的DH9 高效引气剂。

3 混凝土早期抗裂性能

当混凝土处于半流态或塑性阶段，由于沉降运动、毛细管压力、早期化学收缩以及自收缩等引起的塑性收缩受到约束，且约束应力超过混凝土抗拉应力时便产生了宏观塑性裂缝。混凝土的收缩主要产生在初期，前14 d 的收缩超过前90 d 的50%，所以控制混凝土初期收缩是控制裂缝的关键。

通过混凝土大板干缩试验来研究混凝土早期抗裂性能，比较膨胀剂、聚丙烯纤维、粉煤灰掺合料在一定条件下对混凝土早期收缩裂缝的抑制效果。此次研究的混凝土配合比列于表1。

表1 此次研究混凝土配合比

3.1 试验方法

混凝土大板试件为600 mm×600 mm×63 mm 的平面薄板。试模边框内设φ6 mm 直径，间距60 mm 的双排栓钉，栓钉长度分别为50 mm 和100 mm，间隔布置。混凝土成型2 h 时后，用电风扇吹试件表面，风速距试件中心点为5m/s，成型24 h 后，观察裂缝数量、宽度和长度，最终比较不同掺合料混凝土产生的裂缝情况。室内气温为21～30 ℃。试验按照《纤维混凝土结构技术规程》的有关方法进行。

3.2 试验结果

根据工程结构裂缝的基本概念，混凝土的裂缝分为微观裂缝与宏观裂缝两种，混凝土微观裂缝必须借助显微镜才可见。微观裂缝宽度范围一般以0.05 mm 为界：裂缝宽度不小于0.05 mm 的称为宏观裂缝；裂缝宽度小于0.05 mm 的，属无害裂缝，对防水、防腐蚀与承重的影响均可忽略不计。

此次试验的裂缝测试主要为宏观可见裂缝，裂缝条数划分以裂缝不连续为准，逐条编序进行测试。以折线长度之和代表裂缝长度，裂缝宽度是指该条裂缝宽度的最大值，使用读数显微镜读取裂缝宽度。试验结果见表2。

按下列公式计算裂缝总面积：

式中：Acr——试件裂缝名义总面积，mm2，对于纤维混凝土试件记作Afcr，对于对比用的基体试件记作Amcr；Wimax——第i 条裂缝名义最大裂缝宽度，取该裂缝中点附近裂缝宽度，mm；li——第i 条裂缝长度，mm。

计算裂缝降低系数η：

表2 混凝土早期抗裂性能试验结果

注：限裂等级评定标准：一级η≥0.7；二级0.55≤η＜0.7；三级0.40≤η＜0.55。

大板抗裂性能试验结果表明：编号为FH-0，FHW-0，FW-2 的3 块混凝土大板使用风扇吹过24 h 后搬到室外，再经过28～60 d（室外温度7～30 ℃）风吹、日晒、雨淋，观察裂缝的变化情况发现：

1）编号为FHW-0（掺纤维+膨胀剂）的混凝土不但没有出现新的裂缝，而且早期产生的裂缝也基本全部闭合，仅存在1 条宽0.08 mm、长4.0 cm 的微小裂缝。

2）编号为FH-0 单掺膨胀剂的混凝土在钢筋部位增加少量的微裂隙，宽小于0.05 mm、长3.0～5.5 cm 的裂缝4条，宽0.05 mm、长2.5～6.0 cm 的裂缝4 条，宽0.11 mm、长5.0 cm 的裂缝1 条。

3）编号为FW-2(单掺纤维)的混凝土表面新增宽0.05 mm、长5.5～6.0 cm 的裂缝7 条，宽0.08 mm、长3.0～5.0 cm 的裂缝2 条，早期产生的裂缝无闭合现象。分析认为，新增裂缝同样因混凝土体积收缩变形超过混凝土极限拉伸值所致。因混凝土中未掺膨胀剂，不能产生有效的膨胀能，故早期产生的裂缝无闭合现象。

4）编号为FHW-2-1 的混凝土(膨胀剂+掺纤维) 裂缝总面积39.55 mm2，裂缝降低系数为0.92。此配合比为施工推荐配合比。