水胶比和粉煤灰掺量对高性能混凝土塑性开裂的影响

翟　超，唐新军

(1.新疆水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)



水胶比和粉煤灰掺量对高性能混凝土塑性开裂的影响

翟超1，唐新军2

(1.新疆水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

摘要：高性能混凝土在面板堆石坝混凝土面板中应用日益广泛，选取适宜的水胶比和粉煤灰掺量是提高面板高性能混凝土抗裂性能的有效途径。通过早期抗裂试验，研究了水胶比和粉煤灰掺量对高性能混凝土塑性开裂的影响。结果表明：影响甘河子面板高性能混凝土单位面积总开裂面积的因素主次顺序为：水胶比(A)→粉煤灰掺量(B)；水胶比对单位面积总开裂面积有一定影响，粉煤灰掺量对单位面积总开裂面积影响不显著。选取水胶比为0.37，粉煤灰掺量为30%作为推荐配合比，早期抗裂等级为Ⅳ，抗裂等级较好。低水胶比不利于高性能混凝土抵抗塑性开裂，面板混凝土应通过早期抗裂试验完成配合比优选。

关键词：高性能混凝土；塑性开裂；早期抗裂试验；正交试验

混凝土面板堆石坝具有工程量小、施工便利、安全性能佳、工期短等优点，已成为许多工程首选的坝型[1-3]。对于混凝土面板堆石坝，影响工程质量及大坝安全的关键问题就是面板混凝土裂缝，如何防止和减少面板混凝土裂缝的产生，提高混凝土面板抗裂性，是混凝土面板堆石坝建设中的一个至关重要的问题[4]。目前已有的工程实践和研究表明，通过早期及时养护方式(混凝土收浆后在表面及时覆盖养护)，对防裂有很好的效果[5-7]，但是从混凝土配合比角度研究材料自身抗裂性能的数据较少。本文以甘河子水库面板高性能混凝土为研究对象，通过早期抗裂试验，研究水胶比和粉煤灰掺量对面板高性能混凝土塑性开裂的影响。

1　试验材料

(1)水泥：新疆青松水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，物理性能指标见表1，化学成分见表2。

(2)粉煤灰：新疆诚和伟业有限公司的Ⅱ级粉煤灰，技术性质见表3。

(4)外加剂：新疆格辉科技有限公司生产的萘系高效减水剂。

(5)骨料：粗骨料为新疆甘河子水库砂石料场的卵石，最大粒径31.5 mm，经水洗后含泥量为0.2%，细骨料为新疆甘河子水库砂石料场的砂，细度模数3.3，经水洗后含泥量为0.3%，试验用砂剔除>5 mm的颗粒。

(6)水：实验室自来水。

表1　青松42.5R普通硅酸盐水泥各项物理性能指标

表2　青松42.5R普通硅酸盐水泥化学成分及熟料矿物成分　单位：%

表3　粉煤灰技术指标

2　试验方法及配合比设计

根据对甘河子面板混凝土技术指标的分析，按照高性能混凝土的配置要求，选取三个水胶比，分别是0.40、0.37、0.34；选取三个粉煤灰的掺量为：20%、30%、40%，按正交设计方案(L9(34))进行混凝土配合比设计、试验。试拌调整(各组混凝土拌合物的坍落度、含气量指标应控制一致)后的各组配合比混凝土进行技术性能测定，其中早期抗裂试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[8](GB/T50082-2009)中规定的方法进行，并且按照《混凝土质量控制标准》[9](GB50164-2011)中对混凝土早期抗裂性能等级划分的规定(见表4)，评定混凝土早期抗裂性能的等级，对试验结果进行分析，优选出抗裂性能好的、各项技术性能指标(强度等级C25，抗冻等级F200，抗渗等级W12)均能满足工程技术要求的混凝土配合比作为推荐的设计配合比。9组配合比按混凝土早期抗裂试验方法浇筑成型，于24 h观测试件表面裂缝开展情况。甘河子水库面板高性能混凝土配合比见表5。

表4　混凝土早期抗裂性能等级划分

表5　甘河子面板高性能混凝土配合比

注：9组配合比混凝土抗渗等级全部达到W12，抗冻等级全部达到F200。

3　试验结果分析

3.1试验配合比极差分析

由表6、表7可以得出：单位面积总开裂面积按极差大小排列的因素主次顺序为：水胶比(A)→粉煤灰掺量(B)。为使单位面积总开裂达到最优值，各因素最佳水平是：水胶比为0.37，粉煤灰掺量为30%。

为了更加直观地研究水胶比、粉煤灰掺量对甘河子面板混凝土早期的抗裂性能的影响，依据表6的数据绘制单位面积总开裂面积与各因素不同水平的关系曲线图，见图1、图2。

表6　甘河子面板高性能混凝土早期抗裂试验结果

注：空列1和空列2为误差列，C1表示为空列1(误差列)的一个水平，只是一个字符，无特定表示。同理C2、C3、D1、D2、D3。

表7　甘河子面板总性能混凝土早期抗裂试验极差分析

注：K-水胶比，K1=0.34,K2=0.37,K3=0.40;X-粉煤灰掺量,X1=20%，X2=30%，X4=40%；C-空列1误差;D-空列2误差。

图1甘河子面板混凝土单位面积总开裂面积与水胶比三个水平关系曲线

图2甘河子面板混凝土单位面积总开裂面积与粉煤灰掺量三个水平关系曲线

由甘河子面板高性能混凝土早期抗裂试验单位面积总开裂面积与各因素不同水平的关系曲线图(图1、图2)可以看出：单位面积总开裂面积随着水胶比和粉煤灰掺量的增加均是先减小后增大。

由本次试验可知，低水灰比对混凝土抗裂性能是不利的。水灰比越低，胶凝材料用量越多，混凝土内部越密实，大量泌水通道被堵塞，混凝土内部水分无法通过泌水通道补给表层混凝土，加速表层混凝土塑性收缩。同时，混凝土早期水化加快，早期的强度、弹性模量迅速增长，混凝土没有足够的形变来抵消塑性收缩应力，局部硬化的混凝土起到约束的作用，当约束应力大于混凝土的抗拉强度时，易发生塑性开裂。

3.2试验配合比方差分析

依据数理统计中正交合计的方差分析法，对表6中的试验数据进行方差分析，计算出不同因素水平的偏差平方和、自由度、方差以及显著性检验指标F，将F与其临界值比较，确定各因素对混凝土早期抗裂性能影响的显著性大小，分析结果见表8。

表8　甘河子面板高性能混凝土早期抗裂试验结果方差分析

注：F2,4(0.05)=6.94，F2,4(0.01)=18.0，F2,4(0.10)=4.32。

由表7甘河子面板高性能混凝土早期抗裂试验结果方差分析可以看出：水胶比对单位面积总开裂面积有一定影响，粉煤灰掺量对单位面积总开裂面积影响不显著。

3.3推荐配合比

选取单位面积总开裂面积最小的因素水平组合作为面板高性能混凝土配合比，即选择水胶比为0.37，粉煤灰掺量为30%这一组合。此配合比的单位面积总开裂面积是136.50 mm2/m2，按混凝土早期抗裂性能等级划分，属于Ⅳ级，抗裂性能较好(见表9)。同时此配合比强度等级、抗渗等级、抗冻等级均达到设计要求。

表9　面板高性能混凝土推荐配合比

4　结　论

(1)甘河子面板高性能混凝土单位面积总开裂面积按极差大小排列的因素主次顺序为：水胶比(A)→粉煤灰掺量(B)。由方差分析可以看出：水胶比对单位面积总开裂面积有一定影响，粉煤灰掺量对单位面积总开裂面积影响不显著。

(2)甘河子面板高性能混凝土单位面积总开裂面积随着水胶比和粉煤灰掺量的增加均是先减小后增大。选取水胶比为0.37，粉煤灰掺量为30%这一组合(A2B2)时可以获得最小的单位面积总开裂面积，且作为推荐配合比。按混凝土早期抗裂性能等级划分，此配合比的单位面积总开裂面积是136.50 mm2/m2在100≤c<400这个范围，属于Ⅳ，抗裂等级较好。

(3)低水胶比不利于高性能混凝土抵抗塑性开裂。面板混凝土应通过早期抗裂试验完成配合比优选。

参考文献：

[1]蒋国澄，傅志安，凤家骥．混凝土面板坝工程[M]．武汉：湖北科学技术出版社，1997．

[2]麦家煊，孙立勋．西北口堆石坝面板裂缝成因的研究[J]．水利水电技术,1999，30(5)：32-34．

[3]郭诚谦．论混凝土面板堆石高坝的设计[J]．水利学报．1993，(6)：17-23．

[4]傅志安，凤家骥．混凝土面板堆石坝[M]．武汉：华中理工大学出版社，1993．

[5]翟超，唐新军，胡全，等．早期养护方式对高性能混凝土塑性开裂的影响[J]．水利与建筑工程学报，2013，11(6)：90-93．

[6]许建明．混凝土施工裂缝与控制[J]．水利与建筑工程学报，2008，6(4)：90-91．

[7]钱晓倩，詹树林，周富荣，等．早期养护时间对混凝土早期收缩的影响[J]．沈阳建筑大学学报：自然科学版，2007，23(4):610-614．

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB/T50082-2009．普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50164-2011．混凝土质量控制标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．

TheEffectsofWater-cementRatioandFlyAshContentonthePlasticCrackingofHighPerformanceConcrete

ZHAI Chao1,TANG Xin-jun2

(1.XinjiangGeneralStationofWaterConservationManagement,Urumqi,Xinjiang830000,China;2.CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Abstract：High performance concrete is widely applied in the concrete slabs of concrete face rock fill dams,selecting the suitable proportion of fly ash and water-cement ratio is a effective way to improve crack resistance of high performance concrete slabs.Through the early crack resistance test,the proportion of fly ash and water-cement ratio on the impact of high performance concrete plastic cracking were studied .Results indicate that the influencing factors that affects the total cracking area per unit area of high performance concrete slabs in Ganhezi reservoir dam are sequenced as follows：water-cement ratio (A)→ fly ash (B);water-cement ratio has certain impact on the total cracking area per unit area,whereas the fly-ash content has little.The selection of water-cement ratio of 0.37 fly ash content of 30% is the recommended mixture ratio,which has better crack resistance level with the early crack resistance level of grade Ⅳ.Low water-cement ratio affects plastic cracking resistance of high performance concrete,so the early crack resistance test should be conducted on slab concrete for selecting the optimal mixture ratio.

Keywords：high performance concrete;plastic cracking;early crack resistance test;orthogonal test

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.028

中图分类号：TV641.4+3

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0141—04

作者简介：翟超(1986—)，男，新疆奇台人，硕士，主要从事水工混凝土材料方面的研究工作。通讯作者：唐新军(1959—)，男，陕西蒲城人，博士，教授，主要从事水工结构工程方面的教学及科研工作。

基金项目：新疆水利水电工程重点学科项目资助(xjzdxk-2009-10-05)

收稿日期：2014-08-21修稿日期：2014-09-30