双膨胀源层面材料力学特性及微观结构研究

祝小靓，傅琼华，高江林，龚 英，徐晶晶

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

1 研究背景

碾压混凝土坝每连续铺筑多个碾压层后要间歇一次较长的时间[1]，因此碾压混凝土坝通常存在“冷缝”问题[2]。层面是碾压混凝土坝的薄弱面[3- 4]，如何提高坝体质量的问题实际上是如何控制和提高层面质量的问题[5]。当前碾压混凝土坝高度在不断提高，坝前水压也在不断增大，层间缝面的渗漏问题更为突出[6]。当库水沿层面进入坝体，会增加坝体的孔隙水压力及扬压力，在降低坝体抗滑稳定性的同时，渗透水还会将混凝土中的Ca(OH)2和其他成分带走，使其强度降低从而影响碾压混凝土的耐久性。

在水工建筑物的修补加固项目中，出现了因使用普通混凝土硬化收缩致使新老混凝土层间出现裂缝的现象[7- 8]，通过掺入膨胀剂的方法，使得新浇筑混凝土产生一定微膨胀，以补偿收缩和产生自应力从而改善结合部位的受力性能[9]。而针对碾压混凝土坝层间结合质量问题，目前较为传统的做法是提高层间结合部位处理材料的抗压强度，这类处理材料同样面临收缩变形较大的问题，那么是否也可以通过掺入膨胀剂，使得新浇筑混凝土产生一定的微膨胀，起到补偿收缩和产生预压应力的作用，从而改善新老混凝土结合部位受力性能[10]值得深入研究。

表1 层面材料试验配合比

目前主要是通过铺筑普通砂浆、净浆或者小级配混凝土的处理方式[11，12]对碾压混凝土坝层面进行处理，部分大坝的层面改善效果并不理想。本文针对目前碾压混凝土坝存在的层间渗漏和结合质量问题，基于修补材料在新老混凝土粘结处理上的特点，从碾压混凝土坝层面处理材料角度入手，利用双膨胀源膨胀剂补偿收缩，辅以硅粉与膨胀产物反应生成的水化硅酸钙提高层面材料粘结性能的思路，从材料的微观角度探究双膨胀源改性材料对宏观性能的改性机理。

2 试验概况

2.1 原材料

试验所用水泥为弋阳海螺水泥责任有限公司生产的海螺P·O42.5普通硅酸盐水泥，江西景德镇发电厂的II级粉煤灰，埃肯公司920U型半加密硅粉，HME类氧化钙-硫铝酸钙复合类膨胀剂以及FDN-B缓凝高效减水剂。细骨料采用细度模数为3.0的人工砂。

2.2 配合比

层面处理材料包括硫铝酸钙-氧化钙双膨胀源膨胀剂和硅粉，采用大掺量粉煤灰层面处理砂浆，控制不同配比的处理材料拌和物性能基本保持一致，设计了表1所示层面材料配合比。其中，F代表单掺粉煤灰，FS代表粉煤灰与硅粉复掺，FSE代表粉煤灰、硅粉及膨胀剂复掺，数字代表膨胀剂掺量。硅粉和膨胀剂采用内掺法，等量取代胶凝材料，保持粉煤灰与(粉煤灰+水泥)的比例不变。

3 试验结果

层面处理砂浆流动度及各龄期强度见表2，掺入膨胀剂后，同时改善了抗压强度和抗折强度。层面材料28 d和90 d的抗压强度要比碾压混凝土本体的抗压强度高一个等级。

表2 不同层面处理材料流动度和强度

3.1 膨胀剂对层面处理材料柔韧性的影响

柔韧性反映了材料柔韧变形性能的好坏，压折比可以在一定程度上衡量材料柔韧性。利用表2中抗压强度和抗折强度的数据经过计算可以得到压折比，如表3所示。

表3 膨胀剂对层面处理材料柔韧性的影响

由表3可以看出，7 d时掺有膨胀剂的层面材料柔韧性较未掺时好，随着龄期的增长，柔韧性逐渐变差，但90 d龄期时单掺粉煤灰的层面材料柔韧性反而最优。对于碾压混凝土层面粘结性能来说，早期上下层碾压混凝土的变形对层面材料的柔韧性要求更高，因此早期柔韧性对碾压混凝土层面粘结性能的影响至关重要。

图3 微观形貌(180 d)

3.2 层面处理材料微观结构分析

3.2.1 钙硅比能谱分析

通过对层面材料的整个断面做能谱分析(见图1)，得到的能谱分析结果如图2所示。利用SEM附带的EDS能谱分析确定水化产物中钙和硅的摩尔含量，并对钙硅比做了统计，如表4所示。从表中可以看出，钙硅比基本小于1.5，平均值为1.265。通常，硅酸盐水泥混凝土的钙硅比一般在1.5～2.0之间，且多数情况下接近于2.0。与硅酸盐水泥不同的是，由于粉煤灰中氧化钙含量较少，粉煤灰反应生成的水化硅酸钙的钙硅比较低，因此，大掺量粉煤灰的凝胶材料水化生成的凝胶整体钙硅比较低。

图1 层面材料断面

图2 层面材料断面能谱分析

从表中可以明显的看出，硅粉的加入，使得FS的钙硅比降低，膨胀剂的加入使得钙硅比进一步降低，随着膨胀剂掺量的增加，钙硅比先减小后增大。有研究表明，水化硅酸钙的强度随着钙硅比的减小而增大。

表4 Ca/Si统计结果

3.2.2 微观结构扫描电镜分析

采用日本电子珠式会社JSM- 6701F冷场发射扫描电子显微镜测试不同层面处理材料的微观结构，从图3可以看出，FS层面材料180 d的水化产物中生成了较多C-S-H，总体来看，比单掺粉煤灰的层面材料要密实。C-S-H是混凝土材料强度、密实性和孔隙发展的决定性材料。硅粉的掺入，增加了水化硅酸钙凝胶在空间上的云状、网状形态的复杂性，增大了材料内部孔隙长度及曲折性，即在一定程度上延长了外界水分的渗透路径，对降低混凝土相对渗透系数起到了积极作用。

膨胀剂的掺入明显促进了针棒状钙矾石Aft晶体的生长，随着膨胀剂掺量的增加，针棒状钙矾石Aft晶体的数量明显增多，正是由于这些晶体的生成，使得混凝土产生一定量的微膨胀，且在混凝土内部的孔洞和微裂缝中生长，逐渐搭接在一起形成相互交错的网状结构，且贯穿于絮凝状和网状的C-S-H凝胶中，使混凝土内部结构不断密实；膨胀剂掺量为8%时，水化硅酸钙凝胶与氢氧化钙、钙矾石晶体结合在一起，膨胀性能适中，混凝土结构较为致密；但当膨胀剂超过一定掺量时，会由于膨胀性能过大而引起新的微裂缝。

4 结 论

(1)7 d时掺有膨胀剂的层面材料柔韧性较未掺时好，而对于碾压混凝土层面粘结性能来说，早期上下层碾压混凝土的变形对层面材料的柔韧性要求更高，因此早期柔韧性对碾压混凝土层面粘结性能的影响至关重要。

(2)硅粉和膨胀剂可以降低水化产物的钙硅比，随着膨胀剂掺量的增加，钙硅比先减小后增大，而水化硅酸钙的强度与钙硅比密切相关。

(3)膨胀剂掺量为8%时，水化硅酸钙凝胶与氢氧化钙、钙矾石晶体结合在一起，膨胀性能适中，一方面生成钙矾石和氢氧化钙微膨胀起到补偿收缩的作用，另一方面通过膨胀产物填充结构孔隙，使水泥石更为密实；但当膨胀剂超过一定掺量时，会由于膨胀性能过大而引起新的微裂缝。