面板混凝土塑性开裂试验方法研究

吕乐乐 白银 宁逢伟 张丰

摘要：面板混凝土浇筑后几小时会形成肉眼不可见塑性裂缝，有害物质可能进入混凝土，影响其耐久性。为了对面板混凝土塑性开裂风险进行控制和预测，采用混凝土大板开裂和毛细孔负压两种试验方法，对混凝土塑性开裂进行评价。评价表明：大板开裂试验可从宏观角度获知塑性开裂情况，从而得到裂缝数目、开裂面积等;毛细孔负压试验能从微观角度获知毛细孔压力，从而了解混凝土内部潜在的塑性开裂的风险。

关键词：面板混凝土;塑性开裂;大板开裂;毛细孔负压;混凝土面板堆石坝

中图法分类号：TV431 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.014

混凝土面板堆石坝具有安全性高、工程量小、经济性好、施工方便等特点，故受到国内外坝工界的普遍重视，成为许多工程的首选坝型[1-2]。混凝土面板堆石坝以堆石体为支承结构，混凝土面板为防渗结构[3]。面板的安全对整个大坝的使用和安全极其重要。虽然肉眼看不到面板混凝土在浇筑后几小时内形成的塑性收缩裂缝，但易使有害物质进入混凝土，为后期其他收缩提供开裂的基础[4]，使混凝土外观、强度、耐久性等均受到影响。因此，通过有效的试验方法对面板混凝土塑性开裂风险进行控制和预测具有重要意义。

本文主要利用混凝土大板开裂试验和毛细孔负压试验两种方法，对塑性开裂进行评价。同时利用孔结构分析，验证毛细孔负压试验预测塑性开裂风险的可行性。

1 试验方法

大板开裂试验参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，平板模具尺寸为800 mm×600 mm×100 mm。混凝土浇筑后30 min内开始使用风扇吹（见图1），混凝土试件表面中心正上方100 mm处的风速为5±0.5 m/s，并使风向平行于试件表面和裂缝诱导器。采用100倍的读数显微镜观测和测量。

在毛细孔孔隙负压试验中，采用的孔隙负压测试设备由传感器、孔隙负压数据采集仪、GSM信号接收中心构成，如图2所示。其中陶瓷头的内径为2 mm，外径为6 mm。将混凝土浇筑于PVC管中，高50 cm，预先把孔隙负压测试探头埋置在距表面5，20，30 cm和45 cm处。

孔隙负压的测试原理为将充满水且密封的陶瓷头插入混凝土中，陶瓷头中的水膜与水泥砂浆中的水分连接，达到最初平衡。当泌水速率小于水分的蒸发速率时，水泥砂浆表层水分呈不饱和状态（即干燥开始），与仪器中的水势不相等，水便由水势高处通过陶瓷头向水势低处流动，直至两个系统的水势平衡为止。由于仪器是密封的，在仪器中便产生真空度或吸力，这就是水泥砂浆的孔隙负压。孔隙负压的产生意味着水泥砂浆干燥开始。

2 塑性开裂评价方法

2.1 大板开裂试验

对空白、掺MgO膨胀剂和掺纤维3种混凝土分别进行大板开裂试验，试验结果如表1和图3所示。由图3可看出，空白混凝土出现的裂缝最多，掺纤维混凝土出现的裂缝最少。由表1可知，空白混凝土单位面积上裂缝条数最多且总裂缝面积最大达到904 mm2;掺纤维混凝土单位面积上的裂缝条数仅有4条，单位面积总开裂面积仅有33 mm2，说明纤维对于混凝土塑性开裂的抑制作用显著。

从大板混凝土试验结果可知，该试验可直接获知混凝土塑性裂缝的情况，测得混凝土出现的裂缝条数及裂缝面积，从宏观角度上了解混凝土塑性开裂的情况及所掺抗开裂材料对裂缝的阻抗作用。然而，该方法无从得知混凝土内部裂缝的情况。该试验操作简单、易于实施，便于在工程现场进行模拟试验。

2.2 面板混凝土毛细孔负压分布

实时监测混凝土孔隙负压的变化，并将其控制在一定范围内，可有效控制塑性裂缝的发生。混凝土不同深度处孔隙负压的变化和5～45 cm范围内毛细孔负压梯度的变化，如图4所示。

由图4可知，混凝土内部失水速率不同。随着时间的推移，形成明显的湿度梯度，表层混凝土的失水速率快，孔隙负压发展快。随着混凝土深度的增加，失水速率降低，孔隙负压发展较慢。由图4（b）可以看出，混凝土的孔隙负压梯度呈现先增加后降低的趋势，测试时间在5.2 h左右时，毛细孔负压梯度达到最大值（约0.25 kPa/cm），说明这段时间内，失水速率最大，最易发生塑性开裂。研究表明，水泥基材料孔隙负压超过20～60 kPa时，极易发生开裂[5]，以20 kPa作为判断标准。距混凝土表面5 cm处、在测试时间3.85 h时，毛细孔负压达到20 kPa，此时混凝土发生塑性开裂的风险极大;距混凝土表面20，30 cm和45 cm處的毛细孔负压在4.17，4.68 h和4.80 h时达到20 kPa，说明该混凝土在浇筑后3～5 h是发生塑性开裂风险最大的阶段。在毛细孔负压梯度最大时（5.2 h），距混凝土表面5 cm和45 cm处的毛细孔负压值相差约10 kPa，其中距混凝土表面5 cm处毛细孔负压达到33 kPa。

2.3 面板混凝土孔结构分析

采用压汞法，测试1 d混凝土在不同深度处的孔隙分布，分布结果见图5，不同深度处的孔隙参数见表2。由表2可知，距混凝土表面5，25 cm和45 cm处的孔隙率相差不大，中间孔径均在60 nm左右;图5中距离混凝土表面5，25 cm和45 cm处孔隙分布趋势基本一致，存在较多10 μm以上的大孔。

直径60 nm的毛细孔孔隙负压约为36 kPa，与毛细孔负压测试结束时得到的数值基本为同一数量级。因此，在分析混凝土内部孔隙对收缩的影响时，可通过毛细孔负压的原理进行分析。

通过对混凝土孔结构分析可知，毛细孔负压试验可分析混凝土内部孔隙对塑性收缩的影响。虽然该试验不能在宏观角度直接得知塑性开裂的情况，但可在微观角度分析混凝土塑性开裂的潜在风险。

2.4 面板混凝土微观分析

对1 d混凝土进行扫描电镜分析和能谱分析，测试结果见图6。由图6（a）可以看出，混凝土水化1 d内部孔洞较多，表明混凝土结构不密实，强度亦较低;图6（b）中有少量未反应的粉煤灰;图6（c）放大倍数为10 000倍，可以看到在混凝土内部存在大量针棒状晶体物质;根据图6（d）能谱分析的结果可知产物中含有Ca、Si、Al、S和O等元素，结合图6（c）的晶体形貌，可知水化产物主要为钙矾石和水化硅酸钙。其中，O含量较高说明产物中可能含有较多的结合水，与混凝土孔结构分析中存在较多大孔的结果相一致。

3 结 语

由于面板混凝土表面积大，塑性阶段易失水引起收缩，导致其发生塑性开裂的机率增大。常用的大板开裂试验可在宏观角度测得混凝土塑性开裂的情况，如裂缝条数、裂缝面积等;毛细孔负压试验在微观角度得知混凝土内部孔隙情况，从而了解混凝土内部潜在的塑性开裂的风险。结合运用大板开裂试验和毛细孔负压试验，能更加详细了解面板混凝土塑性开裂的情况及抗开裂材料对裂缝的抑制效果。

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] 郭诚谦. 论混凝土面板堆石高坝的设计[J]. 水利学报，1993（6）：19-25.

[3] 徐泽平，邓刚. 国际高混凝土面板堆石坝的发展概况及评价[C]//中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会2007 年学术年会暨高面板技术研讨会论文专辑， 北京，2007：30-41.

[4] Volker Slowik， Markus Schmidt， Roberto Fritzsch. Capillary pressure in fresh cement-based materials and identification of the air entry value[J].  Cement Concrete Compos， 2008（30）：557.

[5] TIA M， WU C L， ARMAGHANI J M， et al. Field evaluation of rigid pavements for the development of rigid pavement design system-phasel[R]. Florida： Florida Dept. of Transp.，1986.

（編辑：唐湘茜）