增强面板混凝土抗裂性能技术研究

吴文博，赵坤龙，樊李浩

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西省西安市 710100）

0 引言

混凝土面板堆石坝的适应性、安全性、经济性与其他坝型相比有着很大的优势，但面板的薄层结构导致其易产生裂缝，坝体变形过大导致面板结构性裂缝和挤压破坏，部分地区气候条件恶劣，对面板的抗裂性能有更严峻的挑战。

从面板裂缝产生的机理研究，一方面改进施工工艺、加强后期养护，对防止混凝土早期裂缝效果明显，在混凝土中使用性能优良的掺合料和外加剂，能够很好地增强混凝土面板的各项性能，增加面板混凝土的拉伸强度和极限拉伸值，降低产生早期裂缝的风险，减小混凝土收缩并提高耐久性，对混凝土各方面性能有着显著影响。在实际施工过程中，混凝土面板的早期开裂受施工现场条件等多种因素影响，如养护条件、环境温湿度、原材料品质（水泥、骨料、外加剂、掺合料等）。从原材料方面采取技术措施预防面板混凝土早期抗裂的方法通过降低其早期收缩，提高拉伸强度，可以采取掺纤维阻裂，掺膨胀剂补偿混凝土硬化后产生的收缩变形等手段。

有相关人员研究了各类掺和料对混凝土抗裂性能的影响，如喻幼卿研究了WHDF对改进面板混凝土抗裂性能的研究[1]，丁琳等人研究了钢纤维混凝土抗裂性能[2]，李家正等人研究了面板裂缝的成因，发现混凝土中掺入高弹模的聚乙烯醇纤维能够控制早期干燥收缩裂缝[3]，吕兴栋等研究了防渗抗裂剂和PVA纤维对混凝土抗裂性能的影响[4]，徐程勇等研究发现纤维素纤维对混凝土后期抗渗及抗裂有明显作用[5]，戈雪良研究了聚丙烯纤维对混凝土抗冻和抗裂性能的影响[6]，但没有系统的研究增密剂及纤维对混凝土抗裂性能和力学性能的综合影响来评价其效果，本文结合200m级混凝土面板堆石坝，尤其在陡峭的峡谷中修建高面板堆石坝，对面板抗裂要求更高[7]。研究了不同掺合料和外加剂对混凝土力学及抗裂性能的综合影响。

1 工程概况

工程装机容量750MW，水库正常蓄水位1700.00m。混凝土面板堆石坝坝顶高程1707.00m，最大坝高247.00m，坝体填筑总量2193万m3。引水发电系统布置在左岸岸边，为地面厂房，主厂房内布置有3台单机容量250MW发电机组。该地区月平均风速1.3m/s，各月最大风速29m/s，平均日照数2732.6h，多年年平均气温11.5℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-22.0℃，多年平均降水量129.5mm。

2 试验研究

2.1 试验原材料

本次试验水泥采用新疆阿克苏水泥厂生产的青松牌42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用新疆库车电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，外加剂为WHDF抗裂增密剂，纤维采用纤维素纤维，亲水性能好。砂石骨料天然砂细度模数2.50，属Ⅱ区中砂，粗骨料为5～20mm和20～40mm级配碎石。

2.2 试验配合比

本次试验采用配合比见表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

2.3 力学性能研究

由于面板结构和在坝体中的特殊作用，其不可避免要承受一定程度的拉力，极限拉伸值和轴向拉伸强度对面板的抗裂性能影响显著，具有较大极限拉伸值和轴向拉伸强度的混凝土面板有更强的抵抗拉伸破坏和适应变性的能力。面板混凝土力学试验结果见表2。

表2 面板混凝土力学性能Table 2 face concrete Mechanical Propertie

由表2可知，只掺WHDF增密剂后，混凝土极限拉伸值和轴拉强度都提升了8%左右，拉伸和压缩弹模降低7%左右，强度增加15%；单掺纤维素纤维后混凝土极限拉伸值增加18%，轴拉强度增加8%，轴拉和静压弹模降低5%，抗压强度没有明显变化；复掺WHDF与纤维素纤维后，极限拉伸值增加19%，轴拉强度增加16%，轴拉弹模和静压弹模没有明显变化，抗压强度增加14%。

混凝土是一种混合材质的非均质脆性材料，由于骨料的形状为多棱角，在骨料与骨料结合部位及骨料与胶材结合部位，在各组分结合部位很容易产生集中应力，成为产生裂缝的薄弱点，而纤维素纤维均匀分布在混凝土内部，在混凝土内产生裂缝时能够起到传递荷载的作用，使混凝土内部应力场更加均匀和连续，使混凝土应力集中这一特点得到很大改善[8]。

在混凝土的力学性能中，抗压强度和拉伸强度主要依靠骨料的表面和水泥浆体的黏接强度，纤维素纤维的添加提高了混凝土受拉力的均匀性，阻止或减少混凝土内部裂缝的生成和发展，对水泥石和骨料结合面的影响较小，添加纤维后混凝土抗压强度没有明显的变化，压缩和拉伸弹性模量略有降低；这是由于纤维在混凝土中各个方向均匀分布，在受拉应力时能够均匀地传递应力，使应力场分布更加均匀，类似于混凝土的加筋原理，在受到拉力作用时，众多的纤维能够承受一部分拉应力，减小了水泥浆体及浆体与骨料接触面承受的拉应力。

WHDF增密剂能够促进水泥水化，激活混凝土中掺合料和水泥中的活性成分，与氢氧化钙进行二次反应，从而增加混凝土中胶凝量，降低内部细小的封闭孔隙比例，提高水泥浆体和骨料结合面的黏接强度从而增强混凝土抗裂性能的作用[9]。

2.4 抗裂性能研究

混凝土抗裂性能试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009），对试件进行在约束条件下的早期抗裂性能试验，试验模具见图1。这种诱导开裂方法的优势在于能诱导混凝土试件更快产生裂缝，且裂缝位置可提前预测，便于观察，操作相对简单而应用范围较广，能够定量分析混凝土早期抗裂性能[10]。

图1 混凝土抗裂实验装置（单位：mm）Figure 1 Concrete crack resistance test device（unit：mm）

为了系统了解WHDF增密剂和RS1000纤维素纤维对面板混凝土抗裂效果的影响程度，分别进行基准，单掺WHDF增密剂、单掺RS1000纤维素纤维、复掺WHDF增密剂和RS1000纤维素纤维等面板混凝土抗裂试验。试验时，骨料的最大粒径不超过31.5mm，新拌混凝土装入试模振捣抹平后，使风扇风，向平行于裂缝诱导器，使试件正上方100mm处风速为（5±0.5）m/s，试验环境为：温度（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%[11]。

各编号配合比抗裂试验结果见表3和图2，裂缝分布情况见图3。

图2 面板混凝土抗裂试验结果Figure 2 face concrete Mechanical Propertie test results

图3 面板混凝土裂缝分布Figure 3 Crack distribution of face concrete

表3 面板混凝土抗裂试验结果Table 3 face concrete Mechanical Propertie test results

根据试验结果分析：WHDF增密剂对混凝土早期减少裂缝条数作用不明显，但能够显著减少裂缝面积，减裂率达到23%，且单条裂缝宽度减小，长度明显变短，能够降低裂缝的等级和危害性。单掺纤维对减少混凝土早期裂缝比单掺WHDF效果好，掺纤维后，裂缝宽度显著降低，裂缝数量能够降低40%，减裂率能够达到38%，双掺增密剂与纤维减裂效果好，裂缝长度变短，裂缝宽度减小，裂缝数量降低20%，减裂率能够达到46%。其作用大小顺序为：WHDF+RS1000双掺＞RS1000单掺＞WHDF单掺。根据抗裂原因机理分析，由于聚丙烯纤维抗拉强度达200～300MPa，弹性模量3400～3500MPa，细小的纤维在混凝土内形成微加筋作用，能够有效地减小收缩和裂缝的发生，能够使裂缝细微化，使其对工程无害或者少害。

纤维的阻裂机理分两种情况，微裂缝长度大于纤维间距时，纤维将跨越裂缝，起到传递荷载的作用，使混凝土内的应力场更加连续和均匀，使微裂缝尖端的应力集中得以钝化，约束了裂缝的进一步发展。纤维在与混凝土协同变形的过程中可以承担一部分荷载[12]，微裂缝长度小于纤维间距时，纤维将迫使裂缝改变方向，或使其跨越纤维形成更微细的裂缝场，裂缝可以得到细化，而且能显著增大微裂缝扩展的能量消耗。

3 结束语

（1）混凝土添加WHDF增密剂后，对混凝土前期裂缝条数减少效果不明显，但能够减小裂缝的宽度与长度，减裂率达到23%。由于添加WHDF增密剂后，促进水泥水化，使混凝土结构更加致密，从而增加了抗压强度增加15%、轴拉强度增加8%，极限拉伸值增加8%。

（2）添加纤维后能够改善混凝土内部应力分布状态，缓解混凝土结构临界破坏状态粗细骨料接触面部位的应力集中，促进应力重分布，从而抵抗裂缝的产生，增加极限拉伸值和极限拉伸强度，按推荐掺量添加纤维后减裂率达38%，极限拉伸值增加18%，轴拉强度增加8%。

（3）复掺WHDF增密剂与纤维后，混凝土力学性能指标及抗裂性能均有明显提升，极限拉伸增加19%，轴拉强度增加16%，强度增加14%。

通过试验研究表明WHDF与纤维的复合添加对面板的综合性能有明显的改善，能够有效阻止面板初期裂缝产生，强度和极限拉伸值的提高同时也增强了面板后期抵抗变形的能力，但并没有体现出明显的优势叠加效应。由于试验条件限制，复杂气候条件面板混凝土裂抗裂技术难度大[13]。

本文没有进行工程实际最不利工况下的抗裂性能试验，但在一般情况下对工程选择面板混凝土采取防裂措施有一定指导意义，堆石坝面板一般呈现双向拉压的复杂受力状态[14]，因此以后在面板施工过程中要重点研究面板混凝土的拉伸和抗裂性能，并通过合理选择混凝土原材料及掺合料增强面板的抗裂性能[15]。