基于不同掺量粉煤灰和抗裂减渗剂对面板混凝土性能影响试验研究

沙成刚，焦万明，李善斌，万英正，岳禹臣

(1.青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司，青海 西宁 810001；2.青海省水利水电工程局有限责任公司，青海 西宁 810001)

0 引 言

混凝土面板作为面板堆石坝防渗体系的重要组成部分，影响着大坝整体防渗质量和运行安全，然而面板混凝土因自身结构和材料组成特性，导致很容易出现裂缝。大量实践证明，面板混凝土硬化过程中可能产生减缩裂缝；面板混凝土凝结过程中可能产生干缩裂缝；气温下降时，面板混凝土表面与内部混凝土可能产生温度应力裂缝等[1-2]，以上是面板混凝土裂缝产生的原因和可能出现的类型。面板混凝土产生的裂缝是可以通过采取一定的措施加以预防的。闵泳涛等[3]在常态面板混凝土中分别掺入纤维素纤维、聚丙烯纤维及增强密实(抗裂)剂3种抗裂材料，形成抗裂面板混凝土，对其力学性能、耐久性能、干缩性能以及早期抗裂性能开展试验研究，分析了抗裂材料对面板混凝土性能的影响规律；喻幼卿等[4]在混凝土中掺入增强密实(抗裂)剂后，能显著地降低混凝土早期干缩值，有效地控制混凝土的收缩变形，从而使混凝土具有良好的抗裂性能；董芸等[5]通过试验研究了人工合成纤维及人工合成纤维与钢纤维复掺对水布垭工程面板混凝土各项性能尤其是抗裂性能的影响，得到高抗拉强度和极限拉伸值、低收缩、低弹性模量、耐久性良好的高抗裂面板混凝土；冯林等[6]根据混凝土裂缝产生的机理，从原材料优选和配合比设计角度开展研究工作，旨在降低裂缝产生的几率，以及在产生裂缝后有效阻止裂缝的发展、通过混凝土性能试验对比得到了抗裂性能良好的混凝土配合比；刘数华等[7]论述了将粉煤灰掺入水工混凝土中，对降低水泥胶砂脆性系数，减小混凝土的弹性模量、干缩、绝热温升、自生体积变形和增大徐变度等的作用，提出了粉煤灰掺量与混凝土弹性模量的相关关系式，验证了粉煤灰的掺入对提高水工混凝土的抗裂性能是有利的。可见，对于水工混凝土抗裂性能影响的研究涉及纤维素纤维、聚丙烯纤维、粉煤灰、抗裂减渗剂、配合比以及各种掺和料和外加剂等，这些研究对选择和使用性能较优的混凝土原材料、抗裂材料来改善面板混凝土的抗裂性能具有重要意义。

当前，已通过在工程设计环节采取适当技术预防控制，在施工环节选取合适的面板混凝土原材料及抗裂材料等方面最大限度地提高和改善面板混凝土抗裂性能[8]。基于夕昌水库面板混凝土，通过研究对比掺入不同掺量粉煤灰、掺与不掺抗裂减渗剂(WHDF)3种抗裂方案，分析混凝土力学性能、耐久性能、干缩性能、自生体积变形及对早期抗裂性能的影响，从而为水工面板混凝土尤其是青海高寒地区的面板混凝土抗裂材料选择及施工配合比确定提供借鉴。

1 试验概况

1.1 材料选取

夕昌水库面板混凝土材料选用甘肃祁连山P·O 42.5普通硅酸盐水泥，骨料为夕昌砂石料场生产的人工砂及人工碎石，砂细度模数(FM)=2.4～2.8，小石∶中石=55∶45；采用江苏苏博特新材料股份有限公司PCAR-I聚羧酸高性能减水剂和GYQ-I高效引气剂，引气剂掺量根据现场含气量实时调整，含气量控制在4.0%～6.0%；试验用粉煤灰选用甘肃宏大集团有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰；增强密实剂选用武汉天衣新材料有限公司生产的WHDF抗裂减渗剂(乳白/黄色的液体)。宏大粉煤灰试验检测结果及标准要求见表1和表2。

表1 粉煤灰试验检测结果

表2 粉煤灰化学成分分析检测结果 %

1.2 混凝土配合比及拌和物性能

水胶比是决定混凝土强度、耐久性、变形等性能的主要因素，是混凝土配合比设计的关键参数。在确定的水泥、粉煤灰掺量以及外加剂掺量等试验条件下，为研究宏大粉煤灰、灵武粉煤灰及益德粉煤灰和掺与不掺WHDF阻裂减渗剂情况下，对混凝土力学性能、耐久性能、自生体积变形及早期开裂性能等的影响，以夕昌水库大坝面板混凝土设计强度等级为C9030、抗渗等级为W12、抗冻标号为F300的二级配混凝土为基准方案(JZ方案)，设计3种对比方案：①方案一。粉煤灰掺量20%，不掺WHDF抗裂减渗剂。②方案二。粉煤灰掺量20%，掺入2%WHDF抗裂减渗剂。③方案三。粉煤灰掺量25%，掺入2%WHDF抗裂减渗剂。根据夕昌水库前期各混凝土配合比及相应强度统计资料，并参考其他类似工程的相关成果，采用水胶比与抗压强度关系试验推荐水胶比0.4。各方案混凝土配合比及拌和物性能见表3、4。

表3 混凝土配合比各拌和物掺量

1.3 试验方法

依据DL/T 5150—2017《水工混凝土试验规程》、DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》及GB 8076—2008《混凝土外加剂》的相关要求，测定混凝土的力学性能、耐久性能、干缩性能、混凝土早期抗裂性能等试验。检测结果评定按DL/T 5100—2014《水工混凝土外加剂技术规程》技术要求进行。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土力学性能

2.1.1 混凝土轴向拉伸

混凝土轴向拉伸试验要测定面板混凝土的劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、极限拉伸值及抗拉弹性模量，试件测试断面尺寸为100 mm×100 mm。试件成型前筛除混凝土拌和物中粒径大于40 mm的骨料。试验结果见图1。

图1 混凝土轴向拉伸试验结果

方案一使混凝土28 d、90 d龄期的劈裂抗拉强度值分别提升38.1%、27.5%；轴心抗拉强度增长分别为39.7%，23.5%；极限拉伸值分别增长19%，5.7%；轴拉弹模量分别增长17.4%，3.8%。方案二使混凝土28 d、90 d龄期的劈裂抗拉强度值提升分别为32.4%、29.8%；轴心抗拉强度分别增长45.4%，25.3%；极限拉伸值分别增长23.9%，6.1%；轴拉弹模量分别增长33.5%，4.1%。方案三使混凝土28 d、90 d龄期的劈裂抗拉强度值提升分别为28.1%、21.8%；轴心抗拉强度增长分别为48.8%，17.9%；极限拉伸值增长分别为23.1%，6.3%；轴拉弹模量增长分别为29.7%，5.4%。由此可见，3种抗裂方案中28 d混凝土各性能值提升幅度较大，90 d混凝土各性能值提升幅度较小，并趋于稳定。这主要是由于粉煤灰在混凝土中能够起到活性的作用，能使水泥和粉煤灰之间的缝隙变得更小，起到填充的作用，从而提高混凝土结构密度。掺入WHDF可提高混凝土中凝胶数量，改善和增强水泥与骨料间粘结力，提高混凝土韧性。

从3种方案试验结果来看，混凝土抗拉强度采用劈裂和轴向拉伸两种方法，混凝土的轴拉强度均高于劈拉强度，同龄期轴拉强度与劈裂抗拉强度的比值在1.2～1.4之间；3种方案中粉煤灰掺与不掺WHDF的极限拉伸值有明显提高，但在掺入WHDF后的极限拉伸值差别又不明显；随着粉煤灰掺量增大，同龄期混凝土轴拉弹性模量有所下降趋势，但下降幅度很有限。所以综合考虑，掺20%粉煤灰、2%WHDF的方案二对混凝土抗裂性能更为有利。

2.1.2 混凝土轴心抗压强度、静力抗压弹性模量

混凝土抗压强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件，静力抗压弹性模量试验采用Φ150 mm×300 mm的圆柱体。试验结果见图2和图3。

图2 混凝土轴心抗压强度试验

图3 混凝土静力抗压弹性模量试验

由图2、3试验结果可知，方案一和方案二中混凝土28 d和90 d龄期的抗压强度值和静力抗压弹性模量相差不大，方案二各值略大些，这说明混凝土中粉煤灰掺入量较为合适，掺与不掺WHDF对混凝土抗压强度值和静力抗压弹性模量影响不显著。方案三随着粉煤灰的掺量增大，混凝土抗压强度值和静力抗压弹性模量反而有所降低，这说明粉煤灰的掺量超过了水泥石和粉煤灰之间缝隙填充的量，致使试验前水泥含量相对降低，粉煤灰掺量过多；也说明抗压弹性模量随抗压强度的增而增大。对比3种抗裂方案，方案二试验数据表现较优。

2.2 混凝土变形性能

2.2.1 混凝土干缩湿胀变形

混凝土干缩试件尺寸采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体，成型时筛除粒径大于40 mm的骨料。试验结果见图4和图5。

图4 干缩变形对比结果

图5 湿胀变形对比结果

由图4、5可知，3种抗裂方案的混凝土试块早期干缩速率较快，随着龄期的增长趋势逐渐变缓，说明早期混凝土试块中的水分损失较快，引起的干缩变化较大。在其他条件相同的情况下，掺20%粉煤灰和掺入阻裂防渗剂(WHDF)时，混凝土试块的干缩值变化较明显。3种抗裂方案28 d龄期干缩变形降低幅度在4%左右，降低幅度不大；90 d龄期降低幅度在14%左右。方案二与方案三的干缩变形和湿胀变形差别不明显，方案一与其他两种灰相比，干缩值相对较大，湿胀值相对较小。从试验结果看出，粉煤灰本身就具有能够填充混凝土内部缝隙，使其结构密度得以提高的作用，试验中3种抗裂方案混凝土试块均掺入WHDF的情况下，WHDF可以靠抑制水泥中C3A的水化速度，并通过激发二次水化作用[9]，增加凝胶数量，增强粘结能力，从而达到抑制和降低混凝土试块干缩率。由以上分析结果，方案二和方案三对抵抗混凝土干缩湿胀变形效果相对明显。

2.2.2 混凝土自生体积变形

混凝土的自生体积变形是评价混凝土抗裂性能的一个重要参数，在混凝土硬化过程中，由胶凝材料水化诱发的混凝土体积变化而引起。试件尺寸、形状与混凝土干缩湿胀变形试验一致，试验结果见图6。

图6 混凝土自生体积变形过程线

由图6可知，粉煤灰掺量20%、水胶比等不变情况下，与基准方案相比，方案一混凝土自生体积变形较大，28 d和90 d自生体积变形值分别为-18×10-6和-23.2×10-6，说明掺入20%粉煤灰后对抑制混凝土自生体积变形效果较差。方案二粉煤灰掺量20%且掺入WHDF，28 d和90 d自生体积变形值分别为-6.5×10-6和-7.2×10-6；方案三中粉煤灰量掺量增加至25%，掺入WHDF，28 d和90 d自生体积变形值分别为-6.0×10-6和-6.9×10-6。从方案二和方案三数据可以看出，混凝土的自生体积变形随着龄期的增长均有减小的趋势，在90 d龄期内趋于稳定。

根据李晓勇等研究成果[10]，混凝土的自身体积变形关键取决于胶结材料的性质，按传统经验粉煤灰的掺入会使得混凝土中的水泥用量相应减少，进而使混凝土的自生体积变形随着粉煤灰掺量的增加而减小。本试验结果表明，在粉煤灰掺量和水胶比不变情况下，掺入WHDF明显使混凝土自生体积变形值和发展规律均出现较大的改变，且变形值差别很大；依据试验数据和图形发展趋势3种抗裂混凝土自生体积变形均为收缩型，但掺入WHDF后，早期呈微膨胀，约5～7 d后膨胀量开始减小，约20～28 d开始转变为收缩，90 d后收缩基本趋于稳定。

2.3 混凝土耐久性能

2.3.1 混凝土抗渗性能

试件抗渗试验结果见表5。

由表5可知，在试验渗水压力逐级加压至1.3 MPa时，4种抗裂方案的混凝土试件均无渗水，抗渗等级均超出W12的设计要求，混凝土试件内部平均渗水高度从大到小排序为：JZ>方案一>方案二>方案三，表明各试验方案的混凝土试件，在不同掺量粉煤灰和掺与不掺WHDF情况下均可不同程度地提高混凝土抗渗性能，满足要求。从表4还可以看出，方案一平均渗水高度28 mm，掺入WHDF后，平均渗水高度降至23 mm，粉煤灰增至25%后，平均渗水高度降至21 mm，说明掺入WHDF能更进一步提高混凝土的密实性，减少渗透通道，提高抗渗效果。

表4 混凝土配合比拌和物性能

表5 混凝土抗渗试验结果

2.3.2 混凝土抗冻性能

混凝土抗冻试件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体，试验龄期28 d，试验结果见图7和图8。

图7 质量损失率与冻融循环次数关系

图8 相对动弹性模量与冻融循环次数关系

由图7、8可知，与基准方案相比，掺入粉煤灰和WHDF，经过300次冻融循环后，各混凝土试件均具有较好的抗冻融破坏能力，且抗冻等级不小于F300。300次冻融循环后，各试验混凝土试件的质量损失率由小到大排序为：方案二>方案三>方案一>基准方案；相对动弹性模量由大到小排序为：方案三>方案二>方案一>基准方案。很明显，经300次冻融循环，方案二和方案三抗冻性能更好。

说明：1)混凝土早期抗裂抗裂试验装置内部有7根裂缝诱导器，在每个诱导器上部只要出现裂缝即计为裂缝条数；2)沿着裂缝诱导器的混凝土裂缝整体看为蛇形裂缝，只要不连接即分开计算裂缝数目，单位面积的裂缝数目按此规则统计。

2.4 混凝土早期抗裂性能

混凝土早期抗裂试验采用平板法，试件为800 mm×600 mm×100 mm的薄板型，平行于模具短边设有7根裂缝诱导器，试件成型30 min后，在其表面平行于诱导器方向开始吹风，吹风24 h后测读裂缝。平板早期抗裂试验成果见表6，混凝土早期开裂对比见图9。

图9 混凝土早期开裂对比

表6 平板早期抗裂试验成果

由表6、图9可知，与基准方案相比，3种抗裂方案混凝土的初始开裂时间为6～7 d，混凝土早期裂缝发展较快，随着龄期的延长，裂缝扩展趋于稳定；混凝土掺入粉煤灰和WHDF均能够明显限制混凝土塑性裂缝的产生，主要表现在混凝土试块裂缝数量和裂缝平均开裂面积等均有较大幅度降低。3种抗裂方案混凝土试块裂缝条数分别为4、2、3条，与基准方案相比降幅分别为33.3%、66.7%、50%；裂缝平均开裂面积和单位面积总开裂面积也明显减小，降幅分别为8.8%、25%、17.6%，单位面积总开裂面积降幅分别为64.2%、58.1%、55.4%。

目前，国内一些学者的研究认为，粉煤灰早期不参与水化反应，大量的细小玻璃态粉煤灰颗粒均匀分布在水泥石中，起到微集料约束效应，和集料的宏观约束效应相叠加，进一步抑制了水泥石的收缩[11]。混凝土水胶比等其他参数不变，虽然大掺量粉煤灰混凝土(粉煤灰掺量超过25%)抗裂性能较好，但是早期强度过低不能满足施工上对工期的要求，因此不是最适合的。适量的粉煤灰掺量，可以使混凝土中的水化反应不至于太慢，对混凝土早期强度影响不大，既能提高混凝土抗裂性能，也能提高其抗冲耐磨性，且不会影响到施工进度[12-13]。而掺入WHDF后，在混凝土中不论是本体还是界面处，凝胶增多，结晶变小分布均匀、结构明显密实，水化物之间的粘结力增强，这是混凝土具有良好抗裂性能的关键所在[14-15]。显而易见，从试验数据和以上分析来看，方案二对混凝土的早期抗裂性能效果更好。

3 结 论

(1)在基准混凝土中掺入适量的粉煤灰和抗裂减渗剂，对提高混凝土抗裂性能具有良好效果。综合比较3种抗裂方案，方案二在混凝土力学性能、变形性能、耐久性及早期抗裂性能方面均较优，同时结合实际施工需要，保证混凝土早期强度不至于过低，粉煤灰掺量不宜过多。经综合分析，夕昌水库面板混凝土推荐采用掺入20%宏大粉煤灰和2%WHDF抗裂减渗剂。

(2)与基准混凝土相比，3种抗裂方案在7、28、90 d龄期均可不同程度地提升混凝土的劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度及极限拉伸值，90 d时提升幅度最小，并趋于稳定；混凝土抗拉弹性模量有所降低，对混凝土抗压强度值和静力抗压弹性模量影响不显著；同时，3种抗裂方案均能不同程度改善混凝土抗渗、抗冻和早期抗裂性能，对干缩湿胀变形和自生体积变形有明显抑制和减少作用。

夕昌水库实际应用证明，在基准混凝土中，选用甘肃宏大集团有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，武汉天衣新材料有限公司生产的WHDF抗裂减渗剂在面板混凝土配合比设计中取得了良好效果，可为水工面板混凝土尤其是青海高寒地区的面板混凝土抗裂材料选择及施工配合比确定提供借鉴。