纤维、掺合料和外加剂材料在面板混凝土防裂抗冻作用中的研究综述

2023-10-30徐海燕戈雪良刘伟宝张政男刘紫玫

水力发电 2023年10期

徐海燕，戈雪良，2，3，4，刘伟宝，张政男，刘紫玫

(1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029；3.国家能源水电工程安全与环境技术研发中心，江苏南京 210029；4.水利部水工新材料工程研究中心，江苏南京 210029)

1 研究背景

中国混凝土面板堆石坝的发展距今已有近40年，在国家《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》深入推动下，未来15年我国规划建设550座大型抽水蓄能电站。面板堆石坝作为抽水蓄能电站建设的主要坝型之一，防裂是面板混凝土的首要技术要求，面板混凝土裂缝控制不好将严重威胁面板的防渗、抗冻等其他耐久性能。在抽蓄中长期发展规划中，“十四五”期间仅新疆、西藏、东北等气候环境高寒复杂地区规划建设的抽水蓄能电站就达38座，高寒、高海拔等气候复杂地区高温差、高蒸发的恶劣自然环境对面板混凝土有着更高的抗裂、抗冻技术需求。据不完全统计，目前，高寒地区建成和在建的混凝土面板堆石坝已超过30座，高抗裂、抗渗以及抗冻耐久性仍是高寒地区面板堆石坝急需解决的问题。

面板混凝土是抽水蓄能电站上、下水库的表面防渗结构，具有面积大、厚度薄等特点。由于面板混凝土的板式结构特征，相比较于其他水工混凝土结构，有更大的概率会产生裂缝。面板混凝土表面的裂缝会降低混凝土的抗渗性，水以及化学侵蚀物质沿着裂缝渗入会加剧混凝土的冻融破坏，进而产生更多的裂缝和孔洞等病害，从而形成混凝土耐久性劣化的恶性循环直至面板混凝土结构功能失效[1-2]。因此，面板混凝土的防裂技术一直是水利水电工程研究的热点与重点。大量工程实践表明，纤维的掺入可以有效地抑制混凝土裂缝发展，纤维在面板混凝土阻裂增韧作用方面已有20余年的实践经验。目前，纤维技术在纤维品种以及混杂纤维掺用等方面较20多年前已有较大发展，本文从面板混凝土裂缝成因、已建水利水电工程面板混凝土纤维应用情况以及纤维和其他混凝土原材料在面板混凝土中的防裂抗冻等方面进行综述研究，以期对未来我国抽水蓄能电站面板混凝土工程的建设提供一定理论和技术支撑。

2 面板混凝土裂缝成因分析及纤维应用情况

2.1 面板混凝土裂缝成因

面板混凝土的裂缝可分为结构性裂缝和非结构性裂缝，其中非结构性裂缝主要包括温度裂缝和收缩裂缝。结构裂缝的成因主要有坝体沉降过大或不均匀沉降、坝体自重、库水压力，以及面板与垫层约束等外力作用。非结构性裂缝的成因主要与混凝土本身材料特性以及环境温度有关。在寒冷及严寒地区，环境温差大，面板混凝土在浇筑早期会产生大量的水化热而引发温度变形，混凝土还会因为水分蒸发而产生收缩变形，各种因素带来的变形应力大于混凝土本身允许的抗拉强度，从而导致开裂。在面板混凝土浇筑完成运行期，表面裂缝导致水分及侵蚀物质渗入，在低温下内部水结冰膨胀产生膨胀应力，进而加剧裂缝的发展。面板混凝土产生的裂缝往往是多因素共同作用的结果。大量实践表明，在水库蓄水前温度应力和收缩应力是混凝土面板早期微细裂缝产生的主要原因，面板混凝土的裂缝80%以上是非结构性裂缝。温度应力引发的裂缝形态多近于水平，具有随温度变化扩张或合拢的特征。干缩引发的收缩裂缝往往呈“龟裂”状，这些微细裂缝在面板上形成薄弱区，遇外力因素极易发展成贯通裂缝。

2.2 纤维在国内面板堆石坝的应用情况

吕兴栋等[3]统计了部分面板堆石坝的裂缝发展以及面板原材料纤维使用情况，李远程等[4]对高寒地区部分面板坝环境的极端最低温度、面板混凝土掺入纤维情况等技术参数做了总结，可以看出纤维在面板堆石坝中的使用从种类上的发展到不同种类纤维的混掺和纤维搭配掺合料复合使用，逐步形成了纤维在内的多元阻裂增韧体系。面板混凝土表面裂缝多产生于施工或运行初期，在部分寒冷以及严寒地区，聚丙烯纤维和聚丙烯醇纤维是早期混凝土面板最常用的纤维，随后聚乙烯醇纤维、纤维素纤维以及纤维和膨胀剂复合使用逐步运用到面板混凝土防裂中。

20世纪90年代初，纤维最早用于道路、桥梁和房建工程，在20世纪90年代末才开始应用在水工建筑物中。2000年白溪水库二期工程首次将聚丙烯纤维应用于面板堆石坝，与一期面板工程相比，二期面板裂缝宽、深、长度和数量都较一期面板有较好的改善[5]。随后钢纤维、聚丙烯腈纤维也被用于各个面板堆石坝工程的抗裂研究中。2002年国内开始建立世界最高的水布垭面板堆石坝，聚丙烯腈纤维在纤维混凝土抗裂性试验中提高了混凝土面板的初裂强度和韧性，呈现了良好的抗裂作用，水布垭工程一二期面板便首次用到了聚丙烯腈纤维，在一期面板浇筑养护完毕后，仅发现了两条裂缝[6-7]。三期面板处于水位变化区，要求更高的抗裂能力，后在工程中复掺了钢纤维与聚丙烯腈纤维。水布垭工程面板混凝土掺聚丙烯腈纤维和钢纤维的弯曲韧性试验结果如图1。试验组编号C0为基准组，PAN-0.7为掺量0.7 kg/m3的聚丙烯腈纤维，S-0.9为掺量0.9 kg/m3的钢纤维。从图1可知，混掺钢纤维和聚丙烯腈纤维的混凝土早期(3 d)和后期(28 d)抗折强度都有明显提高，初裂强度后期(28 d)提高幅度大，表现出良好的增韧作用。随着纤维对混凝土阻裂增强作用研究的深入，越来越多性能优异的纤维被用到面板堆石坝中，包括碳纤维、聚乙烯醇纤维和纤维素纤维等[8-11]。纤维在面板堆石坝中应用的效果差异与纤维材料自身特性、施工环境和工艺有关。察汗乌苏和柳树沟两座面板坝位于新疆同一高寒区，赵庆对两面板坝运行中裂缝发展情况做了对比[12]。察汗乌苏面板坝掺入聚丙烯纤维，柳树沟面板坝的建设中原材料复掺了罗塞纤维素纤维和钢纤维，并选择了恰当的制作工艺，在后期仅发现27条裂缝，与察汗乌苏面板坝的711条裂缝形成了强烈对比。纤维在面板混凝土上防裂性能的研究除了纤维种类上以及纤维混杂的发展，纤维也开始和外加剂、掺合料等材料复合使用。

图1 水布垭工程面板混凝土弯曲韧性试验结果[7]

3 纤维等原材料对面板混凝土防裂抗冻的影响

面板混凝土开裂和冻融破坏是高寒区混凝土坝的突出工程风险，提高混凝土的抗裂性是增强混凝土冻融耐久性的重要措施[2]。面板混凝土的防裂抗冻技术包括材料设计、结构设计和施工工艺三方面，本文主要从材料层面考虑面板混凝土的防裂抗冻性能，特别是纤维以及纤维同其他外加剂和掺合料的复合作用。

3.1 纤维材料的影响

3.1.1 纤维材料特性的影响

混凝土内部均匀分散的纤维相互桥连，可以形成空间网状支撑结构，从而限制裂缝的产生和发展，纤维增强混凝土的机理主要有复合材料和纤维间距理论。纤维在混凝土中发挥作用的效果与纤维自身材料性能、纤维掺量和纤维与基体界面结合力有关。在纤维类型上，与聚合物纤维相比，金属钢纤维有更高的强度和弹性模量，能够在裂纹发展区提供较高的应力抑制裂纹发展，而较软的聚合物纤维则能增加裂纹区的韧性和应变能力。在纤维尺寸上，通常来讲，较长的纤维对宏观裂缝的产生和发展有明显控制作用，短纤维则针对控制微裂纹的发展。纤维的作用效果还受到纤维掺量的影响，掺量过高会影响纤维的分散效果，不利于发挥纤维的增强作用。Pakravan等在文献[13]中对3种常用的聚合物纤维(聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维)性质做了分类，其中聚乙烯纤维有比聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维更高的弹性模量和拉伸强度，同时聚乙烯纤维具有疏水性，在混凝土中主要表现为拔出型破坏，使得聚乙烯纤维在混凝土裂缝的产生与发展中能量吸收能力更高，能更有效地增强混凝土延展性。Wang等[14]做了聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维对面板混凝土抗裂性和耐久性的影响及对比，试验发现在抑制开裂和抗冻性能的比较上，聚乙烯醇纤维优于聚丙烯腈纤维和聚丙烯纤维，同样能用纤维自身机械性能和与水泥基材料粘附性差异解释。而Bertelsen等[15]对关于水泥基材料中约束性收缩开裂试验的文献进行回顾，通过将纤维阻裂效率的结果表示与纤维体积分数、几何形状、尺寸和机械性能等信息构建数据库进行描述性统计分析，发现更细的纤维，较强的粘结性，体积单位纤维数量以及比纤维表面积增加对纤维阻裂有较为明显的积极影响，但纤维弹性模量和长度没有显示出明显的相关性。

3.1.2 混杂纤维技术的影响

单一纤维由于自身性质特点，对于混凝土防裂性能的提升效果是有限的；另外在实际工程中，面板混凝土的裂缝是以不同尺寸形式在各种应力阶段出现，所以不难理解两种或更多类型的纤维混合可以在不同层次上性能互补，发挥更有利的阻裂增强作用，近年来混杂纤维增强混凝土也越发受到关注。Wang等[16]定量分析了钢纤维和聚丙烯纤维混杂混凝土的气孔结构以及气孔结构与混凝土渗透性和耐盐冻融性的关系，试验发现两种纤维单掺和混掺都可减少混凝土的气孔含量，混杂纤维使180～500 μm的孔隙弯曲度变复杂，但混杂纤维对混凝土的渗透性有负面影响，对混凝土的抗冻性能有提升但效果不显著。混凝土的孔隙结构常被研究用来描述抗渗性和抗冻耐久性，然而很少有研究从孔隙结构角度分析它对混凝土开裂性能的影响。Li等[17]基于声发射和低频核磁共振数据，建立了混凝土开裂和孔径分布之间的关系模型，并用多元回归方程定量描述了孔径分布对混凝土开裂的影响，发现孔径在100～1 000 nm的毛细孔和孔径大于1 000 nm的大孔对混凝土开裂有明显的影响。

3.1.3 纤维复合材料技术的影响

纤维一方面通过自身机械性能对混凝土起到阻裂增强作用，而另一方面纤维的引气作用会增加混凝土内部的截留空气量，可能会使混凝土内部薄弱界面增多从而对混凝土的机械性能和耐久性产生不利影响。外加剂和掺合料能有效降低孔隙率，巩固纤维与浆体间的薄弱区，合适配比的纤维与外加剂，掺合料复合使用能得到更为高效的抗裂效果[18-19]。Wang等[20]研究发现掺粉煤灰、纤维、氧化镁膨胀剂和减缩剂的防裂措施均能提高混凝土抗冻性，其中粉煤灰和PVA纤维复合作用明显细化了混凝土孔结构，混凝土抗冻性提高效果最好。Afroughsabet等[21]发现硅灰的存在可以改善纤维在混凝土中的分散性，另外硅灰和纤维的联合使用能让混凝土的吸水率变低。Fallah等[22]发现高百分比的纳米二氧化硅和硅灰都会导致混凝土试件发生脆性断裂，而纤维能补偿韧性，这也是硅灰经常会搭配纤维使用的原因。

3.2 其他混凝土原材料的影响

3.2.1 外加剂

在面板混凝土中常用的外加剂有膨胀剂、减水剂、减缩剂和引气剂等。关于外加剂对面板混凝土防裂抗冻性能的影响主要分为减少混凝土收缩变形和水泥水化温升两方面。在混凝土中掺入膨胀剂制得补偿性收缩混凝土是减少收缩裂缝的有效方法，膨胀剂使混凝土产生一定的体积膨胀来补偿混凝土的收缩，从而减少收缩裂缝的生成，而减缩剂是通过降低毛细管中液相的界面张力来减少收缩。减水剂和引气剂可以有效提升混凝土的和易性并改善混凝土的含气量，其中引气剂给混凝土内部增加的独立气泡对混凝土抗冻性提升有益。

膨胀剂类型主要包括氧化钙型、硫铝酸钙型和氧化镁型，氧化镁型膨胀剂是面板混凝土最常用的类型。氧化镁膨胀剂在面板混凝土中的膨胀性能受其活性和掺量的影响，不同活性的氧化镁膨胀剂最大收缩补偿效应出现的时间有差异。面板混凝土的干燥和自收缩主要发生在早期，Wang等[23]建议面板混凝土使用10%以下的活性氧化镁以消除早期收缩和提高早期抗裂性，但应注意小心养护，以避免氧化镁膨胀剂由于高活性在面板混凝土塑性收缩阶段开裂。膨胀剂在面板混凝土中提升抗冻性能的影响研究较少，但Chen等[24]对外掺氧化镁膨胀剂的混凝土自生变形进行了长达6年的观察研究，结果表明，在适当掺量下，混凝土的孔结构随着龄期的增长会越来越好，并且混凝土含有氧化镁水化产物的周围没有产生微裂纹。张迪等[25]通过平板法研究粉煤灰、减缩剂和氧化镁膨胀剂对面板混凝土抗裂性的影响，发现三者都提高了混凝土早期抗裂性，而6%氧化镁膨胀剂的效果最好。

适当掺量的减缩剂能有效降低混凝土的早期收缩和开裂，另外减缩剂与引气剂、膨胀剂和纤维具有协同作用，减缩剂与膨胀剂的复合可以降低自收缩和干燥收缩，显著抑制裂缝的产生，纤维与减缩剂复合可以补偿由减缩剂引发的强度下降[26]。不过，李悦等[27]在3种不同外加剂(减水剂、减缩剂和膨胀剂)对混凝土抗裂性能的研究中发现，只掺入萘系减水剂的混凝土早期塑性收缩会增大，适量的减缩剂和膨胀剂单掺都能发挥较好的抗裂效应，膨胀剂和减缩剂的复合使用对混凝土的抗裂效果并没有显著的提升，这可能与材料配合比以及试验方法的差异有关。

3.2.2 掺合料

粉煤灰、矿渣、硅灰等掺合料对水泥的水化有复杂的化学和物理效应，这些效应在恰当的掺量和养护条件下可以使混凝土获得更为优异的耐久性。掺合料对水泥水化的物理效应包括掺合料细颗粒的填充效应，可以致密混凝土孔结构；球形颗粒的承球效应，改善新拌混凝土的流动性；对水泥体系的稀释效应，能降低水化温升还有对水化产物的异相成核效应。化学效应主要是掺合料的火山灰效应和自水化效应。这些效应一方面能改善混凝土孔隙结构、降低水化温升从而减缓混凝土开裂，另一方面随着具体的掺合料掺入也可能给混凝土某些性能带来不利影响。

如矿粉颗粒的形态多为多角形玻璃体，与水泥基材料不易形成良好的颗粒级配，会导致混凝土内部适合裂纹发展的孔隙结构变多。马永烔等[28]在对比单掺粉煤灰、矿粉和复掺情况下对混凝土开裂的影响中发现，单掺粉煤灰的混凝土抗裂性效果最好，而单掺矿粉的效果最差，这与时宇等[29]人的研究一致。硅灰的高火山灰效应会加速水泥早期水化，降低混凝土内部湿度，增大混凝土的脆性。Wang等[18]在粉煤灰用量对面板混凝土收缩和抗裂性研究中指出，粉煤灰的掺量从0到40%的体积率增加均显著提高混凝土的抗塑性收缩开裂性能，但对约束条件下干燥收缩抗裂性能带来不利影响。

Sun等[30]对钢渣、粉煤灰、矿渣和石灰石4种矿物掺合料两两搭配成6种复合掺合料，研究复合掺料对水泥基材料的水化和长期性能影响，结果表明，混凝土中掺入与水泥细度相同的复合掺合料对早期水化没有显著延缓作用，但降低了累计水化热，另外含有两种活性掺合料的复合体系中有害孔的体积和孔隙率通常低于只含有一种活性掺合料和石灰石粉的复合体系，其中矿渣-粉煤灰复合掺合料孔隙结构优化最好，而粉煤灰-钢渣复合掺合料的孔结构发展最差。

3.3 表面涂层防护的影响

外加剂、掺合料和纤维等混凝土材料上的设计是面板混凝土防裂抗冻的基础，混凝土面板表面防护则是加强措施。在混凝土表面涂覆涂层或薄膜可以阻止水分以及侵蚀物质进入混凝土内部，提高混凝土耐久性。常用的混凝土表面防护材料包括硅烷、改性环氧树脂、丙烯酸酯涂料和水泥基聚合物砂浆等，这些防护材料可降低混凝土吸水性，提高混凝土抗冻性。但以上表面涂层防护材料均属于传统柔性外包防护材料范畴，且大部分均以有机材质为主，存在一个长期材料老化与耐久性问题；另外，上述传统柔性外包防护材料与混凝土基材之间存在“成层或成膜”结构，长期服役后会发生“剥离、脱壳”情况，这些问题在我国西北、东北等地区水利水电混凝土工程已喷涂表面防护材料的工程实例已出现，喷涂聚脲提高混凝土抗冻性等，取得了一定效果，但会出现服役运行若干年后表面防护材料层的脱落、损毁等现象，因此表面防护的长期附着稳定性是一个有待解决的问题。