水布垭工程面板混凝土抗裂性试验研究

　　摘要: 面板混凝土作为堆石体大坝的主要防渗结构，其质量对保证大坝的安全运行具有重要的作用。国内外面板堆石坝工程实践表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂缝问题。分析了面板混凝土裂缝的分类、成因和特性，探讨了提高面板混凝土自身抗裂防裂能力的技术。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，得到了高抗拉强度和极限拉伸值、低收缩、低弹模、耐久性良好的高抗裂面板混凝土。

　　关 键 词: 面板混凝土;裂缝成因;抗裂试验;水布垭水利枢纽

1 概述

　　面板混凝土作为堆石体大坝的主要防渗结构，其质量对保证大坝的安全运行具有重要的作用。国内外面板堆石坝工程实践表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂缝问题。与普通的水工大体积混凝土不同，面板混凝土是典型的薄型长条板状结构，长、宽、厚三向尺寸相差悬殊，若不采取有效措施，极易产生裂缝。面板混凝土一旦出现裂缝，不仅破坏结构的整体性，而且将直接降低混凝土的抗渗耐久性，由于冻融循环、化学物质侵蚀、碳化等造成的混凝土劣化加剧，使结构功能逐渐丧失。水布垭工程面板堆石坝最大坝高233m，是目前世界上已建和在建工程中最高的面板堆石坝，因此提高面板混凝土的抗裂性能是工程建设的重要研究课题。

2 面板混凝土的裂缝成因

　　混凝土是由多种材料组成的、结构复杂的多相非匀质材料，在混凝土水化硬化过程中，由于骨料与水泥浆具有不同的热力学性能，它们之间的不均匀变形产生的相互约束应力导致在骨料与水泥浆界面上以及在水泥浆体中产生大量的原生微裂缝。在无应力或较小的应力作用下，混凝土原生微裂缝处于稳定状态，但在较大的应力作用下，原生微裂缝将逐渐延伸扩展直至破坏。混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，因此混凝土的开裂主要是由于混凝土中的拉应力超过了抗拉强度而引起的。

　　按产生拉应力的不同原因，面板混凝土的裂缝可分为结构裂缝和收缩裂缝。面板混凝土的结构裂缝主要是由坝体不均匀变形所引起，可通过合理设计，改进施工工艺和质量，在面板浇筑前使坝体有一段预沉降期来避免。收缩裂缝是混凝土的收缩变形受到约束产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度而引起的。混凝土的收缩主要包括温降收缩、自收缩、塑性收缩、碳化收缩和干燥收缩。

　　温降收缩主要由水泥水化热和外界气温变化引起，当温度变形受到混凝土外部约束和内部各质点间的约束产生的应力超过混凝土的抗拉强度，就会产生温度裂缝。面板混凝土厚度较薄，面积较大，较易散热，且受垫层约束较小，因此无论是水化初期水化放热升温引起的内表温差及混凝土硬化后期温度降低形成的温度应力均较小，不易形成裂缝。但面板混凝土在浇筑后不久若受寒潮侵袭，会形成较大的内外温差，此时混凝土抗拉强度较低，易形成温度裂缝。为有效防止面板混凝土的温度裂缝，一方面应减小水泥用量，使用低水化热水泥，并提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值;另一方面在施工时应采取有效的表面保温措施，减少混凝土的内外温差。

　　自收缩是由水泥水化作用引起自干燥而造成的混凝土宏观体积的减少，主要产生于水化前几天尤其是第一天。自收缩的大小主要取决于水泥品种和细度、矿物掺和料品种和细度及水胶比。低水胶比及大量细粒矿物掺和料的使用增加了混凝土的自收缩。

　　塑性收缩是指混凝土硬化前由于表面水分的蒸发速度大于混凝土的泌水速度而引起的收缩，此时混凝土强度很低，不能抵抗这种变形应力将导致开裂，混凝土基底或模板材料的干燥吸水会加剧混凝土的塑性收缩，使用收缩率较大的水泥和水泥用量过大也会增加混凝土的塑性收缩。选择好的浇筑季节，采取措施降低混凝土表面的水分蒸发率可以降低面板混凝土的塑性收缩。

　　碳化收缩是混凝土水泥浆中的Ca（OH）2 与空气中的CO2 作用生成CaCO3 而引起的表面体积收缩，碳化收缩受到结构内部未碳化混凝土的约束，将导致表面开裂。面板混凝土水胶比小，结构致密，碳化一般只限于浅表层。

　　干燥收缩是由于环境湿度降低，混凝土表层水份散失产生的体积收缩。干燥收缩是一个长期的收缩过程，其收缩速率随着干燥时间增加而急剧减小。面板混凝土表面积与体积之比很大，受干燥收缩影响很大，及时良好的养护可以推迟混凝土的干燥收缩，避免与混凝土自收缩和温度收缩叠加，减少混凝土的收缩裂缝。

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3 面板混凝土自身防裂的主要途径

　　除了外部的环境和约束条件外，混凝土自身的热力学性能和变形性能是决定面板是否开裂的主要因素。从材料角度出发，尽可能使混凝土具有高抗拉强度、低收缩、低弹模、高极限拉伸特性，对减少和抑制面板混凝土裂缝及其扩展具有重要的意义。面板混凝土自身防裂的主要途径如下:

　　（1）改善混凝土界面过渡区。通过掺加细颗粒的活性掺和料可减少界面过渡区的内泌水和孔隙，细化并减少Ca（OH）2 晶体，减少界面过渡区厚度和混凝土的原生微裂缝，提高水泥和骨料的粘结能力，提高混凝土的抗拉强度。同时优质掺和料的掺入还可以起到减水和替代水泥降低混凝土温升的作用。

　　（2）选用C2 S、C4 AF含量高的水泥。C2 S、C4 AF含量高的水泥韧性好，水化热低，干燥收缩小，后期强度高，对混凝土抗裂非常有利。

　　（3）合理选用骨料。采用中等强度、低弹模、低线膨胀系数的骨料，可以降低混凝土的弹模和热变形，洁净、级配优良的骨料可以减小混凝土用水量。人工骨料比天然骨料混凝土的抗拉强度更高。

　　（4）掺用纤维。掺加人工合成纤维可以有效防止混凝土的早期裂缝，掺加钢纤维则可以显著提高混凝土的强度和抗弯韧性，有利于防止或限制混凝土裂缝。

　　（5）复合掺用膨胀剂，使混凝土在硬化过程中产生微膨胀，补偿混凝土的体积收缩，减小干缩应力，防止收缩裂缝的发生。

　　（6）合理使用外加剂。高性能减水剂的使用可以减少水泥用量，推迟水化热峰值的出现并降低峰值，引气剂的使用可以引入大量微小气泡，消除或减小混凝土的内应力，降低混凝土弹模，同时可改善混凝土的施工和易性。

4 面板混凝土抗裂性能试验研究

　　4.1 面板混凝土性能指标要求

　　水布垭工程面板混凝土的技术要求见表1，按照DL/T5144-2001的相关规定，根据面板混凝土的强度等级及强度保证率，面板混凝土28d龄期的配制强度应不低于37.4MPa。

　　4.2 原材料

　　（1）水泥。采用葛洲坝水泥厂的42.5中热水泥，该水泥的各项性能满足GB200-2003的要求，且水化热较低，MgO含量较高（3.91%），自身体积变形试验表明，使用该水泥混凝土具有微膨胀性，对面板混凝土抗裂有利。

　　（2）粉煤灰。采用襄樊电厂粉煤灰，粉煤灰的性能试验结果表明，满足GB.T1596-2005对Ⅰ级粉煤灰的技术要求。

　　（3）外加剂。减水剂选用上海麦斯特公司SP8羧酸类高效减水剂，掺量0.5%;引气剂选用上海麦斯特公司AIR202引气剂，掺量以满足混凝土含气量4.0%～4.5%为准。试验结果表明采用SP8羧酸类缓凝高效减水剂，混凝土拌和物可在较长的 时间内（2h左右）保持良好的工作性，在1h内混凝土坍落度损失很小，低于20%。混凝土不泌水，具有良好的触变复原性，对面板混凝土的施工和防止施工裂缝有利。

　　（4）骨料。采用当地灰岩人工砂石骨料，各项性能满足DL/T5144-2001对用于水工混凝土砂石骨料的要求。砂石骨料级配优良，砂的细度模数为2.79。

　　（5）纤维。采用深圳海川工程科技有限公司提供的聚丙烯腈纤维以及由上海贝尔卡特二钢有限公司生产的RC65/35BN冷拉型钢纤维。

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　　4.3 配合比设计

　　根据水布垭工程面板混凝土的技术要求及混凝土原材料品质，通过配合比参数设计试验和试拌试验，确定了满足面板混凝土技术要求的基准配合比。基准配合比的水胶比为0.38，粉煤灰的掺量为20%，考虑面板混凝土的施工性能，采用略大于普通二级配常态混凝土的砂率和倒级配骨料，砂率为39%，中石与小石的比例为45∶55。

　　在基准配合比的基础上掺入纤维，进行纤维混凝土配合比设计试验，研究聚丙烯腈纤维的纤度和掺量及聚丙烯腈纤维和钢纤维复掺对面板混凝土性能的影响，确定满足水布垭工程面板混凝土高抗裂性能要求的配合比。

　　对于掺聚丙烯腈纤维的混凝土，在基准配合比的基础上，不调整用水量等其它配合比参数，但适当增加引气剂掺量，以满足混凝土的含气量要求。大量的聚丙烯腈纤维在混凝土中的乱向分布和支撑，虽然减小了混凝土的坍落度，但混凝土在振捣时的流动密实性却不受影响，因此毋需调整用水量。对于复掺聚丙烯腈纤维和钢纤维的混凝土，在配合比中钢纤维以等体积替代骨料。

　　试验混凝土配合比见表2，C0为基准配合比。

　　4.4 试验方法

　　混凝土的拌和、成型及养护，混凝土拌和物性能、抗压强度、抗拉强度、极限拉伸值、抗压弹模、干缩、自生体积变形、抗渗和抗冻性能试验均按DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》的有关方法进行。

　　混凝土弯曲韧性试验按中国工程建设标准化协会标准CECS13-89《钢纤维混凝土试验方法》的有关方法进行，试样尺寸550mm×150mm×150mm，试验在英国生产的刚性电液伺服材料试验机（INSTRON-1346）上进行。

　　混凝土抗裂性能试验采用平板法，通过底部表面粗糙的钢板与混凝土的直接粘结形成底部约束，比较不同养护条件下混凝土裂缝的产生情况。混凝土试板长1000mm，宽500mm，厚100mm，通过人工插捣成型，混掺钢纤维及聚丙烯腈纤维混凝土在振动台上振动成型。对混凝土进行连续观测，记录混凝土裂缝产生情况。试验环境条件为:室内气温27～31℃，室外气温29～37℃，风速0～3m/s。

　　4.5 试验结果及分析

　　（1）纤维对混凝土力学变形性能的影响。混凝土的力学变形性能见表3。掺聚丙烯腈纤维后混凝土的抗压和抗拉强度略有降低，早期（3d）降低幅度较大，28d龄期后强度与基准混凝土相近。纤维掺量越大，强度越低。但总的来说，聚丙烯腈纤维对混凝土的强度影响较小。复掺聚丙烯腈纤维和钢纤维，混凝土除3d龄期的抗压强度略有降低外，其余各龄期抗压、抗拉强度和极限拉伸值均有较大幅度提高，且抗压弹模小于基准混凝土。

　　纤度越大，纤维直径越大，在单根长度相同的情况下，单位质量的纤维根数就越少，试验使用的两种聚丙烯腈纤维长度略有差异，2.5dtex的纤维长度为24mm，6.7dtex的纤维长度为22mm，每公斤2.5dtex纤维的根数是6.7dtex纤维的2.66倍。纤维粗细对混凝土各龄期抗拉强度和早期抗压强度有一定影响，纤度较大的聚丙烯腈纤维混凝土各龄期抗拉强度及3d龄期抗压强度低于纤度较小的聚丙烯腈纤维混凝土，但两种纤维混凝土后期抗压强度相近。

　　（2）纤维对混凝土干缩的影响。混凝土的干缩试验结果见表4。掺入纤维一定程度上减小了混凝土早龄期的干缩，但对于混凝土长龄期的干缩影响不大。

　　（3）纤维对混凝土自生体积变形的影响。混凝土自生体积变形性能试验结果见表5。从表5可以看到，使用葛洲坝水泥厂的中热水泥，面板混凝土自身体积变形表现为略有膨胀。掺纤维对混凝土的自生体积变形没有影响。

　　（4）纤维对混凝土弯曲韧性的影响。混凝土的弯曲韧性试验结果见表6。

　　试验结果表明，掺聚丙烯腈纤维，混凝土早龄期（3d）的抗折强度和初裂强度均有一定程度提高，随着龄期增长，初裂强度的提高幅度降低，抗折强度甚至略有降低。说明掺聚丙烯腈纤维对改善混凝土早期韧性有一定作用，但随着混凝土强度增长，混凝土弹模增大，聚丙烯腈纤维对混凝土韧性改善作用不再明显。随着聚丙烯腈纤维掺量增加，混凝土的初裂强度和等效抗折强度提高，但同样掺量下，掺加纤度6.7dtex的纤维混凝土的抗折强度和初裂强度明显要小于纤度2.5dtex的纤维混凝土。

　　混掺钢纤维和聚丙烯腈纤维，混凝土早期和后期抗折强度都有明显提高，初裂强度早期提高较小，后期提高幅度较大，且韧度值和等效抗折强度均大幅度提高，显示出了良好的增韧作用。

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　　（5）纤维对混凝土抗裂性能的影响。混凝土抗裂性能试验结果见表7。从试验结果可以看到，单掺聚丙烯腈纤维对抑制混凝土早期塑性裂缝及干缩裂缝有非常好的效果。在3种试验条件下，单掺聚丙烯腈纤维的混凝土都未产生可见裂缝。这是因为混凝土中数量巨大而微细的聚丙烯腈纤维形成了乱向支撑体系，阻断了混凝土内部大量的毛细管通道，降低了暴露面水分的蒸发，同时有效阻碍了混凝土中的骨料离析，阻止了混凝土塑性沉降和泌水的发生，减少了混凝土的塑性收缩和干燥收缩。另外，纤维可以分散体系的内应力，阻止裂缝的扩展或使裂缝微细化，使其难以进一步扩展，起到止裂的作用，从而提高了混凝土的抗裂性。

　　不掺纤维的混凝土及混掺钢纤维及聚丙烯腈纤维的混凝土在室外湿养护期间均未产生可见裂缝，但一旦终止湿养护混凝土很快产生网状浅层裂缝。混凝土发生网状开裂的程度取决于环境干燥程度和混凝土对干燥收缩的敏感性。不掺纤维混凝土在室外不养护条件下20d左右产生网状裂缝。值得注意的是混掺钢纤维及聚丙烯腈纤维混凝土在室外不养护的条件下，在混凝土终凝以前就出现了较宽的贯穿性塑性裂缝，其后又出现较长的其他裂缝，20d后出现了网状裂缝。混掺钢纤维及聚丙烯腈纤维的混凝土发生贯穿性裂缝，可能与试板成型时沿模板缝产生较多漏浆有关。出现贯穿性裂缝的混凝土，此后极易出现其它长裂缝及网状裂缝。因此对于强度较高的面板混凝土在浇筑中必须对此引起重视，防止浇筑过程中混凝土周边出现漏浆通道引发大量漏浆情况。

　　（6）纤维对混凝土耐久性影响。掺纤维混凝土的抗冻等级均大于F200，抗渗等级均大于W12，具有良好的抗渗抗冻性能。

　　根据试验结果，确定的水布垭工程面板混凝土施工配合比如表8。

5 结论

　　（1）合理选择原材料体系，对提高混凝土抗裂性能具有重要意义。通过采用微膨胀型中热水泥、优质粉煤灰、羧酸类高效减水剂和纤维材料可以配制出高抗拉强度和极限拉伸值、低收缩、低弹模、耐久性良好的高抗裂面板混凝土。

　　（2）羧酸类高效减水剂不仅具有高效减水、缓凝、不泌水等功能。而且还有延缓混凝土坍落度损失，使混凝土在较长时间内保持良好工作性的作用，有助于提高混凝土的施工性和抗裂性，在面板混凝土工程应用中具有较强的技术优势。

　　（3）聚丙烯腈纤维能抑制混凝土早期塑性及干缩裂缝，提高混凝土早期抗弯韧性，对防止混凝土早期裂缝有明显作用。且同样掺量下，采用低纤度的聚丙烯腈纤维对混凝土的抗裂性能更有利。

　　（4）复掺钢纤维与聚丙烯腈纤维可发挥聚丙烯腈纤维早期防裂和钢纤维增强增韧，提高混凝土后期抗裂止裂能力的作用，是提高混凝土抗裂性能的有效技术措施。但复掺钢纤维与聚丙烯腈纤维混凝土的浇筑成型较困难，如混凝土浇筑不当更易形成裂缝，还需对复掺钢纤维和聚丙烯腈纤维的混凝土施工工艺进行深入研究。

　　作者简介: 董 芸，女，长江水利委员会长江科学院材料与结构研究所，高级工程师。