时变抗裂指数在评价面板混凝土防裂措施中的应用

胡一栋，王利娜，刘世隆，徐 耀，韦建溪，王少江，马锋玲

(1.青海黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.水利部水工程材料重点实验室(筹)，北京 100038)

1 概述

混凝土抗裂性研究一直是工程界极为关注的课题，一般认为宜将混凝土材料本体的抗裂性与结构混凝土抗裂性进行区分，作为两个课题分别研究。结构混凝土处于约束条件下，开裂受多种因素综合作用，部分外荷载会在混凝土中形成拉应力、混凝土水化时的自收缩和硬化时的干燥收缩收也会产生拉应力、混凝土早期水化温升后期降低会产生温度拉应力，其他情况如日常的干湿循环、温度升降等也会在某个时期在结构混凝土中形成拉应力。结构混凝土抗裂性能的综合评价已有众多探索成果，如混凝土抗裂安全系数(朱伯芳[1])、抗裂度[2]、抗裂风险系数[3]等。

混凝土材料本体的抗裂性，表示混凝土材料自身的综合抗裂能力，只与混凝土原材料及配合比有关，可以通过实验室内测试的有关混凝土性能试验结果计算出来，也是评价混凝土配合比优劣的一个重要参数。一般在不考虑混凝土结构的外部限制条件时，混凝土材料自身的抗裂性与抗拉强度、徐变成正比；与弹性模量、线膨胀系数、温升、干缩和自变变形成反比。在如何评价混凝土材料的本体抗裂性能方面，从早期的1～2个性能参数的简单评价方法，如抗拉强度、极限拉伸、线膨胀系数、自身体积变形、抗拉弹性模量、抗拉徐变、绝热温升、干缩、拉压比、抗裂度及热强比等，发展到多个性能参数的综合评价方法，也更为准确和实用，对混凝土配合比的科研工作更具指导意义，如早期抗裂指数公式(黄国兴[4])、混凝土抗裂指数(黄国兴[4])、混凝土抗裂变形指数(李光伟[5-6])、抗裂参数(曾力[7])以及基于温度-应力试验抗裂指标[8]等抗裂评价方法。

早期抗裂指数公式：

(1)

混凝土抗裂指数公式如下：

(2)

混凝土抗裂变形指数公式如下：

(3)

混凝土抗裂参数公式如下：

(4)

上述公式中，εp—极限拉伸值，×10-6；Rl—轴拉强度，MPa；E1—抗拉弹性模量，GPa；C—徐变变形，×10-6/MPa：G—自生体积变形(胀正缩负)，×10-6；a—线膨胀系数，×10-6/℃；Tr—绝热温升值，℃；εs—干缩率，×10-6。

混凝土面板属于长条薄板结构，一般宽6～16m，坝顶薄底部厚，公式为0.30+0.0033H(m)，一次滑模施工最长218m(公伯峡)。面板的三向尺寸悬殊，尤其是水平向容易产生裂缝。经过多年的工程实践，目前采取的面板混凝土防裂措施主要有：原材料优选、配合比优化、掺加功能性防裂材料、非高温季节施工、加强保温保湿养护、延长养护时间等[9-12]。功能性防裂材料一般采用0.1%体积掺量的有机纤维，如聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维，部分工程采用了钢纤维、氧化镁膨胀剂等，取得了很好的抗裂效果，但很多工程还是在早期或者几个月后产生了大量的裂缝[13-14]。

本文主要对比研究各种功能性防裂材料对不同龄期面板混凝土抗裂性能的提升效果。通过实测不同龄期面板混凝土各项性能参数，计算不同龄期混凝土的抗裂指数，综合对比评价各项防裂措施的有效性，以保证面板混凝土配合比设计的质量。

2 面板混凝土配合比

某水电站位于内陆，海拔高，具有高原气候特点。日照时间长，昼夜温差大，干燥多风，对面板混凝土的抗裂性要求较高，有必要采用合适的功能性材料提升面板混凝土的抗裂能力。该工程主坝为镶嵌混凝土面板堆石坝，最大坝高150m，底部镶嵌混凝土高60m。面板混凝土设计指标为C30W10F400，二级配，要求水胶比小于0.45，仓面坍落度控制为30～70mm。试验采用P.MH42.5中热硅酸盐水泥，F类Ⅰ级粉煤灰，萘系高效减水剂和引气剂，天然细骨料，二级配天然粗骨料。混凝土配合比计算采用绝对体积法，砂石骨料均以饱和面干状态为基准。

经优化调整后给出的面板混凝土基准配合比及原材料用量见表1。

表1 面板混凝土基准配合比

通过采用纳米材料、纤维材料、微膨胀材料、减缩剂等，可以优化混凝土孔结构，强化混凝土骨料界面，增强混凝土体积稳定性，改善混凝土水化热过程，配制抗裂耐久高性能面板混凝土。本文采用的功能性材料主要包括：

(1)纳米碳酸钙：粒径50～100nm。

(2)硅灰：粒径100～300nm。

(3)硅灰粉煤灰复掺：硅灰虽然能够有效地改善硬化水泥浆体和混凝土微结构，但是由于硅灰的比表面积较大，混凝土掺入硅灰后需水量增大，自收缩也增大。为了尽量减少硅灰带来的不利影响，可以在掺加硅灰的同时掺加粉煤灰等其它火山灰材料或其它物质，取长补短以取得更好的技术经济效果。

(4)聚丙烯纤维：为超细有机纤维材料，直径48μm，长度19mm。聚丙烯纤维是一种较低弹性模量纤维，掺入到混凝土中后，每m3内的数千万根纤维呈三维乱向分布，形成一种三维乱向支撑网，能很好地阻止在混凝土浇捣成型过程中和早期裂缝的产生，从而对混凝土的抗裂性有很好的效果。

(5)防裂抗渗复合材料：为混凝土防裂抗渗耐久防水复合材料，由纳米活性粉体材料和高分散超细有机纤维等按一定比例复配而成。

(6)微膨胀材料：氧化镁膨胀剂，是以悬浮窑制备的轻烧MgO为主要成分的膨胀材料。膨胀剂在混凝土硬化过程中使混凝土产生体积微膨胀，从而在受限条件下的混凝土中产生预压应力，有效改善混凝土的防渗抗裂能力。

(7)减缩剂：一种新型化学外加剂，主要成分是丙二醇、聚乙二醇烷基类材料，能够有效降低混凝土毛细孔溶液的表面张力，减小水分减少过程中的收缩力，从而降低了混凝土的自收缩和干燥收缩，能够控制混凝土的早期开裂。

(8)防水剂：一种高性能混凝土防水外加剂。

在面板混凝土基准配合比基础上，经过试拌，确定掺加抗裂性能提升材料后的混凝土配合比见表2。

表2 混凝土抗裂性能提升用配合比

3 掺加功能性防裂材料后面板混凝土性能试验结果

按照SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》进行面板混凝土的力学性能、变形性能等各项性能的检测，掺加功能性防裂材料后对比试验结果如下，数据见表3—7：

表5 混凝土轴压强度、轴压弹性模量试验结果

(1)掺加纳米碳酸钙材料后，混凝土抗压强度、劈拉强度、弹性模量略有增大，极限拉伸值、轴拉强度、轴压强度增大较多，混凝土干缩变形、自生体积收缩变形略有减小。

(2)掺加硅灰后，混凝土抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、轴拉强度、轴压强度均大幅增加，7天抗压强度增加50%左右，劈拉强度增加80%左右，但混凝土干缩变形、自生体积收缩变形有所增加，对混凝土抗裂又有不利影响。

(3)硅灰粉煤灰复掺后，混凝土抗压强度、劈拉强度、轴拉强度、轴压强度均有所增加，7天劈拉强度增加10%左右，各龄期极限拉伸值增大10%～30%。同时混凝土自生体积变形收缩早期略有增大，干缩变形也有增加。

(4)掺加聚丙烯纤维后，混凝土抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、轴拉强度、轴压强度变化不大，混凝土干缩变形略有减小、自生体积收缩变形后期明显减小。

(5)掺加防裂抗渗复合材料后，各龄期混凝土抗压强度及早龄期劈拉强度均增加10%以上，极限拉伸值、轴拉强度、轴压强度略有增加，混凝土干缩变形、自生体积收缩变形明显减小。

(6)掺加微膨胀材料后，自生体积变形为微膨胀，各龄期混凝土抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、轴拉强度、轴压强度均有所降低，干缩变形增加10%左右。

(7)掺加减缩剂后，早期混凝土抗压强度和劈拉强度有较大增长，极限拉伸值、轴压强度略有增加，轴拉强度略有减小。混凝土干缩变形3天后开始明显减小，随着水化反应和表面水分散失，混凝土毛细孔水分开始减少，减缩剂开始起作用，7天时减少26%，28天时减少14%，90天时减少12%。混凝土自生体积变形收缩减小，从3天的减少32%逐步缩小到90天的13%。

(8)掺加防水剂后，各龄期混凝土抗压强度、劈拉强度均有所增加，早期劈拉强度有较大增长，极限拉伸值、轴拉强度略有增加，轴压强度略有减小。混凝土早期3～28天干缩变形变大，自生体积收缩变形基本一致。

4 抗裂性能提升措施效果对比分析

前面分析了各种抗裂性能提升材料对混凝土单项性能的影响，而对各项性能的综合影响决定了混凝土是否开裂，这可以通过计算下述抗裂指数来进行评价。考虑到面板混凝土属于薄板结构，内部温升不大，底部砂浆垫层平整度要求较高，中间单层结构性配筋，因此面板混凝土所受约束较小，开裂主要受抗拉性能与失水干缩性能的影响。可以选用比较简洁的早期抗裂指数公式，本文选用如下开裂指数公式，计算的不同龄期抗裂指数见表8。同时列出了相对于基准混凝土的抗裂指数增加率，以便对比分析各种材料的抗裂效果。

(5)

表8 采用不同抗裂措施混凝土的时变抗裂指数

式中，RL—轴拉强度，MPa；εp—极限拉伸值，×10-6；EL—抗拉弹性模量，GPa；εs—干缩率，×10-6。

由表8数据分析可以得到如下试验结果：

(1)随着混凝土龄期的增长，混凝土抗裂指数总体来说是增加的，混凝土的抗裂能力逐渐增加。

(2)抗裂指数增加率表明，纳米碳酸钙、硅灰等超细材料极大地提升了混凝土的早期抗裂性，硅灰粉煤灰复掺对混凝土中期抗裂提升明显，减缩剂对混凝土早期中期抗裂都非常有利，掺防裂抗渗复合材料和聚丙烯纤维材料混凝土的各龄期的抗裂效果均有所提升，掺微膨胀材料和防水剂混凝土的后期抗裂指数有所降低。

(3)抗裂指数增加率也表明，各种功能性材料对面板混凝土后期防裂的作用有限。

因此，推荐在面板混凝土中掺加超细材料和减缩剂，有效提升早中期的抗裂性，避免早期开裂在混凝土中形成缺陷，造成后期裂缝的扩大和增多。

5 结论

(1)采用抗裂指数公式，可以更有效地评价各种功能性材料对面板混凝土抗裂能力提升效果。

(2)不同龄期的抗裂指数对比分析表明，不同功能性材料的防裂效果存在明显的差异，推荐掺加超细材料和减缩剂，可以有效提升面板混凝土抗裂性。

(3)不同功能性材料的防裂效果在不同龄期也存在明显的差异，建议采用综合性的抗裂措施，充分利用不同功能性材料在不同龄期防裂能力更具优势的特性。

(4)推荐使用合适的多参数抗裂指数公式取代单参数综合评价混凝土性能，更契合实际抗裂效果，以保证混凝土配合比设计的高质量。