金川水电站面板混凝土早期开裂试验研究

张 勇，孙宇飞

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710043）

0 引言

在水工建筑物中，混凝土面板不同于一般大体积混凝土结构，属条形超薄板状，其最大厚度仅为混凝土面板堆石坝坝高的1/50～1/200，且长、宽、厚三向尺寸相差悬殊，极易产生早期裂缝[1]。影响混凝土面板早期开裂的因素有很多，除了受温度、湿度、养护条件等影响外，还与水泥、掺和料、外加剂、骨料等原材料品质密切相关。从材料角度来看，目前预防混凝土面板早期开裂的主要方法是减小混凝土收缩，提高混凝土抗拉强度，采取的具体措施有掺膨胀剂补偿收缩，掺纤维增强，掺减缩剂抑制收缩等[2]。

金川水电站为大渡河干流水电开发规划22级方案的第6个梯级电站，挡水建筑物为面板堆石坝，最大坝高111.5 m。本试验从混凝土原材料入手，研究了采用人工中砂、人工粗砂、天然砂，以及掺入纤维时，对混凝土抗拉强度和收缩的影响。并采用CECS 38—2004《纤维混凝土结构技术规程》附录D推荐的平板法，对混凝土的抗裂性进行研究。

1 平板法试验方法

试验装置如图1所示，试模尺寸为600 mm×600 mm×63 mm，边框内设φ6间距60 mm的双排栓钉提供约束，栓钉长度分别为50 mm和100 mm，间隔布置。底板采用5 mm厚钢板，并铺设一层塑料薄膜以减少其对混凝土的约束。试件浇注、振实、抹平后，用塑料薄膜覆盖2 h，之后取下薄膜，以0.5 m/s的风速吹混凝土表面，环境温度20±2℃，相对湿度不大于60%。24 h后观察裂缝数量、长度和宽度。

2 试验原材料及配合比

图1 平板法试验模具示意 （单位：mm）

试验用水泥为拉法基普通42.5R硅酸盐水泥；粉煤灰为江油III级灰；细骨料有三种，分别为：细度模数为2.7的石家沟料场人工中砂，细度模数为3.1的石家沟料场人工粗砂，细度模数为2.3的得胜村料场天然砂；粗骨料为5～20 mm和20～40 mm的石家沟料场砂岩碎石；减水剂采用浙江龙游外加剂公司生产的ZB-1A缓凝高效减水剂，掺量为0.7%；引气剂采用石家庄外加剂厂生产的DH9引气剂，掺量为0.004%；纤维采用四川华神化学建材有限公司生产的聚丙烯纤维。试验配合比及拌和物性能见表1。其中J1号配合比为基准配合比。

3 试验结果与分析

混凝土的力学性能及收缩率试验结果见表2。从表2可知，采用人工粗砂的混凝土力学性能和收缩率与基准混凝土基本相当；采用天然砂的混凝土抗压强度比基准混凝土略低，弹性模量、极限拉伸值和抗拉强度没有明显差别，但收缩率降低了约20%。掺入聚丙烯纤维的混凝土抗压强度比基准混凝土提高5%～7%，抗拉强度也略有提高，收缩率差别不明显。有些观点认为，采用粗砂拌制混凝土可以减少收缩，从而起到减少开裂的作用，但笔者认为，采用粗砂并不是减少收缩的根本原因，根本原因应该是混凝土用水量对其收缩有直接影响。本次试验中，采用人工粗砂的混凝土与采用人工中砂的混凝土相比，用水量基本相当，收缩率没有明显的差异；而采用天然砂代替人工砂后，由于用水量降低，混凝土的收缩率也随之减小。

混凝土的早期开裂试验结果见表3。由表3可知，相对于基准混凝土而言，采用天然砂替代人工砂，或者掺入聚丙烯纤维，均可以起到良好的抑制早期开裂的作用；但采用人工粗砂时，裂缝降低系数只有0.37，可以认为没有起到抑制开裂的作用。其原因分析如下：

表2 混凝土力学性能与收缩率试验结果

表3 平板法混凝土早期开裂试验结果

（1）采用天然砂代替人工中砂时，降低了混凝土用水量，从而减少了混凝土中毛细孔的数量，降低了混凝土的收缩率，起到减少早期开裂的效果。

（2）采用人工粗砂代替人工中砂时，并没有降低混凝土的收缩率，而且混凝土的抗拉强度和极限拉伸值也没有显著提高，因此在试验中没有明显的抑制开裂的效果。

（3）掺入聚丙烯纤维后，对抑制早期裂缝起到了良好的作用。聚丙烯纤维的作用有抑制收缩和抗裂两个方面。抑制收缩作用是指由于聚丙烯纤维的掺入，在混凝土内部形成了复杂的三维乱向体系，不仅可以有效抑制骨料下沉，约束各种塑性变形，提高混凝土的匀质性，减少其固有缺陷，而且可以阻隔水分溢出的通道，减少或延缓水分的散失，减小收缩。抗裂作用是指三维乱向分布的纤维体系可以有效阻止混凝土内部微裂缝的发展，当微裂缝的长度大于纤维的间距时，纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用，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，裂缝的进一步扩展受到约束；当微裂缝的长度小于纤维间距时，纤维将迫使其改变方向或跨越纤维形成更微细的裂缝场，不仅细化了裂缝，而且微裂缝扩展的能量消耗显著增大[3]。

表1 混凝土配合比及拌和物性能

4 结论

（1）使用人工粗砂拌制混凝土，对改善混凝土的早期开裂性能影响不显著。

（2）使用天然砂代替人工砂，可降低混凝土的收缩率，从而减少混凝土的早期裂缝数量。

（3）掺入聚丙烯纤维具有抑制混凝土收缩和抗裂两方面的作用。二者的综合作用，使聚丙烯纤维混凝土具有显著的抵抗早期裂缝的能力。

［1］ 刘数华，曾力.面板混凝土的抗裂性能研究［J］.人民长江，2003（4）:34-35.

［2］ 张建峰，等.纤维对混凝土早期塑性开裂的影响［J］.混凝土，2010（7）:76-78.

［3］ 张佚伦，等.聚丙烯纤维混凝土早期收缩性能试验研究［J］.新型建筑材料， 2006（1）:25-28.