張憲南

(桓仁滿(mǎn)族自治縣農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 桓仁 117200)

1 研究背景

土石壩是一種歷史悠久的大壩壩型，具有材料易獲取、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等諸多優(yōu)勢(shì)，但是也存在壩身不能直接溢流、防滲性能差等不足。因此，在土石壩建設(shè)過(guò)程中往往需要在其表面增加一層混凝土面板，防止入滲水流對(duì)大壩安全的不利影響[1]。超高性能混凝土(UHPC)水灰比相對(duì)較低，主要由硅灰、石英砂、減水劑和纖維組成，一般具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和韌性，對(duì)解決混凝土面板表層抗溶蝕問(wèn)題具有十分重要的意義，因此成為土石壩混凝土面板表面保護(hù)層的重要選擇，在混凝土面板施工中具有廣泛的應(yīng)用[2]。

由于UHPC混凝土含有較高比例的膠凝成分，且水灰比較低，因此和普通混凝土相比具有更大的自收縮比[3]。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的理論和實(shí)踐探索，并提出了一系列改善UHPC自收縮性的方式，就目前的研究成果來(lái)看，主要是在混凝土中添加膨脹劑、減縮劑、纖維等方式[4]。但是，就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，并沒(méi)有針對(duì)上述3種材料在控制混凝土自收縮效果方面的橫向比較?；诖耍舜窝芯恳陨鲜?種材料的摻量為主要變量展開(kāi)試驗(yàn)研究，以期為UHPC混凝土在土石壩面板施工中的應(yīng)用提供必要的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

在面板混凝土施工過(guò)程中適宜采用水化熱較低、活性較高的水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。此次研究中選用的是大連市水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積大于360m2/kg，初凝時(shí)間150min、終凝時(shí)間為210min，28d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為49.0和9.2MPa。

為提高面板混凝土在施工過(guò)程中的和易性，減少施工過(guò)程中水化熱的釋放，在拌合料中摻入一定量的粉煤灰和硅灰。試驗(yàn)中選擇的是大連華能熱電廠生產(chǎn)的國(guó)家II級(jí)粉煤灰，其燒失量不大于8%。蓄水比不大于105%，相關(guān)指標(biāo)滿(mǎn)足國(guó)家要求；試驗(yàn)中的硅灰為河北科旭公司出品的微硅灰，其容重為1600kg/m3。

試驗(yàn)中使用的細(xì)骨料為普通天然河沙，其細(xì)度模數(shù)在2.60～2.80之間，粗骨料為人工石英砂巖碎石，其表觀密度為2550kg/m3，粒徑范圍為5～15mm。

試驗(yàn)用外加劑為大連建筑科學(xué)院研制的DK-5型低引氣高效復(fù)合減水劑，可以有效減水15%～18%，同時(shí)還具有一定的超塑化性能，可以顯著改善碾壓混凝土的和易性；試驗(yàn)用膨脹劑為新一代HCSA膨脹劑；試驗(yàn)用減縮劑為蘇博特公司生產(chǎn)的 SBT-SRA聚醚類(lèi)混凝土減縮劑；試驗(yàn)用纖維為天津東方建材有限公司出品的聚丙烯纖維。

試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中以相關(guān)施工規(guī)范為依據(jù)，同時(shí)參照土石壩混凝土面板的施工的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)碾壓混凝土的配合比[6]。其中，水泥用量為997 kg/m3、粉煤灰用量為95 kg/m3、硅灰用量為105 kg/m3、用水量為191 kg/m3、水膠比為0.22、用砂量為700 kg/m3、骨料為1020kg/m3、減水劑摻量為1.8%。為了試驗(yàn)不同的纖維、膨脹劑和減縮劑摻量對(duì)混凝土自收縮性能的影響，結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)和成果，設(shè)計(jì)1%、2%、2.5% 3種不同的聚丙烯纖維摻量；2%、2.5%、3%等3種不同的減縮劑摻量以及6%、8%、10%等3種不同的膨脹劑摻量，將沒(méi)有摻加抗自收縮材料的混凝土作為對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.3 試件的制作

根據(jù)研究的需要，試件制作選擇25mm×25mm×300mm的模具尺寸?；炷敛牧鲜褂肏JL60型強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌成型，裝模后利用ZW-5型平板振動(dòng)器振實(shí)。由于試件在制作和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，會(huì)不可避免的產(chǎn)生一些損傷。為了最大限度減少這些客觀因素的影響，試件制作必須嚴(yán)格按照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的要求開(kāi)展?；炷恋陌柚菩枰谑覂?nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度控制在15～25℃之間[7]。在拌制過(guò)程中，首先加入水泥和粉煤灰和聚丙烯纖維攪拌2min，然后加入粗骨料和細(xì)骨料，然后再攪拌2min，最后加入其他添加劑和水?dāng)嚢?min完成。在試件裝模之前首先需要將模具內(nèi)部擦拭干凈，并均勻涂刷一層有機(jī)脫模劑。然后將模具放在振搗臺(tái)的工作面上，并將拌制好的混凝土裝入模具，然后在其表面放置壓重塊并振搗成型，在用灰刀將表面抹平。在試件成型之后在靜置24h脫模，然后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期[8]。

2.4 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)研究利用干燥收縮值來(lái)表征混凝土的自收縮特征。在試驗(yàn)過(guò)程中每組取3個(gè)試件，利用比長(zhǎng)儀對(duì)試件的干燥收縮進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)首先對(duì)脫模之后的試件長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，將其作為試驗(yàn)的初始長(zhǎng)度，然后分別測(cè)量3、7、14、28和56d齡期的試件長(zhǎng)度，將所有3個(gè)試件長(zhǎng)度的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取不同齡期的干縮率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 纖維摻量

對(duì)1%、2%、2.5% 3種不同的聚丙烯纖維摻量的試件進(jìn)行干縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得不同纖維含量、不同齡期的試件干燥收縮率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同纖維摻量干縮率隨齡期變化曲線(xiàn)

由圖1可知，試件的干縮率隨著齡期迅速增大之后趨于穩(wěn)定；摻加聚丙烯纖維的混凝土干縮率較對(duì)照組明顯降低，說(shuō)明摻加纖維對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果。從不同摻加量的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，纖維摻量對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率的效果存在明顯影響。從56d試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)纖維摻量分別為1%、2%、2.5%時(shí)，其干縮率分別為644、490、485 μm/m，與對(duì)照組的723 μm/m相比分別減小了10.9%、32.2%和32.9%。由此可見(jiàn)，當(dāng)纖維摻量較小時(shí)，增加纖維摻量可以明顯提升其降低干縮率的效果，當(dāng)纖維摻量較大時(shí)，再增加纖維摻量其作用效果并不明顯。因此，從控制干縮率的效果來(lái)看，聚丙烯纖維的摻量應(yīng)該以2%為宜。

3.2 減縮劑摻量

對(duì)2%、2.5%、3% 3種不同的減縮劑纖維摻量的試件進(jìn)行干縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得不同減縮劑摻量、不同齡期的試件干燥收縮率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，與摻加纖維類(lèi)似，試件的干縮率隨著齡期迅速增大之后趨于穩(wěn)定；摻加減縮劑的混凝土干縮率較對(duì)照組明顯降低，說(shuō)明減縮劑對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果。從不同摻加量的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，減縮劑的摻量

圖2 不同減縮劑摻量干縮率隨齡期變化曲線(xiàn)

對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率效果也存在明顯影響。從56d齡期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)纖維摻量分別為2%、2.5%、3%時(shí)，其干縮率分別為305、223、219μm/m，與對(duì)照組的723μm/m相比分別減小了57.8%、69.2%和69.7%。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加減縮劑摻量可以獲得更好的干縮率控制效果，大幅增加減縮劑摻量的效果較為有限?；诖耍瑴p縮劑的最佳摻量應(yīng)該在2.5%左右。

3.3 膨脹劑摻量

對(duì)6%、8%、10% 3種不同的膨脹劑摻量的試件進(jìn)行干縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得不同膨脹劑摻量、不同齡期的試件干燥收縮率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同膨脹劑摻量干縮率隨齡期變化曲線(xiàn)

由圖3可知，在不同膨脹劑摻量條件下，試件的干縮率先迅速減小，后迅速增加并逐漸趨于穩(wěn)定。摻加膨脹劑的混凝土干縮率較對(duì)照組明顯降低，說(shuō)明膨脹劑對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果。當(dāng)膨脹劑摻量為6%時(shí)，其干縮率分別為25μm/m，與對(duì)照組相比減小了96.5%，而膨脹劑摻量為8%和10%時(shí)混凝土表現(xiàn)為膨脹，特別是膨脹劑的摻量在10%的情況下，56d齡期混凝土?xí)a(chǎn)生217μm/m的膨脹。由此可見(jiàn)，摻入一定量的膨脹劑可以有效抵消混凝土的干縮變形。由此可見(jiàn)，在抑制混凝土干縮變形方面，膨脹劑的作用最大，其次是減縮劑，最后是聚丙烯纖維。當(dāng)然，膨脹劑會(huì)使UHPC產(chǎn)生膨脹，可能對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此其最佳摻量還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了纖維、減縮劑和膨脹劑對(duì)土石壩面板UHPC混凝土干縮性的影響，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)摻加纖維和減縮劑對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率有明顯的效果，最佳摻量分別為2%和2.5%。

(2)摻加膨脹劑對(duì)降低UHPC混凝土的干縮率的效果最明顯，當(dāng)摻量大于8%是可以使混凝土產(chǎn)生一定的膨脹。

(3)膨脹劑會(huì)使UHPC產(chǎn)生膨脹，可能對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此其最佳摻量還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。