翟　超，唐新軍

(1.新疆水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

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水膠比和粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土塑性開(kāi)裂的影響

翟超1，唐新軍2

(1.新疆水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：高性能混凝土在面板堆石壩混凝土面板中應(yīng)用日益廣泛，選取適宜的水膠比和粉煤灰摻量是提高面板高性能混凝土抗裂性能的有效途徑。通過(guò)早期抗裂試驗(yàn)，研究了水膠比和粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土塑性開(kāi)裂的影響。結(jié)果表明：影響甘河子面板高性能混凝土單位面積總開(kāi)裂面積的因素主次順序?yàn)椋核z比(A)→粉煤灰摻量(B)；水膠比對(duì)單位面積總開(kāi)裂面積有一定影響，粉煤灰摻量對(duì)單位面積總開(kāi)裂面積影響不顯著。選取水膠比為0.37，粉煤灰摻量為30%作為推薦配合比，早期抗裂等級(jí)為Ⅳ，抗裂等級(jí)較好。低水膠比不利于高性能混凝土抵抗塑性開(kāi)裂，面板混凝土應(yīng)通過(guò)早期抗裂試驗(yàn)完成配合比優(yōu)選。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；塑性開(kāi)裂；早期抗裂試驗(yàn)；正交試驗(yàn)

混凝土面板堆石壩具有工程量小、施工便利、安全性能佳、工期短等優(yōu)點(diǎn)，已成為許多工程首選的壩型[1-3]。對(duì)于混凝土面板堆石壩，影響工程質(zhì)量及大壩安全的關(guān)鍵問(wèn)題就是面板混凝土裂縫，如何防止和減少面板混凝土裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土面板抗裂性，是混凝土面板堆石壩建設(shè)中的一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題[4]。目前已有的工程實(shí)踐和研究表明，通過(guò)早期及時(shí)養(yǎng)護(hù)方式(混凝土收漿后在表面及時(shí)覆蓋養(yǎng)護(hù))，對(duì)防裂有很好的效果[5-7]，但是從混凝土配合比角度研究材料自身抗裂性能的數(shù)據(jù)較少。本文以甘河子水庫(kù)面板高性能混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)早期抗裂試驗(yàn)，研究水膠比和粉煤灰摻量對(duì)面板高性能混凝土塑性開(kāi)裂的影響。

1　試驗(yàn)材料

(1)水泥：新疆青松水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

(2)粉煤灰：新疆誠(chéng)和偉業(yè)有限公司的Ⅱ級(jí)粉煤灰，技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表3。

(4)外加劑：新疆格輝科技有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑。

(5)骨料：粗骨料為新疆甘河子水庫(kù)砂石料場(chǎng)的卵石，最大粒徑31.5 mm，經(jīng)水洗后含泥量為0.2%，細(xì)骨料為新疆甘河子水庫(kù)砂石料場(chǎng)的砂，細(xì)度模數(shù)3.3，經(jīng)水洗后含泥量為0.3%，試驗(yàn)用砂剔除>5 mm的顆粒。

(6)水：實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

表1　青松42.5R普通硅酸鹽水泥各項(xiàng)物理性能指標(biāo)

表2　青松42.5R普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分及熟料礦物成分　單位：%

表3　粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

2　試驗(yàn)方法及配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)甘河子面板混凝土技術(shù)指標(biāo)的分析，按照高性能混凝土的配置要求，選取三個(gè)水膠比，分別是0.40、0.37、0.34；選取三個(gè)粉煤灰的摻量為：20%、30%、40%，按正交設(shè)計(jì)方案(L9(34))進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)。試拌調(diào)整(各組混凝土拌合物的坍落度、含氣量指標(biāo)應(yīng)控制一致)后的各組配合比混凝土進(jìn)行技術(shù)性能測(cè)定，其中早期抗裂試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8](GB/T50082-2009)中規(guī)定的方法進(jìn)行，并且按照《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[9](GB50164-2011)中對(duì)混凝土早期抗裂性能等級(jí)劃分的規(guī)定(見(jiàn)表4)，評(píng)定混凝土早期抗裂性能的等級(jí)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)選出抗裂性能好的、各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)(強(qiáng)度等級(jí)C25，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W12)均能滿足工程技術(shù)要求的混凝土配合比作為推薦的設(shè)計(jì)配合比。9組配合比按混凝土早期抗裂試驗(yàn)方法澆筑成型，于24 h觀測(cè)試件表面裂縫開(kāi)展情況。甘河子水庫(kù)面板高性能混凝土配合比見(jiàn)表5。

表4　混凝土早期抗裂性能等級(jí)劃分

表5　甘河子面板高性能混凝土配合比

注：9組配合比混凝土抗?jié)B等級(jí)全部達(dá)到W12，抗凍等級(jí)全部達(dá)到F200。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)配合比極差分析

由表6、表7可以得出：?jiǎn)挝幻娣e總開(kāi)裂面積按極差大小排列的因素主次順序?yàn)椋核z比(A)→粉煤灰摻量(B)。為使單位面積總開(kāi)裂達(dá)到最優(yōu)值，各因素最佳水平是：水膠比為0.37，粉煤灰摻量為30%。

為了更加直觀地研究水膠比、粉煤灰摻量對(duì)甘河子面板混凝土早期的抗裂性能的影響，依據(jù)表6的數(shù)據(jù)繪制單位面積總開(kāi)裂面積與各因素不同水平的關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖1、圖2。

表6　甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果

注：空列1和空列2為誤差列，C1表示為空列1(誤差列)的一個(gè)水平，只是一個(gè)字符，無(wú)特定表示。同理C2、C3、D1、D2、D3。

表7　甘河子面板總性能混凝土早期抗裂試驗(yàn)極差分析

注：K-水膠比，K1=0.34,K2=0.37,K3=0.40;X-粉煤灰摻量,X1=20%，X2=30%，X4=40%；C-空列1誤差;D-空列2誤差。

圖1甘河子面板混凝土單位面積總開(kāi)裂面積與水膠比三個(gè)水平關(guān)系曲線

圖2甘河子面板混凝土單位面積總開(kāi)裂面積與粉煤灰摻量三個(gè)水平關(guān)系曲線

由甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗(yàn)單位面積總開(kāi)裂面積與各因素不同水平的關(guān)系曲線圖(圖1、圖2)可以看出：?jiǎn)挝幻娣e總開(kāi)裂面積隨著水膠比和粉煤灰摻量的增加均是先減小后增大。

由本次試驗(yàn)可知，低水灰比對(duì)混凝土抗裂性能是不利的。水灰比越低，膠凝材料用量越多，混凝土內(nèi)部越密實(shí)，大量泌水通道被堵塞，混凝土內(nèi)部水分無(wú)法通過(guò)泌水通道補(bǔ)給表層混凝土，加速表層混凝土塑性收縮。同時(shí)，混凝土早期水化加快，早期的強(qiáng)度、彈性模量迅速增長(zhǎng)，混凝土沒(méi)有足夠的形變來(lái)抵消塑性收縮應(yīng)力，局部硬化的混凝土起到約束的作用，當(dāng)約束應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，易發(fā)生塑性開(kāi)裂。

3.2試驗(yàn)配合比方差分析

依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中正交合計(jì)的方差分析法，對(duì)表6中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，計(jì)算出不同因素水平的偏差平方和、自由度、方差以及顯著性檢驗(yàn)指標(biāo)F，將F與其臨界值比較，確定各因素對(duì)混凝土早期抗裂性能影響的顯著性大小，分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果方差分析

注：F2,4(0.05)=6.94，F(xiàn)2,4(0.01)=18.0，F(xiàn)2,4(0.10)=4.32。

由表7甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果方差分析可以看出：水膠比對(duì)單位面積總開(kāi)裂面積有一定影響，粉煤灰摻量對(duì)單位面積總開(kāi)裂面積影響不顯著。

3.3推薦配合比

選取單位面積總開(kāi)裂面積最小的因素水平組合作為面板高性能混凝土配合比，即選擇水膠比為0.37，粉煤灰摻量為30%這一組合。此配合比的單位面積總開(kāi)裂面積是136.50 mm2/m2，按混凝土早期抗裂性能等級(jí)劃分，屬于Ⅳ級(jí)，抗裂性能較好(見(jiàn)表9)。同時(shí)此配合比強(qiáng)度等級(jí)、抗?jié)B等級(jí)、抗凍等級(jí)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表9　面板高性能混凝土推薦配合比

4　結(jié)　論

(1)甘河子面板高性能混凝土單位面積總開(kāi)裂面積按極差大小排列的因素主次順序?yàn)椋核z比(A)→粉煤灰摻量(B)。由方差分析可以看出：水膠比對(duì)單位面積總開(kāi)裂面積有一定影響，粉煤灰摻量對(duì)單位面積總開(kāi)裂面積影響不顯著。

(2)甘河子面板高性能混凝土單位面積總開(kāi)裂面積隨著水膠比和粉煤灰摻量的增加均是先減小后增大。選取水膠比為0.37，粉煤灰摻量為30%這一組合(A2B2)時(shí)可以獲得最小的單位面積總開(kāi)裂面積，且作為推薦配合比。按混凝土早期抗裂性能等級(jí)劃分，此配合比的單位面積總開(kāi)裂面積是136.50 mm2/m2在100≤c<400這個(gè)范圍，屬于Ⅳ，抗裂等級(jí)較好。

(3)低水膠比不利于高性能混凝土抵抗塑性開(kāi)裂。面板混凝土應(yīng)通過(guò)早期抗裂試驗(yàn)完成配合比優(yōu)選。

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TheEffectsofWater-cementRatioandFlyAshContentonthePlasticCrackingofHighPerformanceConcrete

ZHAI Chao1,TANG Xin-jun2

(1.XinjiangGeneralStationofWaterConservationManagement,Urumqi,Xinjiang830000,China;2.CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Abstract：High performance concrete is widely applied in the concrete slabs of concrete face rock fill dams,selecting the suitable proportion of fly ash and water-cement ratio is a effective way to improve crack resistance of high performance concrete slabs.Through the early crack resistance test,the proportion of fly ash and water-cement ratio on the impact of high performance concrete plastic cracking were studied .Results indicate that the influencing factors that affects the total cracking area per unit area of high performance concrete slabs in Ganhezi reservoir dam are sequenced as follows：water-cement ratio (A)→ fly ash (B);water-cement ratio has certain impact on the total cracking area per unit area,whereas the fly-ash content has little.The selection of water-cement ratio of 0.37 fly ash content of 30% is the recommended mixture ratio,which has better crack resistance level with the early crack resistance level of grade Ⅳ.Low water-cement ratio affects plastic cracking resistance of high performance concrete,so the early crack resistance test should be conducted on slab concrete for selecting the optimal mixture ratio.

Keywords：high performance concrete;plastic cracking;early crack resistance test;orthogonal test

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.028

中圖分類號(hào)：TV641.4+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0141—04

作者簡(jiǎn)介：翟超(1986—)，男，新疆奇臺(tái)人，碩士，主要從事水工混凝土材料方面的研究工作。通訊作者：唐新軍(1959—)，男，陜西蒲城人，博士，教授，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程方面的教學(xué)及科研工作。

基金項(xiàng)目：新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目資助(xjzdxk-2009-10-05)

收稿日期：2014-08-21修稿日期：2014-09-30