宮經偉，李雙喜，葛毅雄，何建新，鳳家驥

(新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊830052)

面板是混凝土面板堆石壩的防滲體，由于面板混凝土自身特點及工作條件，極易產生有害性裂縫，有害性裂縫是影響混凝土面板的耐久性和大壩安全性的重要因素［1－2］。控制混凝土早齡期裂縫的產生對控制混凝土有害裂縫的產生、發(fā)展是至關重要的［3］?；炷猎缙诹芽p主要有塑性沉降裂縫、塑性收縮裂縫、水化收縮及自身干縮裂縫［4］。因此面板混凝土不僅要有一定的強度，還要具有較強的抗裂能力和較高的抗?jié)B、抗凍融性能。大量研究表明［5－6］:提高混凝土自身抗裂能力主要是提高其抗拉強度和極限拉伸值，而優(yōu)化混凝土配比、礦物摻合料和外加劑對改善面板混凝土的早期抗裂性能以及耐久性均有較好的效果。

肯斯瓦特水利樞紐工程是流域規(guī)劃推薦的一期工程，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。樞紐工程由混凝土面板砂礫石壩、壩肩式溢洪道、泄洪沖砂洞、發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫正常蓄水位990m，最大壩高129.4m，總庫容1.88 億m3，控制灌溉面積316.30 萬畝，電站裝機容量100MW，設計年發(fā)電量2.723 億千瓦時，屬大(2)型II 等工程。本文針對該工程二期面板混凝土，在前期面板混凝土配合比研究基礎上［7］，確定粉煤灰摻量、增密劑摻量為兩個試驗因素，采用在正交試驗方案，以抗壓強度、軸向抗拉強度、極限拉伸值、抗拉彈性模量、單位面積上的總開裂面積為考核指標，對二期面板混凝土配合比展開試驗研究，使面板混凝土不僅具有較好的施工性能，還具有較強的抗裂性能及抗凍、抗?jié)B等耐久性能。優(yōu)化后的混凝土配合比在現場施工后，面板混凝土裂縫明顯減少。

1 試驗原材料

肯斯瓦特二期面板混凝土的主要技術要求見表1。試驗用原材料為:(1)水泥:選用屯河水泥股份有限公司(沙灣)產屯河P.O 42.5 水泥，其物理力學性能見表2。(2)粉煤灰:瑪納斯電廠Ⅰ級粉煤灰，需水量比95%。(3)細骨料:肯斯瓦特料場中砂，含泥量0.9%，細度模數為2.7。(4)粗骨料:肯斯瓦特料場5mm～20mm 和20mm～40mm 連續(xù)級配卵石。由試驗確定小石(5mm～20mm)與中石(20mm～40mm)質量比為45:55。(5)外加劑:高效減水劑和引氣劑采用株洲中鐵橋梁外加劑有限責任公司生產的萘系高效減水劑和引氣劑，增密劑采用武漢某公司生產的增密劑。(6)水:實驗室自來水。

表1 面板混凝土的技術要求

表2 屯河P.O42.5 水泥性能指標

2 混凝土配合比試驗方案

由前期配合比設計試驗研究成果，綜合分析可知，當水膠比取0.34 時，混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂強度等力學性能指標均達較高值，可滿足面板混凝土設計的力學性能要求，其抗?jié)B、抗凍等耐久性估計也能滿足設計要求。與國內和疆內類似混凝土相比較，該水膠比的取值是適宜的。但就混凝土抗裂性能而言，除水膠比因素外，混凝土中粉煤灰摻量、增密劑摻量等因素均有一定的影響，本研究采用正交設計方法，進一步通過試驗研究，探索規(guī)律，確定出合理的摻量，以使配制的混凝土具有較好的抗裂性能。

確定粉煤灰摻量、增密劑摻量為2 個試驗因素，根據前期試驗成果，對2 個試驗因素各選2 個水平，選擇L4(23)正交表來安排試驗方案，如表3 所示。

表3 L4(23)試驗方案

3 混凝土配合比試驗

3.1 混凝土拌合物試驗

按《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352－2006 的有關規(guī)定進行，經試拌調整后的混凝土配合比見表4?；炷涟韬衔锛夹g性能見表5。

表4 推薦配合比

表5 混凝土拌合物的技術性能

由試驗觀察到:摻入增密劑的混凝土拌合物(Ks－2 組、Ks－4 組)的黏聚性優(yōu)于摻入增密劑的混凝土拌合物(Ks－1 組、Ks－3 組)的黏聚性，混凝土拌合物中各種物料分布均勻、不泌水、不離析、結構粘度大

3.2 硬化混凝土的試驗

(1)混凝土抗壓強度試驗 按《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352－ 2006 的有關規(guī)定進行，試驗結果見表9。

(2)混凝土軸向拉伸試驗 按照《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352－2006 的有關規(guī)定進行混凝土軸向拉伸試驗，試驗結果見表9。

(3)混凝土抗裂試驗 按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》GB/T50082－2009 規(guī)定，以單位面積上的總開裂面積為考核指標，比較粉煤灰摻量和增密劑摻量對相同水膠比條件下混凝土早期抗裂性能的影響，試驗結果見表6。

表6 混凝土抗裂試驗結果

(4)混凝土抗?jié)B、抗凍性能試驗

按照《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352－2006 的有關規(guī)定進行混凝土抗?jié)B和抗凍試驗，試驗結果見表7 和表8。

表7 混凝土抗?jié)B試驗結果

表8 混凝土抗凍試驗結果

4 混凝土試驗結果分析

對混凝土正交設計試驗方案的試驗結果，以3d、7d 和28d 齡期的抗壓強度、7d 和28d 齡期軸向抗拉強度、7d 和28d 齡期極限拉伸值、7d 和28d 齡期抗拉彈性模量以及單位面積上總開裂面積等為考核指標，分別進行極差分析和方差分析。

4.1 極差分析

極差分析結果如表9 所示，由此可以得出:

(1)以抗壓強度為考核指標，粉煤灰摻量和增密劑摻量兩因素對各齡期抗壓強度都稍有影響，主次相當。其中7d 齡期抗壓強度對粉煤灰摻量較為敏感，粉煤灰摻量大，7d 齡期抗壓強度較高;3d 齡期抗壓強度隨兩摻量的增加而降低;28d 齡期抗壓強度隨兩摻量的增加而提高。3d、7d、28d 齡期抗壓強度的試驗誤差估計值分別為:0.3MPa、0.1MPa 和1.0MPa。

(2)以軸向抗拉強度為考核指標，粉煤灰摻量和增密劑摻量兩因素對各齡期軸向抗拉強度影響不大。對7d 齡期混凝土軸向抗拉強度而言:兩因素影響程度相當;隨著粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，軸向抗拉強度降低;對28d 齡期混凝土軸向抗拉強度而言:粉煤灰摻量的影響程度大于增密劑摻量的影響程度，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，軸向抗拉強度提高。7d、28d 齡期混凝土軸向抗拉強度的試驗誤差估計值分別為:0.10MPa、0.17MPa。

表9 試驗極差分析計算表

(3)以極限拉伸值為考核指標，兩因素對7d 齡期混凝土極限拉伸值的影響程度相當，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，7d 齡期混凝土極限拉伸值減小;對28d 齡期混凝土極限拉伸值而言:增密劑摻量的影響大于粉煤灰摻量的影響，隨增密劑摻量的增加，28d 齡期混凝土極限拉伸值增大，隨粉煤灰摻量的變化，28d齡期混凝土極限拉伸值變化甚微。7d、28d 齡期混凝土極限拉伸值的試驗誤差估計值分別為:11.4 ×10－6、3.65 ×10－6。

(4)以抗拉彈性模量為考核指標，兩因素對7d 齡期混凝土的抗拉彈性模量的影響程度相當，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，7d 齡期混凝土抗拉彈性模量增大;對28d 齡期混凝土抗拉彈性模量而言:增密劑摻量的影響大于粉煤灰摻量的影響，隨增密劑摻量的增加，28d 齡期混凝土抗拉彈性模量增大，隨粉煤灰摻量的變化，28d 齡期混凝土抗拉彈性模量變化不大。7d、28d 齡期混凝土抗拉彈性模量的試驗誤差估計值分別為:2.65GPa、0.25GPa。

(5)以單位面積上的總開裂面積為考核指標，粉煤灰摻量對其的影響明顯大于增密劑摻量的影響。隨粉煤灰摻量的增加，單位面積上的總開裂面積減少;是否摻加增密劑對單位面積上的總開裂面積影響甚微。單位面積上的總開裂面積的試驗誤差估計值為36mm2/mm2。

4.2 方差分析

方差分析結果見表11 所示，由方差分析結果得出:

(1)粉煤灰摻量對7d 齡期混凝土抗壓強度有特別顯著影響，摻量增大，強度提高，看不出粉煤灰摻量對其余測定的力學指標和早齡期混凝土抗裂指標有較大的影響。

(2)增密劑摻量對7d 齡期混凝土抗壓強度有特別顯著影響，摻量增大，混凝土強度下降;增密劑摻量對28d 齡期混凝土抗拉彈性模量有顯著影響，摻量增大，混凝土抗拉彈性模量增大;看不出增密劑對其余測定的力學指標和早齡期混凝土抗裂指標有較大的影響。

表10 試驗誤差表

(3)各項考核指標的試驗誤差如表10 所示，其中，各齡期抗壓強度、7d 齡期軸向抗拉強度、28d 齡期極限拉伸值、28d 齡期抗拉彈性模量等的試驗水平為優(yōu)良;28d 齡期軸向抗拉強度、7d 齡期抗拉彈性模量等的試驗水平為一般;7d 齡期極限拉伸值、單位面積上的總開裂面積的試驗水平不良。

表11 方差分析表

5 結 論

(1)4 個試驗組混凝土的抗壓強度都達到C30 強度等級的要求。其中2#(Ks－2)試驗組的28d 齡期抗壓強度值最高，達到45.4MPa。雖然該試驗組3d 齡期抗壓強度值最低，但是隨著齡期的增長，粉煤灰的火山灰作用的發(fā)揮，強度發(fā)展速率遞增較快，致使混凝土抗壓強度在28d 齡期時躍居4 個試驗組前列。

(2)4 個試驗組混凝土的28d 齡期的極限拉伸值均大于85 ×10－6。其中2#(Ks－2)試驗組的28d 齡期極限拉伸值最大，達到98.5 ×10－6。

(3)4 個試驗組混凝土的早齡期抗裂性能都很好，單位面積上的總開裂面積都＜100mm2/m2，達到L－Ⅴ等級。其中2#(Ks－2)試驗組混凝土單位面積上的總開裂面積僅為3 mm2/m2，表明該混凝土早齡期抗裂性能較好，這是摻入占膠凝材料用量的25%的粉煤灰和2%的增密劑共同作用的效果，粉煤灰的抗裂作用尤為明顯。

(4)4 個試驗組混凝土的抗?jié)B、抗凍耐久性能試驗結果都滿足混凝土面板設計技術的要求，抗?jié)B等級大于W12，抗凍等級大于F300。

(5)增密劑作用的詮釋:由試驗觀察到摻入增密劑的混凝土拌合物的黏聚性大大改善，混凝土拌合物中各種物料分布均勻、不泌水、不離析、結構粘度大，這樣的混凝土拌合物不僅便于使用溜槽輸送，而且不易發(fā)生塑性沉降開裂。試驗結果表明，增密劑具有較強的增稠作用和保水作用，這些作用減慢了混凝土內部水分蒸發(fā)速度，也阻滯了水分遷移，混凝土因失水產生塑性收縮的現象得以緩解，因此塑性收縮開裂的幾率降低;保水作用增加了水泥石毛細孔中的自由水，緩解了混凝土內部的自干燥收縮，使混凝土自生干燥裂縫得以部分抑制。

(6)推薦2#(Ks－2)試驗組配合比為現場施工配合比。

需要指出的是，早齡期混凝土各力學性能測定值波動性較大，是由于水泥水化程度低，粉煤灰二次水化作用不充分等原因造成混凝土內部結構不穩(wěn)定、不均勻，進而影響到測定數值的準確性和穩(wěn)定性;由于試驗次數少，因素水平取值甚窄，試驗誤差自由度小，一些試驗誤差偏大，所以使得F 檢驗的靈敏度很低，甚至會出現F 檢驗對因素影響判斷的失誤。所以，因結合實踐對檢驗結論作進一步的研究分析。

致謝:本文部分試驗得到了新疆水利水電科學研究院結構材料所賀傳卿所長和王懷義副所長的支持，在此，對他們一并表示感謝。

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