宋 超 張 暉 鐘 翔 李北星

（1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430070）

1 引言

棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)橹骺? 038 m單吊跨懸索橋，橋跨布置為340 m＋1 038 m＋305 m。北錨碇為重力式嵌巖錨，由錨塊、散索鞍支墩及基礎(chǔ)等組成，其中支墩基礎(chǔ)尺寸為60.0m×24.1m×6.6m，支墩尺寸為13.4 m×13.1 m×16.2 m，錨塊尺寸為60.0 m×35.357 m×33.064 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30（抗?jié)B等級(jí)P12），均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土屬于易開裂結(jié)構(gòu)，開裂主因是混凝土內(nèi)部水化熱溫升過高引起的溫度應(yīng)力過大［1-3］，同時(shí)也與混凝土硬化早期收縮變形過大有關(guān)［4-6］。錨碇絕大部分埋于巖土當(dāng)中，長(zhǎng)期接觸地下水或巖隙水，這對(duì)錨碇部位的混凝土提出了較高的抗?jié)B耐久性要求，而混凝土的開裂將加速其耐久性劣化進(jìn)程［7-8］。因此，錨碇大體積混凝土的抗裂防滲問題一直是工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。

錨碇抗裂防滲大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)除工作性和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和施工要求外，還應(yīng)具有低水化熱、高抗?jié)B性、良好的體積穩(wěn)定性與較強(qiáng)的抗化學(xué)侵蝕性能。為提高錨碇大體積混凝土的抗裂與防滲性能，棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋錨碇大體積混凝土配制不僅采用了大摻量礦物摻合料與緩凝減水劑復(fù)摻的技術(shù)思路，也采用了一些外摻料和纖維對(duì)其進(jìn)行改性。本文著重對(duì)抗?jié)B劑和膨脹劑兩種外摻料、聚丙烯纖維及其復(fù)合對(duì)錨碇大摻量礦物摻合料混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度、早期塑性收縮開裂、干縮性能、抗?jié)B性及氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)方法與原材料

2.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：湖北黃岡亞東洋房牌P.O42.5水泥，抗壓強(qiáng)度3 d為26.0 MPa，28 d為50.9 MPa。

（2）粉煤灰：江蘇國(guó)信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，45μm篩余 6.4%，需水量比90%，燒失量3.12%，28 d膠砂活性指數(shù)82%。

（3）礦粉：九江中冶環(huán)保資源開發(fā)有限責(zé)任公司S95礦粉，比表面積425 m2/kg，流動(dòng)度比102%，燒失量2.31%，7 d、28 d膠砂活性指數(shù)分別為80%、97%。

（4）碎石：江西德安宏發(fā)石灰?guī)r碎石，5～31.5mm連續(xù)級(jí)配，4.75～9.5mm、9.5～19mm與19～31.5 mm碎石按2∶5∶3搭配，壓碎值17.9%，針片狀顆粒含量2.7%，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%。

（5）砂：湖北浠水巴河砂，Ⅱ區(qū)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.82，含泥量1.1%，泥塊含量0.2%。

（6）減水劑：武漢東彭科技發(fā)展有限責(zé)任公司W(wǎng)LH-131緩凝型聚羧酸高性能減水劑，固含量24.2%，pH值6.3，減水率26%。

（7）抗?jié)B劑：武漢浩盛特種建材有限責(zé)任公司KS-I型抗?jié)B劑（粉劑），按JC 474-2008標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的滲透高度比為22.3%，吸水量比（48 h）為53.0%。

（8）膨脹劑：湖北諾克雷新型建材有限公司UEA-I型膨脹劑。

（9）聚丙烯纖維：湖北諾克雷新型建材有限公司聚丙烯單絲纖維，密度0.91 g/cm3，長(zhǎng)度12.3 mm，直徑17.5μm。

（10）拌和用水：自來水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

表1為設(shè)計(jì)的錨碇6組大摻量礦物摻合料C30混凝土配合比。各組混凝土的膠凝材料用量固定為370 kg/m3，其中的粉煤灰、礦粉、抗?jié)B劑、膨脹劑等礦物摻合料或外摻料的總摻量為55%（均為內(nèi)摻），水膠比均為0.39。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)方法

（1）混凝土坍落度及擴(kuò)展度：依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）進(jìn)行。

（2）混凝土抗壓強(qiáng)度：依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）進(jìn)行。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

（3）混凝土塑性收縮開裂試驗(yàn)：依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）的刀口約束法進(jìn)行。平面薄板型模具尺寸為800 mm×600 mm×100 mm。試驗(yàn)在溫度為（25±2）℃、相對(duì)濕度為（60±5）%的恒溫恒濕室中進(jìn)行，試件表面風(fēng)速為（5±0.5）m/s。以試件表面24 h的裂縫數(shù)目、寬度、長(zhǎng)度的測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土每條裂縫的平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)目和單位面積上的總開裂面積。

（4）混凝土干燥收縮：依據(jù) GB/T 50082-2009中的接觸法收縮試驗(yàn)來測(cè)定。試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后開始干縮試驗(yàn)，干縮室溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%。

（5）混凝土抗壓力水滲透性：依據(jù)GB/T 50082-2009中抗水滲透試驗(yàn)逐級(jí)加壓法進(jìn)行。試件為上口內(nèi)徑175 mm、下口內(nèi)徑185 mm、高度150 mm的圓臺(tái)體，每組6個(gè)試件。水壓從0.1 MPa開始，每隔8 h增加水壓0.1 MPa，加壓到1.3 MPa且保持壓力8 h后，各組的混凝土表面均沒有滲水，表明各混凝土抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的P12以上。為比較不同配合比混凝土的抗?jié)B性能，將各組試件放在壓力機(jī)上沿圓臺(tái)面中線將試件劈裂開，測(cè)定其內(nèi)部滲水高度。

（6）混凝土抗氯離子滲透性：依據(jù) GB/T 50082-2009中RCM法抗氯離子滲透試驗(yàn)測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)。試件尺寸為φ100 mm×50 mm，養(yǎng)護(hù)齡期分別為28 d、56 d，測(cè)試儀器為RCM-D型全自動(dòng)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定儀。

3 試驗(yàn)結(jié)論與討論

3.1 聚丙烯纖維與外摻料對(duì)混凝土工作性與抗壓強(qiáng)度的影響

由表1可以看出，在相同外加劑用量下，各組混凝土拌合物的坍落度在185～210 mm，擴(kuò)展度在450～500 mm范圍波動(dòng)。相比而言，摻加抗?jié)B劑對(duì)混凝土的流動(dòng)性影響小，而摻加膨脹劑或聚丙烯纖維均會(huì)略微降低混凝土的流動(dòng)性。

圖1為各組混凝土試件7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。與空白樣C0相比，外摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高了6.8%，內(nèi)摻6%抗?jié)B劑、8%膨脹劑的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度降低了13.2%、5.9%；抗?jié)B劑、膨脹劑分別與聚丙烯纖維復(fù)摻后，混凝土抗壓強(qiáng)度的下降有所減弱。聚丙烯纖維在混凝土中呈均勻錯(cuò)亂分布，有利于防止混凝土離析，提高混凝土的勻質(zhì)性，并阻止原生裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高抗壓強(qiáng)度［9-10］；抗?jié)B劑、膨脹劑在本試驗(yàn)中采用的是替代粉煤灰、礦粉的方式摻入，二者活性不如粉煤灰和礦粉，對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定的負(fù)面影響，尤其是抗?jié)B劑，但所有6組配比混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均滿足C30混凝土的配制強(qiáng)度要求（≥38.2 MPa）。

圖1 混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度

3.2 聚丙烯纖維與外摻料對(duì)混凝土早期塑性收縮開裂的影響

表2為6組混凝土的早期塑性開裂結(jié)果?？梢钥闯觯鈸骄郾├w維、內(nèi)摻抗?jié)B劑或膨脹劑均改善了混凝土早期抗塑性收縮開裂性能。其中，聚丙烯纖維的改善效果最為顯著，與空白樣C0相比，最大裂縫寬度降低了70.2%，單位面積上的總開裂面積降低了69.1%，表明聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期塑性收縮開裂性能的改善作用除了細(xì)化裂縫外，還可以阻止混凝土中原生裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展。相較于聚丙烯纖維，抗?jié)B劑、膨脹劑抑制混凝土塑性收縮開裂的能力相對(duì)有限。聚丙烯纖維對(duì)混凝土塑性收縮開裂的改善，一方面是由于存在于混凝土表層的纖維阻止了表面水分的遷移，從而降低了毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力；另一方面是纖維在混凝土中形成了均勻的三維亂向分布，纖維與水泥漿之間存在界面吸附粘結(jié)力、機(jī)械咬合力等，有效削弱了塑性收縮，收縮應(yīng)力和能量被分散到每立方米混凝土數(shù)千萬條具有高抗拉強(qiáng)度而彈性模量相對(duì)較低的纖維單絲上，增強(qiáng)了塑性抗拉強(qiáng)度，抑制了微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

與抗?jié)B劑或膨脹劑單摻的試樣CS、CP相比，聚丙烯纖維與抗?jié)B劑或膨脹劑復(fù)摻的試樣CSX、CPX的裂縫寬度進(jìn)一步降低，單位面積上的開裂面積進(jìn)一步下降，但CSX、CPX相比單摻聚丙烯纖維的CX試樣的開裂面積不僅沒有降低，反而有較大上升，沒有出現(xiàn)抗?jié)B劑＋纖維、膨脹劑＋纖維的協(xié)同效應(yīng)。上述單摻8%膨脹劑的CP試樣抗塑性收縮開裂有所改善，說明膨脹劑發(fā)揮了補(bǔ)償收縮作用，而復(fù)摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX試樣抗裂性又不如CX試樣，說明膨脹劑又劣化了混凝土的抗裂性，這可能與塑性收縮開裂試驗(yàn)的干燥環(huán)境條件限制有關(guān)，膨脹劑未能得到充分水化形成膨脹性的鈣礬石或膨脹劑的膨脹作用發(fā)揮不穩(wěn)定。

表2 混凝土早期塑性開裂試驗(yàn)結(jié)果

3.3 聚丙烯纖維與外摻料對(duì)混凝土干燥收縮性能的影響

圖2是內(nèi)摻抗?jié)B劑、膨脹劑對(duì)混凝土干燥收縮的影響。結(jié)果顯示，在28 d內(nèi)干縮發(fā)展迅速，在28～60 d之間的干縮發(fā)展變得緩慢，60 d之后趨于穩(wěn)定。空白樣C0的120 d干縮值為349.5×10-6，摻加6%抗?jié)B劑混凝土、8%膨脹劑混凝土的干燥收縮分別降低了4.6%和16.7%。抗?jié)B劑具有堵塞混凝土毛細(xì)孔作用，延緩了水分散失，小幅降低混凝土的干縮；膨脹劑與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生水化反應(yīng)而生成膨脹性的水化產(chǎn)物鈣礬石（AFt），補(bǔ)償混凝土的干燥收縮，對(duì)干縮有明顯的降低效果。

圖2 外摻料對(duì)干燥收縮率的影響曲線

圖3為外摻聚丙烯纖維對(duì)混凝土干燥收縮的影響。結(jié)果表明，摻加聚丙烯纖維并沒有改變混凝土干縮隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，但有效地抑制了混凝土的長(zhǎng)期干縮。在空白樣C0中，摻加0.75 kg/m3后，其120 d干燥收縮降低了14.8%?；趶?fù)合材料理論，三維亂向分布在混凝土中的纖維增強(qiáng)材料一方面約束了混凝土中漿體的體積變形，另一方面有效阻隔水分散失的通道，從而降低了混凝土的干燥收縮率［11］。

圖3 聚丙烯纖維對(duì)干燥收縮率的影響曲線

圖4為復(fù)合摻加（抗?jié)B劑＋纖維）、（膨脹劑＋纖維）對(duì)混凝土干燥收縮的影響規(guī)律。圖5比較了摻加抗?jié)B劑、膨脹劑、纖維及其復(fù)合條件下混凝土的120 d干燥收縮。結(jié)果表明，聚丙烯纖維和抗?jié)B劑或聚丙烯纖維和膨脹劑的復(fù)摻，均取得了比單摻任一改性材料更好地抑制干縮的效果。對(duì)于復(fù)摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX，其120 d干縮較空白樣C0降低了28.3%，較單摻8%膨脹劑的CP降低了14.0%，較單摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維的CX降低了15.9%。

圖4 外摻料與纖維復(fù)摻對(duì)干燥收縮率的影響曲線

圖5 各組試件的120 d干燥收縮率

單從干燥收縮的大小分析，本試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，抑制混凝土干燥收縮效果依次為：復(fù)摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）＞復(fù)摻（6%抗?jié)B劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）＞8%膨脹劑＞0.75 kg/m3聚丙烯纖維＞6%抗?jié)B劑。考慮此前聚丙烯纖維在改善混凝土早期塑性收縮開裂方面的獨(dú)特效果，同時(shí)從抑制混凝土的塑性收縮和干燥收縮角度出發(fā)，認(rèn)為復(fù)合摻加（膨脹劑＋聚丙烯纖維）的抗裂作用效果優(yōu)于單摻聚丙烯纖維或膨脹劑的效果。

3.4 外摻料與聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響

圖6為各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果。結(jié)果表明，各組試件的56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均較28 d有大幅降低，這主要源于混凝土中的大摻量礦物摻合料在水化后期的二次水化反應(yīng)，使得混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步密實(shí)。對(duì)比各組試件的56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)值，本試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，復(fù)摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX≈復(fù)摻（6%抗?jié)B劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CSX＜8%膨脹劑的CP＜6%抗?jié)B劑的CS＜0.75 kg/m3聚丙烯纖維的CX＜空白樣C0。說明膨脹劑和抗?jié)B劑對(duì)抗氯離子滲透性的改善效果優(yōu)于聚丙烯纖維，膨脹劑或抗?jié)B劑與聚丙烯纖維的復(fù)摻改善效果更佳。

膨脹劑發(fā)生水化作用產(chǎn)生膨脹性的鈣礬石，填充于毛細(xì)孔隙中可以致密混凝土的結(jié)構(gòu)，并補(bǔ)償混凝土的收縮，阻止微裂縫的產(chǎn)生，因此提高了混凝土的抗氯離子滲透性。該抗?jié)B劑的主要作用是物理填充作用，水化作用相對(duì)較弱，所以顯著降低混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，而對(duì)56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低能力不如膨脹劑。均勻分布在混凝土中的數(shù)以千萬計(jì)的聚丙烯纖維單絲，一是可以阻止混凝土的離析，提高混凝土的均勻性；二是可以起到阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)作用的效果；三是可以分散內(nèi)部應(yīng)力，阻礙混凝土內(nèi)部原生裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而使得混凝土的抗氯離子滲透性增強(qiáng)［12］。

圖6 各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

3.5 外摻料與聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗壓力水滲透性的影響

圖7為各組試件在1.3 MPa壓力水滲透作用下的滲水高度結(jié)果。結(jié)果表明，復(fù)摻（膨脹劑＋聚丙烯纖維）的CPX對(duì)混凝土抗壓力水滲透性能的改善效果最佳，其次是復(fù)摻（抗?jié)B劑＋聚丙烯纖維）的CSX。相較于空白樣C0，單摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維的CX、6%抗?jié)B劑的CS、8%膨脹劑的CP三組試樣的滲水高度分別降低了42.6%、27.9%、37.1%；復(fù)摻（6%抗?jié)B劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的 CSX、（8%膨脹劑 ＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX二組試樣的滲水高度分別降低了47.9%、54.9%。單從滲水高度的大小分析，三種改性材料對(duì)混凝土抗壓力水滲透性能的改善效果大小依次為：聚丙烯纖維＞膨脹劑＞抗?jié)B劑，與三者對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的改善效果并不完全一致。

圖7 各組試件的滲水高度

4 結(jié)論

（1）錨碇大摻量礦物摻合料混凝土中摻入0.75 kg/m3聚丙烯纖維略微降低混凝土流動(dòng)性，稍微增加混凝土強(qiáng)度；摻入6%抗?jié)B劑對(duì)混凝土流動(dòng)性影響小，但顯著降低混凝土強(qiáng)度；摻入8%膨脹劑對(duì)混凝土流動(dòng)性和強(qiáng)度均有輕微不利影響。

（2）單摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維能顯著改善錨碇大摻量礦物摻合料混凝土的抗早期塑性收縮開裂性能，并對(duì)抑制干縮具有較為顯著的效果；膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用能夠有效地降低混凝土的干縮，而抗?jié)B劑對(duì)抑制混凝土干縮效果不佳。

（3）聚丙烯纖維、膨脹劑和抗?jié)B劑均可以改善錨碇大摻量礦物摻合料混凝土的抗?jié)B性，其中膨脹劑、抗?jié)B劑對(duì)抗氯離子滲透性的改善效果優(yōu)于聚丙烯纖維，而聚丙烯纖維對(duì)抗壓力水滲透性的改善效果優(yōu)于膨脹劑和抗?jié)B劑。

（4）復(fù)合摻加聚丙烯纖維與膨脹劑抑制混凝土干縮和改善抗?jié)B性的綜合效果優(yōu)于復(fù)摻聚丙烯纖維與抗?jié)B劑。因此，采用復(fù)摻（聚丙烯纖維＋膨脹劑）的復(fù)合改性技術(shù)，是提高錨碇大摻量礦物摻合料大體積混凝土抗裂防滲性能比較理想的技術(shù)路線。