水膠比和粉煤灰摻量對高性能混凝土塑性開裂的影響

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)

?

水膠比和粉煤灰摻量對高性能混凝土塑性開裂的影響

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。通過早期抗裂試驗，研究了水膠比和粉煤灰摻量對高性能混凝土塑性開裂的影響。結(jié)果表明：影響甘河子面板高性能混凝土單位面積總開裂面積的因素主次順序為：水膠比(A)→粉煤灰摻量(B)；水膠比對單位面積總開裂面積有一定影響，粉煤灰摻量對單位面積總開裂面積影響不顯著。選取水膠比為0.37，粉煤灰摻量為30%作為推薦配合比，早期抗裂等級為Ⅳ，抗裂等級較好。低水膠比不利于高性能混凝土抵抗塑性開裂，面板混凝土應(yīng)通過早期抗裂試驗完成配合比優(yōu)選。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；塑性開裂；早期抗裂試驗；正交試驗

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，已成為許多工程首選的壩型[1-3]。對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)中的一個至關(guān)重要的問題[4]。目前已有的工程實踐和研究表明，通過早期及時養(yǎng)護方式(混凝土收漿后在表面及時覆蓋養(yǎng)護)，對防裂有很好的效果[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。本文以甘河子水庫面板高性能混凝土為研究對象，通過早期抗裂試驗，研究水膠比和粉煤灰摻量對面板高性能混凝土塑性開裂的影響。

1　試驗材料

(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)見表1，化學(xué)成分見表2。

(2)粉煤灰：新疆誠和偉業(yè)有限公司的Ⅱ級粉煤灰，技術(shù)性質(zhì)見表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砂石料場的卵石，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砂石料場的砂，細(xì)度模數(shù)3.3，經(jīng)水洗后含泥量為0.3%，試驗用砂剔除>5 mm的顆粒。

(6)水：實驗室自來水。

表1　青松42.5R普通硅酸鹽水泥各項物理性能指標(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　試驗方法及配合比設(shè)計

根據(jù)對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，選取三個水膠比，分別是0.40、0.37、0.34；選取三個粉煤灰的摻量為：20%、30%、40%，按正交設(shè)計方案(L9(34))進行混凝土配合比設(shè)計、試驗。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行技術(shù)性能測定，其中早期抗裂試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[8](GB/T50082-2009)中規(guī)定的方法進行，并且按照《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[9](GB50164-2011)中對混凝土早期抗裂性能等級劃分的規(guī)定(見表4)，評定混凝土早期抗裂性能的等級，對試驗結(jié)果進行分析，優(yōu)選出抗裂性能好的、各項技術(shù)性能指標(biāo)(強度等級C25，抗凍等級F200，抗?jié)B等級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)計配合比。9組配合比按混凝土早期抗裂試驗方法澆筑成型，于24 h觀測試件表面裂縫開展情況。甘河子水庫面板高性能混凝土配合比見表5。

表4　混凝土早期抗裂性能等級劃分

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等級全部達到W12，抗凍等級全部達到F200。

3　試驗結(jié)果分析

3.1試驗配合比極差分析

由表6、表7可以得出：單位面積總開裂面積按極差大小排列的因素主次順序為：水膠比(A)→粉煤灰摻量(B)。為使單位面積總開裂達到最優(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)繪制單位面積總開裂面積與各因素不同水平的關(guān)系曲線圖，見圖1、圖2。

表6　甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗結(jié)果

注：空列1和空列2為誤差列，C1表示為空列1(誤差列)的一個水平，只是一個字符，無特定表示。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裂面積與水膠比三個水平關(guān)系曲線

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

由甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗單位面積總開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：單位面積總開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。

由本次試驗可知，低水灰比對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，大量泌水通道被堵塞，混凝土內(nèi)部水分無法通過泌水通道補給表層混凝土，加速表層混凝土塑性收縮。同時，混凝土早期水化加快，早期的強度、彈性模量迅速增長，混凝土沒有足夠的形變來抵消塑性收縮應(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度時，易發(fā)生塑性開裂。

3.2試驗配合比方差分析

依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中正交合計的方差分析法，對表6中的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，計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指標(biāo)F，將F與其臨界值比較，確定各因素對混凝土早期抗裂性能影響的顯著性大小，分析結(jié)果見表8。

表8　甘河子面板高性能混凝土早期抗裂試驗結(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結(jié)果方差分析可以看出：水膠比對單位面積總開裂面積有一定影響，粉煤灰摻量對單位面積總開裂面積影響不顯著。

3.3推薦配合比

選取單位面積總開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裂面積是136.50 mm2/m2，按混凝土早期抗裂性能等級劃分，屬于Ⅳ級，抗裂性能較好(見表9)。同時此配合比強度等級、抗?jié)B等級、抗凍等級均達到設(shè)計要求。

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裂面積按極差大小排列的因素主次順序為：水膠比(A)→粉煤灰摻量(B)。由方差分析可以看出：水膠比對單位面積總開裂面積有一定影響，粉煤灰摻量對單位面積總開裂面積影響不顯著。

(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)時可以獲得最小的單位面積總開裂面積，且作為推薦配合比。按混凝土早期抗裂性能等級劃分，此配合比的單位面積總開裂面積是136.50 mm2/m2在100≤c<400這個范圍，屬于Ⅳ，抗裂等級較好。

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

參考文獻：

[1]蔣國澄，傅志安，鳳家驥．混凝土面板壩工程[M]．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997．

[2]麥家煊，孫立勛．西北口堆石壩面板裂縫成因的研究[J]．水利水電技術(shù),1999，30(5)：32-34．

[3]郭誠謙．論混凝土面板堆石高壩的設(shè)計[J]．水利學(xué)報．1993，(6)：17-23．

[4]傅志安，鳳家驥．混凝土面板堆石壩[M]．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1993．

[5]翟超，唐新軍，胡全，等．早期養(yǎng)護方式對高性能混凝土塑性開裂的影響[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2013，11(6)：90-93．

[6]許建明．混凝土施工裂縫與控制[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2008，6(4)：90-91．

[7]錢曉倩，詹樹林，周富榮，等．早期養(yǎng)護時間對混凝土早期收縮的影響[J]．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，23(4):610-614．

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T50082-2009．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB50164-2011．混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

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：TV641.4+3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0141—04

作者簡介：翟超(1986—)，男，新疆奇臺人，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。

基金項目：新疆水利水電工程重點學(xué)科項目資助(xjzdxk-2009-10-05)

收稿日期：2014-08-21修稿日期：2014-09-30