［摘要］随着我国水利工程的大力发展，渐渐地也暴露出一些问题，如混凝土的开裂，这已成为影响其耐久性的重要因素之一，特别是在严寒地区。虽然混凝土产生裂缝在所难免，但为了保证工程质量需采取有效的措施进行弥补。本文针对抗裂混凝土配合比进行试验研究，首先对原材料进行选择，然后进行配合比设计，最后对各组配合比混凝土进行性能测试。为减少严寒恶劣地区水工混凝土裂缝的产生与发展提供了参考。
［关键词］严寒地区，抗裂混凝土，膨胀剂，性能测试，推荐配合比
随着社会的高速发展，我国水利工程建设规模也在逐渐地扩大，水利工程作为国家重要的基础设施项目之一，保证其工程质量无疑是重中之重。但从20世纪初，混凝土坝建造初期开始，混凝土的裂缝问题始终是一大难题，混凝土自身收缩是引起开裂的主要因素之一，尤其对于处在严寒地区的水利工程来说，极端温差较大，在进行配合比设计试验时为了满足其抗冻耐久性要求，势必会增加单方混凝土水泥的用量，这就会导致水泥在水化过程中产生更多的热量，在温度降低后混凝土的干缩程度增大，从而为裂缝的产生留下隐患。经研究发现，通过在混凝土中掺入膨胀剂、高效引气减水剂及粉煤灰等，可以合理降低单方混凝土水泥用量，提高混凝土极限拉伸值，减小水化温升，降低干缩，进而提出满足设计要求的混凝土配合比，是提高混凝土抗裂性的有效措施，这对严寒地区水利工程建设具有相当重要的意
1原材料选择
在此次配合比试验中，水泥选用由辽宁省交通水泥有限公司生产的坚霸牌P•O42.5级普通硅酸盐水泥，经检测各项指标结果符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》[1]技术要求；粉煤灰选用由吉林化工集团生产的Ⅱ级粉煤灰，经检测各项指标结果符合DL/T5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》[2]技术要求；细骨料选用天然砂，粗骨料选用粒径分别为5~20mm和20~40mm的碎石，经检测各项指标结果符合DL/T5144-2015《水工混凝土施工规范》[3]技术要求；膨胀剂选用由长春大华建材化工有限公司生产的UEA型混凝土膨胀剂，经检测各项指标结果符合GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》[4]技术要求；外加剂选用由长春东勘新型建筑材料有限责任公司生产的SKY高效引气减水剂，经检测各项指标结果符合DL/T5100-2014《水工混凝土外加剂技术规程》[5]技术要求。
2配合比设计
通常情况下，抗裂混凝土在满足设计要求之后，应尽可能地降低混凝土胶骨比及水泥用量，使得浇筑的混凝土具有较低的水胶比、较高的密实度、较好的工作性能等特点，尽量减少因水泥用量所产生的水化热及混凝土内部温升等因素引发的裂缝。在设计配合比时，需要考虑到水胶比、砂率、骨料级配、粉煤灰掺量等混凝土性能影响因素。此次配合比试验为设计要求C25F300二级配抗裂混凝土的研究。混凝土配合比设计依据DL/T5144-2015[3]和DL/T5150-2017《水工混凝土试验规程》[6]进行，混凝土强度保证率取95%，施工配制强度按下式进行计算：fcu,0=fcu,k+1.645σ（1）式中：fcu,0——混凝土配制强度，MPa；fcu,k——混凝土设计强度等级，MPa；σ——混凝土强度标准差，MPa。其中，混凝土强度标准差按规范要求取4.0，通过计算得出C25混凝土的配制强度为31.6MPa。对混凝土配合比参数进行优化选择，最终设计出不同混凝土配合比共3组，详见表1。其中，外加剂掺量均为0.5%，膨胀剂掺量均为8%，粉煤灰掺量均为25%，砂率略有变化，分别为34%，35%和36%。
3混凝土性能测试及结果分析
按照规程规范要求，对3组不同配合比的混凝土试件进行标准养护，待达到养护龄期后，分别对其抗压性能、抗拉性能、抗冻性能、收缩性能进行测试，并分析配合比不同对混凝土性能的影响。
3.1抗压性能测试
混凝土抗压强度是评价混凝土性能的基础，同时也是评价混凝土性能的重要参考因素。在此次试验研究中，重点比较了不同水胶比混凝土抗压强度的变化，测试结果见表2。可以发现，各配合比混凝土抗压强度等级均达到C25以上，满足设计要求，并且KL1，KL2，KL3混凝土抗压强度在逐渐减小。这是因为水胶比越大，水泥水化后在混凝土中剩余的水分就越多，这些水分会形成水泡或者蒸发后形成气孔，使得混凝土抵抗荷载的实际有效截面减小，在荷载作用下容易在孔隙周围产生应力集中效应，导致抗压强度降低。
3.2极限拉伸性能测试
混凝土极限拉伸值即混凝土经轴心抗拉而断裂前的最大伸长值。若混凝土的极限拉伸值小于其拉伸变形，那么就会产生裂缝，在相同条件下，混凝土的极限拉伸值越高，说明其抗裂性越好。在此次试验研究中，重点比较了不同水胶比混凝土极限拉伸值的变化，测试结果见表3。可以发现，随着水胶比的增大，混凝土极限拉伸值在不断减小，这是因为水胶比的增大使得水泥石性能下降，导致混凝土抗拉强度降低，断裂时的极限拉伸值减小。
3.3干缩性能测试
诱导混凝土开裂的原因有很多，干缩就是原因之一。在干燥条件下，混凝土内部空隙水分蒸发后会引起毛细管引力，胶体孔隙受到压缩，使得胶体的体积不断缩小，诱导裂缝的产生和发展。在混凝土中掺入适量的膨胀剂，可以有效降低混凝土的开裂几率。各配合比混凝土干缩性能测试结果见表4。各组配合比混凝土干缩值变化如图1所示，从图1中可以看出，随着水胶比的增大，混凝土干缩值在不断减小。这是因为水胶比增大，胶凝材料相应减少，水化程度降低，导致混凝土干缩值减小。
3.4抗冻性能测试
严寒地区混凝土对抗冻性能的要求较高，而抗裂混凝土由于其高致密性具有良好的抗冻性能，经试验测试，各配合比混凝土抗冻等级均达到F300以上，满足设计要求，抗冻性能测试结果见表5。可以发现，随着水胶比的增大，混凝土质量损失率也在不断增大，而相对动弹性模量在不断减小。这是因为在骨料级配相同的情况下，水胶比小的混凝土具有更好的致密性，其抗冻性能更加优良。
3.5混凝土水化温升测试
混凝土水化产生的大量热量使其体积发生膨胀，但由于混凝土自身导热性较差，热量散失过程中内外的降温速度不同，导致收缩程度不同，这就为混凝土裂缝的产生创造了条件。不同配合比混凝土水化温升值可以通过下式计算求得：T=WQ/Cρ（2）式中：W——混凝土中活性胶材用量，kg；Q——活性胶材水化热，kJ/kg；C——混凝土比热容，此处取0.96kJ/（kg•℃）；ρ——混凝土容重，kg/m3。胶凝材料水化热按经验取值，通过计算得到不同配合比混凝土水化温升结果，详见表6。可以发现，随着水胶比的增大，水化温升在不断减小。
4抗裂混凝土推荐配合比选择在选择
推荐配合比时，首先，选出混凝土抗压强度和抗冻性能均满足设计要求的配合比；然后，计算由混凝土水化温升、混凝土极限拉伸及混凝土干缩导致的混凝土线性膨胀之和，计算公式如式（3），结果见表7；最后，选出线性膨胀之和最小的配合比。L=∣εT+εj+εg∣（3）式中：L——单位线性变化值；εT——混凝土温缩变形值；εj——混凝土极限拉伸值；εg——混凝土干缩值。εT=-T•α（4）式中：T——混凝土水化温升，℃；α——混凝土线膨胀系数，此处取6.5×10-6/℃。根据表7中结果，综合考虑以上的各个影响因素后，最终选择KL2作为抗裂混凝土推荐配合比。
5结语
综上所述，通过对配合比试验所用原材料进行检测，结果表明其各项性能指标均符合相应规程规范技术要求；通过对不同配合比混凝土性能进行测试，结果表明配合比编号KL1~KL3混凝土的抗压强度、极限拉伸值、干缩值、抗冻性能及水化温升均逐渐下降；配合比编号KL1~KL3混凝土的线性膨胀之和越来越小，经综合考虑，最终选择KL2作为抗裂混凝土推荐配合比。此次配合比试验研究从根本上有效提升了混凝土的抗裂性能，实际工程中混凝土开裂现象得以缓解，为减少严寒恶劣地区水工混凝土裂缝的产生与发展提供了参考。
作者：潘义为 林建宏 单位：水利部建设管理与质量安全中心 中水东北勘测设计研究有限责任公司