摘要：减缩剂对碾压混凝土减缩作用的室内试验表明，减缩剂可改善碾压混凝土的物理力学性能，减小其干缩，可提高其抗裂性能。
关键词：减缩剂；干缩；抗裂性能；碾压混凝土
Shr inkage effect of shr inkage reduc ing agen t on RCC
ZHONGWei hua， LU Cai rong
(N anjing Hydraulic Research Institute， N anjing 210029， Ch ina)
Abstract：Indoor test results of shrinkage effect of shrinkage reducing agent on RCC ( roller compacted concrete) show that the shrinkage reducing agent can imp rove RCC′s physical and mechanical performance， reduce its shrinkage and strengthen its crack resistance.
Key words：shrinkage reducing agent：dry shrinkage：crack resistance performance：roller compacted concrete
近年来，碾压混凝土及其筑坝技术得到了快速的发展，越来越多的中高重力坝，以及拱坝、薄拱坝甚至高薄拱坝采用了碾压混凝土浇筑，坝体结构上也由最初的内部为碾压混凝土外包常态混凝土向全碾压混凝土坝发展。 在坝体的横缝设置上，碾压混凝土坝体及其防渗体逐渐趋向于不分缝或尽量少分缝。 在混凝土材料方面，早期多采用低胶凝材料，为改善碾压混凝土层间结合的质量，现已多采用高胶凝材料的富浆碾压混凝土。 早期混凝土掺合料主要为粉煤灰，由于部分工程坝址附近缺乏可用的粉煤灰，现已开始采用一些新型掺和料(如PT掺合料及磨细磷矿渣粉和磨细石灰石粉复合掺合料等)。 在施工条件方面，早期要求在低温季节施工，以避开高温，现正逐渐发展为全年施工。
碾压混凝土拱坝要求混凝土具有更高的强度和抗裂能力，而且为保证混凝土碾压层间结合的质量，需增加混凝土胶材用量，由此会增大混凝土收缩：许多新型掺合料的应用也会增大碾压混凝土的收缩，不利于碾压混凝土的抗裂性能。 在高温多风的气候条件下施工，还应使混凝土的干缩更小，否则极易发生表面干缩裂缝。 全碾压混凝土坝通常采用加浆碾压混凝土作为坝的防渗体面层，为保证防渗体的防渗、抗冻能力，同时减小防渗体混凝土与内部碾压混凝土变形性能的差异，则要求降低防渗体加浆混凝土的收缩变形。减缩剂( Shrinkage Reducing Agent)是近年来出现的一种较为新颖的改善混凝土收缩性能的外加剂，于1982年由日产水泥公司和三洋( Sanyo)化学工业公司首先研制成功。 随后，日本、美国对减缩剂进行了广泛深入的研究，已进入了工程应用阶段，并主要用在常态混凝土的配制和施工中[ 1 ] 。 本文通过室内试验研究减缩剂对碾压混凝土收缩抗裂性能的影响。
1 室内试验用原材料
室内试验用原材料包括云南建峰水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，云南宣威发电厂的Ⅱ级粉煤灰(品质检验结果见表1) ，磨细磷矿渣和磨细石灰石粉按1z 1复合的新型掺合料(品质检验结果见表2)。 混凝土粗、细骨料均为云南卧马河人工料场的人工骨料(粗骨料分5～20 mm、20～40 mm两种粒级) ，四川成都全力混凝土外加剂有限公司的FDN高效减水剂(萘系)和上海麦斯特建材有限公司生产的SP - 8型高效减水剂(聚羧酸系) ，松香热聚物AE引气剂，以及日本生产的AS20和国内开发的JM - SRA型减缩剂。针对AS20型减缩剂分别采用内掺法和渗透法(混凝土表面涂刷)两种方法进行试验。
表1 粉煤灰品质检验结果
Tab. 1 Quality test results of fly ash
表2 磨细磷矿渣粉和磨细石灰石粉的品质指标
Tab. 2 Quality indexes of the blast furnace slag and limestone powder
2 减缩剂对碾压混凝土性能的影响
2. 1 室内试验用碾压混凝土材料用量
配制的试验用碾压混凝土的强度等级为C15 (90 d龄期) ，混凝土拌合物VC值控制在6～8 s。 参照现行行业标准《水工碾压混凝土试验规程》( SL48 - 94)和《水工混凝土试验规程》(DL /T5150 - 2001)进行试验。试验用碾压混凝土的材料用量见表3。
表3 试验用每方碾压混凝土的材料用量
Tab. 3 Materialweight of every cubic meter of the tested RCC
注：①N - 0为不掺减缩剂的对比组：②N - 6组的材料用量虽与N - 0组相同，但因采用了AS20减缩剂并用二次渗透法进行试验，即在拆模以后、7 d干缩龄期时，两次在试件表面喷涂AS20减缩剂，故AS20减缩剂对混凝土拌和物的物理力学性能影响不大，主要研究其对碾压混凝土干缩及抗裂性能的影响。
2. 2 碾压混凝土拌合物性能试验
通过试验得出的减缩剂对碾压混凝土拌合物的VC值、含气量、混凝土重度等指标见表4。 试验结果表明，在保持碾压混凝土拌合物相同的VC值情况下，掺入减缩剂之后，混凝土用水量均有所降低(即水胶比均降低) ，说明减缩剂作用于碾压混凝土可起到增加浆体液相浓度和混凝土分散性的作用。 掺入减缩剂之后，碾压混凝土含气量稍有下降，还能增加混凝土重度。 含气量的降低和重度的增加将直接影响到碾压混凝土的物理力学性能。
表4 碾压混凝土拌合物性能试验结果
Tab. 4 Performance of RCC mix
2. 3 碾压混凝土物理力学性能试验
减缩剂以及掺合料、高效减水剂的不同掺量情况下，碾压混凝土7 d、28 d和90 d的抗压强度，以及90 d的劈裂抗拉、轴向拉伸、轴心抗压强度、静力抗压弹模等的试验结果见表5。 其中，轴向拉伸试验采用现行行业标准《水工碾压混凝土试验规程》( SL48 - 94)中的b型试件：轴向拉伸和静力抗压弹模试验中均采用电阻应变片和电阻应变仪测量变形。
表5 碾压混凝土物理力学性能试验结果
Tab. 5 Physical and mechanical p roperties of RCC
由表5可见，碾压混凝土掺入减缩剂后，由于混凝土含气量的降低和水胶比的下降，使表5中碾压混凝土的各项物理力学性能得到了不同程度的改善。 此外，碾压混凝土拌合物性能和抗压强度试验结果表明，JM - SRA减缩剂与不同掺合料、不同骨料和不同外加剂均有良好的适应性，故对碾压混凝土的工作性能和抗压强度有改善作用。 不同掺合料的对比试验表明，采用磷矿渣粉+石灰石粉复合掺合料的碾压混凝土早期抗压强度较高，而采用单掺粉煤灰的碾压混凝土后期抗压强度较高，减缩剂的掺入对不同掺合料的活性发挥无明显影响。
2. 4 碾压混凝土干燥收缩试验
碾压混凝土干燥收缩试验结果见图1。 N - 0，N - 1和N - 2组的试验结果表明， JM - SRA和AS20型两种减缩剂对碾压混凝土的干缩性能均有明显的改善作用。 掺量均为2%时，在28 d龄期以内AS20和JM -SRA的减缩效果接近，但后期JM - SRA的减缩效果优于AS20。 与N - 0对比组相比， JM - SRA早期可减小干缩约60% ， 90 d龄期时可减小干缩35%以上。 N - 0，N - 1，N - 3和N - 4组的试验结果表明， JM - SRA减缩剂与掺合料磷矿渣粉+石灰石粉同时使用，碾压混凝土早期可减小干缩40%左右， 90 d龄期时可减小干缩25%以上。 N - 0，N - 2和N - 6组的试验结果表明，AS20减缩剂用内掺法时，使1～3 d龄期的碾压混凝土可减小干缩约60%， 90 d龄期时可减小干缩约30%：用二次渗透法时，使1～3 d龄期的碾压混凝土可减小干缩40% ～60% ，随着龄期的增长，减缩效果逐渐下降， 90 d龄期可减小干缩约10%。
图1 减缩剂对碾压混凝土收缩的影响
Fig. 1 Influence of shrinkage reducing agenton shrinkage of RCC
3 碾压混凝土的减缩对其抗裂性能的影响
为比较因减缩剂的掺入对碾压混凝土在早期塑性收缩下的抗裂性能，采用平板试件法[ 2 ]进行了湿筛砂浆的收缩开裂试验，以测定砂浆及混凝土塑性收缩裂缝。 试验装置见图2。 试件浇注于尺寸为600 mm ×600 mm ×20 mm的木模内，木模底板与四周涂衬聚乙烯塑料薄膜，以防止木模吸水，并减少木模底部对试件收缩变形的影响。 木模四周固定着一圈宽40 mm、网眼2 mm并沿其中线弯折90°的钢丝网，然后，用图钉将钢丝网固定在离木模四周约20 mm处，用于限制收缩变形。
图2 碾压混凝土湿筛砂浆收缩开裂试验装置示意图(单位:mm)
Fig. 2 Test device of shrinkage cracking on RCC wet sievingmortar ( unit:mm)
将混凝土拌和物中粒径大于5 mm的骨料筛除后，将湿筛的砂浆装入试模，振实抹平后，立即以大于5 cm / s的风速吹试件表面，以加速试件表面水份蒸发，试验温度为25 ℃，相对湿度为60 ±5%。 连续吹风24 h，记录试件表面的裂缝数目、宽度和长度。 根据湿筛砂浆开裂情况，计算以下a， b和c 3个裂缝参数，并根据这3个裂缝参数来评定砂浆试件的早期抗裂性能。
(1) 平均开裂面积a =1/2N ∑WiLi (mm2 )
(2) 单位面积开裂裂缝数目b = N /A (条/m2 )
(3) 单位面积上的总开裂面积c = ab (mm2 /m2 )
其中：Wi 为第i条裂缝的最大宽度(mm) ；Li 为第i第裂缝的长度(mm) ；N 为裂缝总数目(条) ；A 为试件面积(本试验为0. 36 m2 )。
根据碾压混凝土拌和物性能的试验结果，选择了N - 0，N - 1，N - 3，N - 4和N - 6五组进行湿筛砂浆的收缩开裂试验，其试验结果见表6。
表6 碾压混凝土湿筛砂浆收缩开裂试验结果
Tab. 6 Test results of shrinkage cracking on RCC wet sievingmortar
N - 0和N - 3组在面板上均出现裂缝，裂缝位置均位于平板面的4个角上，裂缝宽度小于0. 5 mm。 分析裂缝参数可知，不同的掺合料对于碾压混凝土的早期抗裂性能有较大影响。 与采用磷矿渣粉+石灰石粉作为掺合料相比，掺入粉煤灰的碾压混凝土裂缝数目虽然稍多，但裂缝长度和裂缝宽度均较小，其平均开裂面积a与单位面积的总开裂面积c也较小，说明早期塑性收缩较小，抗裂性能较好。 而掺入JM - SRA减缩剂和采用AS20渗透法的N - 1，N - 4和N - 6各组均未发现裂缝，表明掺入减缩剂以后能明显控制砂浆的塑性收缩，可提高砂浆和碾压混凝土的抗裂性能。
4 结 语
(1)在碾压混凝土中掺入减缩剂可改善其工作性能，在保持混凝土拌合物相同VC值的情况下，可适当减少其用水量，降低水胶比。 减缩剂的掺入会降低碾压混凝土拌合物的含气量。 水胶比和含气量的降低会增大混凝土重度。
(2)减缩剂的掺入对碾压混凝土的抗压强度、劈裂抗拉、轴向拉伸性能、轴心抗压强度、静力抗压弹模等均有不同程度的改善作用。
(3)减缩剂的内掺法和渗透法均能减小碾压混凝土的干燥收缩。 干缩的减小可导致碾压混凝土收缩应力的减小，从而减少因混凝土表面失水而引起的干缩裂缝。
(4)减缩剂的内掺法和渗透法均能减少碾压混凝土湿筛砂浆的早期塑性收缩裂缝，故可提高碾压混凝土的抗裂性能。
参 考 文 献：
[ 1 ] 劭正明， 张 超， 等. 国外减缩剂技术的发展与应用[ J ]. 混凝土， 2000， (10) ：60 - 63.
[ 2 ] Kraai， Paul P. A Proposed Test to Determine the Cracking Potential Due to Drying Shinkage of Concrete [ J ]. Concrete Construction， 1985， 30 (9) ：775 - 778.
