現(xiàn)場(chǎng)澆筑大壩混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李 洲

(東莞市正源工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

與普通混凝土相比，低熱水泥混凝土具有后期強(qiáng)度高、水化放熱較低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用在筑壩工程中可以大大降低壩體裂縫出現(xiàn)的概率，有利于大壩長(zhǎng)久的使用和維護(hù)，也促進(jìn)了國(guó)內(nèi)低熱水泥混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展[1-2]。我國(guó)多個(gè)大壩在筑壩過(guò)程中都使用了低熱水泥混凝土，并取得不錯(cuò)的效果[3]。低熱水泥混凝土是近些年興起的一種材料，強(qiáng)度方面可參考的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不像使用已久的中熱水泥混凝土那么多，特別是全級(jí)配低熱混凝土的數(shù)據(jù)更是少之又少。對(duì)于大壩而言，保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性是首要任務(wù)，是重中之重，而筑壩材料混凝土的強(qiáng)度則是影響大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素[4]。由于混凝土的實(shí)際強(qiáng)度也會(huì)受到養(yǎng)護(hù)條件、攪拌方式、氣候環(huán)境等因素的影響，因此為了提供更加真實(shí)、全面的混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及在筑壩前期有更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，在施工現(xiàn)場(chǎng)直接澆筑成樣，在測(cè)量同條件下的強(qiáng)度是十分有必要的。在工程中，對(duì)全級(jí)配混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)普遍參考濕篩二級(jí)配混凝土制成的立方體標(biāo)準(zhǔn)試樣的力學(xué)性能，但很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)全級(jí)配混凝土的力學(xué)性能與濕篩混凝土的性能存在差異[5]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是濕篩法將混合物里大骨料(粒徑超過(guò)40 mm)剔除了，使粗骨料在混凝土中的體積大大減少[6]，相比之下提高了膠凝材料的占比，使得砂漿和骨料間的界面接觸變少，削弱了界面缺陷；同時(shí)骨料被砂漿包圍和潤(rùn)滑，使試樣中的界面過(guò)渡區(qū)得到改善。Yang等[7]通過(guò)控制大骨料體積占比和大骨料粒徑，研究其對(duì)全級(jí)配混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)混凝土抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著骨料粒徑的增大而減小。另外，導(dǎo)致濕篩和全級(jí)配混凝土試樣強(qiáng)度存在差異的是尺寸效應(yīng)[8]。

本研究通過(guò)全季節(jié)(春、夏、秋、冬)分4次在工程現(xiàn)場(chǎng)制作低熱水泥濕篩二級(jí)配和全級(jí)配混凝土試樣，進(jìn)行不同齡期、不同季節(jié)混凝土的劈裂和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，并基于筑壩材料低熱水泥濕篩和全級(jí)配混凝土力學(xué)性能的時(shí)變特性，對(duì)比兩者之間強(qiáng)度差異，為實(shí)際工程筑壩材料混凝土的強(qiáng)度提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料和配合比

本文的研究對(duì)象是某地區(qū)的水庫(kù)大壩。試驗(yàn)所用混凝土來(lái)自工程現(xiàn)場(chǎng)的拌和樓并直接從大壩施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，混凝土坍落度范圍30～50 mm，其中最大粒徑的骨料為150 mm，是全級(jí)配混凝土。通過(guò)濕篩之后變?yōu)闈窈Y二級(jí)配混凝土，最大粒徑的骨料為40 mm。水泥種類是嘉華牌P·LH 42.5的低熱硅酸鹽水泥，水膠比設(shè)為0.42，砂率為23%。粉煤灰摻量為35%，選用卓圣I級(jí)。1 m3全級(jí)配混凝土的理論配合比見(jiàn)表1。

表1 低熱水泥全級(jí)配混凝土配合比 /kg·m-3

1.2 試驗(yàn)方案的擬定

由于混凝土在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)條件和在外界自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)條件區(qū)別較大，所以為了在室內(nèi)盡可能真實(shí)模擬室外大壩混凝土的養(yǎng)護(hù)過(guò)程，正確全面地測(cè)出大壩混凝土的力學(xué)性能，擬定分為4次試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)季節(jié)的溫度環(huán)境(春、夏、秋、冬)，在模擬的4個(gè)季節(jié)環(huán)境中制作濕篩二級(jí)配、低熱水泥全級(jí)配混凝土試樣。試樣制作完成后，再開(kāi)展不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的軸心抗壓、進(jìn)行不同齡期試件的劈裂抗拉以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。見(jiàn)表2。

表2 某大壩混凝土力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)劃表

本次力學(xué)試驗(yàn)一共澆筑做好全級(jí)配、濕篩混凝土試樣共85組，前者澆筑29組，后者澆筑56組。對(duì)于前者類型的試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度的測(cè)量一組由3個(gè)試樣立方體組成，每個(gè)試樣邊長(zhǎng)為450 mm，劈裂抗拉強(qiáng)度所用的試樣同樣一組3個(gè)試樣，尺寸與抗壓試樣樣品相同。此外，要制作5組、20個(gè)長(zhǎng)方體試樣用于軸壓試驗(yàn)，尺寸為450 mm×450 mm×900 mm(長(zhǎng)×寬×高)。對(duì)于后者類型的試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度的測(cè)量同樣是一組3個(gè)試樣立方體，每個(gè)試樣邊長(zhǎng)為150 mm，劈裂試驗(yàn)相同。另外，要制作108個(gè)、18組長(zhǎng)方體試樣用于軸壓試驗(yàn)，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

1.3 試樣方法和試樣制作

本次試驗(yàn)中所用的全部試樣都是在大壩工程現(xiàn)場(chǎng)制作而成，制作流程和標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照國(guó)家試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為液壓伺服機(jī)，濕篩、全級(jí)配混凝土的力學(xué)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的量程為2 000和10 000 kN。

2 分析試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

見(jiàn)表3。

表3 濕篩、全級(jí)配混凝土彈性模量以及軸心抗壓強(qiáng)度結(jié)果

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖1為濕篩、全級(jí)配混凝土在各齡期、各季節(jié)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖1可以看出，盡管制樣季節(jié)不同，但濕篩、全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律沒(méi)有太大差異，都表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)前期增長(zhǎng)較快，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率趨于平緩。雖然兩種類型混凝土的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求(40 MPa)，但對(duì)于全級(jí)配混凝土，在養(yǎng)護(hù)180 d時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，而濕篩混凝土在養(yǎng)護(hù)時(shí)間90 d時(shí)就可以達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)值，說(shuō)明后者的養(yǎng)護(hù)周期更短，實(shí)用性更強(qiáng)。同時(shí)對(duì)于濕篩混凝土而言，在夏季制成的試樣抗壓強(qiáng)度都高于其它季節(jié)，以7和180 d最為明顯，說(shuō)明高溫度環(huán)境有利于混凝土強(qiáng)度的提高。通過(guò)圖1(a)和圖1(b)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在齡期和季節(jié)都相同的情況下，濕篩混凝土的抗壓強(qiáng)度都大于全級(jí)配的抗壓強(qiáng)度，也表明了濕篩混凝土比全級(jí)配類型的性能更好。

圖1 全級(jí)配和濕篩混凝土在不同季節(jié)下的抗壓強(qiáng)度

2.3 劈裂強(qiáng)度分析

圖2為濕篩、全級(jí)配混凝土在不同齡期和不同季節(jié)情況下的劈裂結(jié)果。從圖2可以看出，齡期的增長(zhǎng)會(huì)提高濕篩、全級(jí)配混凝土在不同季節(jié)下的劈裂強(qiáng)度，但這個(gè)增長(zhǎng)速度會(huì)漸漸變緩。在相同季節(jié)下，濕篩混凝土的劈裂強(qiáng)度均比全級(jí)配要高，并隨著齡期的增長(zhǎng)，兩者之間的差距也越來(lái)越大，這與抗壓強(qiáng)度的表現(xiàn)相一致。對(duì)于濕篩和全級(jí)配混凝土，也表現(xiàn)出夏季制作的試樣的劈裂強(qiáng)度最高，大于其他季節(jié)，而秋季制的試樣劈裂強(qiáng)度最低。這也說(shuō)明大壩澆筑時(shí)應(yīng)避開(kāi)秋季，最好在夏季進(jìn)行施工，這對(duì)大壩后期抗劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的提升都是有利的。

圖2 全級(jí)配和濕篩混凝土在不同季節(jié)下的劈裂強(qiáng)度

2.4 彈性模量和軸心抗壓分析

表3為濕篩、全級(jí)配混凝土的彈性模量結(jié)果和軸心抗壓強(qiáng)度。分析表3可知，對(duì)于軸壓強(qiáng)度而言，當(dāng)齡期和制樣季節(jié)保持一致時(shí)，濕篩均大于全級(jí)配，表現(xiàn)出更好的性能。同樣情況下，濕篩混凝土的彈性模量也表現(xiàn)出比全級(jí)配更大的現(xiàn)象。而隨著齡期的增長(zhǎng)，兩種混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)(彈性模量、軸壓強(qiáng)度)都呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律，但增長(zhǎng)的速度逐漸趨于緩慢。對(duì)于4個(gè)季節(jié)中所制成的濕篩樣品，在所有齡期中大部分夏季的彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度為最大，這一現(xiàn)象也與之前的劈裂、抗壓試樣的結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

本文為了更加全面、準(zhǔn)確地研究低熱水泥混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，設(shè)置了不同齡期、不同季節(jié)下的全級(jí)配和濕篩混凝土的劈裂、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1) 隨著齡期的增長(zhǎng)，濕篩和全級(jí)配的抗壓強(qiáng)度都會(huì)得到不斷提高，但時(shí)間越久，增長(zhǎng)速率越慢；兩者的抗壓強(qiáng)度均能在齡期180 d時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)值40 MPa；在相同齡期和季節(jié)下，全級(jí)配混凝土的抗壓能力要小于濕篩混凝土。

2) 隨著齡期的增長(zhǎng)，濕篩和全級(jí)配的劈裂強(qiáng)度也會(huì)得到不斷提高，且全級(jí)配混凝土的劈裂強(qiáng)度要小于濕篩混凝土，兩者差值會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而變大，說(shuō)明濕篩混凝土的力學(xué)性能要比全級(jí)配混凝土強(qiáng)。

3) 隨著齡期的增長(zhǎng)，兩種混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)(彈性模量、軸壓強(qiáng)度)與劈裂、抗壓試驗(yàn)表現(xiàn)一致，均是濕篩大于全級(jí)配，且大部分夏季所制作試樣的各項(xiàng)強(qiáng)度為最大。