碾壓混凝土全級配與濕篩法力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李中田，雷秀玲，李艷萍，黃如卉

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061）

混凝土的力學(xué)性能關(guān)系到建筑物的承載能力和穩(wěn)定性，水工大體積碾壓混凝土中，三級配混凝土占很大比例。由于試驗(yàn)條件的限制，通常采用濕篩后（剔除混凝土拌和物中大骨料）成型小試件的方法來評定含有大粒徑骨料的全級配混凝土相關(guān)特性?；炷敛牧系慕M成比例直接影響到混凝土的各項(xiàng)特性，由于濕篩法剔除了拌和物中粒徑大于40 mm以上的粗骨料（約占原粗骨料總量的40%），大大增加了濕篩后混凝土中的砂漿含量，使混凝土的力學(xué)性能及相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系發(fā)生了較大的變化，所測數(shù)據(jù)不能完全反應(yīng)全級配混凝土的性能?；跐窈Y法試驗(yàn)來評價(jià)建筑物混凝土，只是一種預(yù)約的相對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用濕篩法試驗(yàn)所測得的混凝土的特性參數(shù)來進(jìn)行水工建筑物設(shè)計(jì)，必然會造成脫離實(shí)際的局限性。近年來，國內(nèi)外一些重要水利工程都相繼開展了混凝土全級配試驗(yàn)，將全級配混凝土力學(xué)參數(shù)直接用于工程設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)大壩混凝土的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

研究內(nèi)容為采用三級配碾壓混凝土分別進(jìn)行濕篩法和全級配混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜壓彈性模量試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對比分析濕篩混凝土與全級配混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)選用的水泥為P.MH42.5級水泥；摻合料選用Ⅱ級粉煤灰；骨料分別是天然卵石和天然砂；外加劑選擇北京中水科海利公司生產(chǎn)的SK-2型緩凝高效減水劑和SK-H型引氣劑。對用于本次試驗(yàn)的原材料進(jìn)行品質(zhì)檢驗(yàn)，各材料檢測結(jié)果滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 試驗(yàn)配合比

鑒于三級配是水工碾壓混凝土中常用粗骨料級配，而且三級配混凝土中濕篩法和全級配試件骨料量差異較大，因此本次研究選擇水膠比間隔為0.03的5個(gè)碾壓三級配混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn)。配合比中骨料級配比例（%）：5~20∶20~40∶40~80（mm）=30∶30∶40，粉煤灰摻量 55%，并摻加適量減水劑、引氣劑。

配合比具體參數(shù)見表1。

表1 全級配混凝土配合比

1.3 試件成型和養(yǎng)護(hù)

這次試驗(yàn)用混凝土試件按《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5433-2009）中確定的試驗(yàn)方法成型。成型過程中碾壓混凝土拌和物Vc值控制在2~8 s，拌和物含氣量控制在4%左右。

試件成型后用濕布覆蓋帶模試件表面，濕篩法試件在（20±5）℃的環(huán)境中靜止24~48 h拆模，全級配試件在（20±5）℃的環(huán)境中靜止7 d拆模，拆模后試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期進(jìn)行性能測試。濕篩法試模與全級配試模尺寸見表2。

表2 全級配與濕篩法試件尺寸對比

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

濕篩法試驗(yàn)采用2 000 kN液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)和100 kN液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。全級配混凝土試驗(yàn)采用的YAJ-10000型微機(jī)控制電液伺服多功能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)可通過計(jì)算機(jī)對試驗(yàn)過程進(jìn)行自動控制，最大試驗(yàn)壓力10 000 kN，能夠完成混凝土全級配試件抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜壓彈性模量試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行 5個(gè)配合比，3個(gè)齡期（90 d，225 d，360 d）濕篩法和全級配混凝土試件抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和靜壓彈性模量對比試驗(yàn)。

全級配混凝土及濕篩混凝土的試驗(yàn)結(jié)果見表3。為便于對比，表4中還給出了全級配試件與濕篩標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)比值。

2.2 分析比對

根據(jù)本次試驗(yàn)不同齡期與不同水膠比15組混凝土數(shù)據(jù)，對全級配混凝土與濕篩標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件力學(xué)性能進(jìn)行分析比較。

1）抗壓強(qiáng)度。從表3，4中可以看出，相同齡期同一配合比的全級配混凝土抗壓強(qiáng)度低于濕篩混凝土，全級配試件抗壓強(qiáng)度與濕篩法試件抗壓強(qiáng)度比值在0.80~1.02之間，比值隨著齡期增長而增大。

表3 不同齡期全級配及濕篩法混凝土性能研究結(jié)果

表4 全級配與濕篩法混凝土試件性能比值

分析認(rèn)為，全級配混凝土比濕篩混凝土骨料含量多，粗骨料的骨架作用大于濕篩混凝土，且其實(shí)際含氣量低，這都是對其強(qiáng)度有利的因素。但同時(shí)，全級配混凝土中，由于大骨料的存在，混凝土成型中，其泌水在上升過程中被粗骨料所阻，故有部分泌水聚集在粗骨料下方，以致混凝土硬化后形成孔隙、界面裂痕，影響粗骨料與水泥漿的粘結(jié)。由于這一薄弱斷面的存在，往往會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使全級配混凝土試件比濕篩混凝土試件更易破壞。

這次試驗(yàn)結(jié)果顯示，在全級配混凝土中，骨料界面薄弱環(huán)節(jié)對強(qiáng)度的影響大于骨料骨架因素。

2）靜壓彈性模量。從表3，4中可以看出，混凝土靜壓彈性模量隨齡期的增長而增大，全級配碾壓混凝土靜壓彈性模量低于相應(yīng)濕篩法試件靜壓彈性模量，隨試驗(yàn)齡期的增長兩者差值逐漸減小，全級配試件與濕篩法試件靜壓彈性模量比值在0.77~0.98之間。

分析原因認(rèn)為，雖然全級配混凝土試件中彈模較大的粗骨料含量較多，但大骨料界面薄弱環(huán)節(jié)的存在仍導(dǎo)致試塊抗壓彈性模量較低，只是大小試塊差異并不明顯。

3）劈裂抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，全級配碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度低于濕篩法試件。全級配混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與濕篩標(biāo)準(zhǔn)試件的比值為0.68~0.87。

分析認(rèn)為，第一，全級配混凝土成型過程中泌水上升，部分被粗骨料阻擋，混凝土固化后形成原生界面裂紋，隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部的原生裂紋開始擴(kuò)展，并伴隨著新裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，裂紋相互貫通后引起混凝土試件迅速斷裂。第二，對干貧混凝土來說，膠凝材料是影響混凝土抗拉強(qiáng)度的主要因素，盡管全級配混凝土中含氣量較濕篩混凝土小，但因濕篩混凝土提高了其膠凝材料用量，因而其劈裂抗拉強(qiáng)度反而比全級配混凝土高。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對于抗壓強(qiáng)度、靜壓彈性模量來說，全級配混凝土的劈拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于濕篩法試件，如果按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用濕篩法剔除大骨料后檢測混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度較混凝土實(shí)際劈裂抗拉強(qiáng)度增大13%~32%。

4）抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，全級配碾壓混凝土抗折強(qiáng)度低于同齡期濕篩法混凝土抗折強(qiáng)度，其比值為0.61~0.88，大骨料對碾壓混凝土抗折強(qiáng)度影響與對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響相近。

在全級配混凝土與濕篩法標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)比值中，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量。可見對于界面薄弱環(huán)節(jié)的影響，抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度更敏感。

3 結(jié)論

1）骨料最大粒徑為80 mm的全級配混凝土與剔除大骨料的濕篩混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，全級配混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和抗折強(qiáng)度均低于相應(yīng)濕篩混凝土試件。對于本次研究采用的配合比，全級配混凝土與濕篩混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的各項(xiàng)比值如下：抗壓強(qiáng)度比0.80~1.02；靜壓彈性模量比0.77~0.98；劈裂抗拉強(qiáng)度比0.68~0.87；抗折強(qiáng)度比0.61~0.88。

2）分析認(rèn)為，全級配混凝土各項(xiàng)指標(biāo)偏低是由于大骨料界面形成原生裂紋引起。試驗(yàn)數(shù)據(jù)反應(yīng)，大骨料的存在對混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響較大。

3）由于全級配混凝土與濕篩混凝土試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)的明顯差異，因此基于濕篩法試驗(yàn)來評價(jià)大體積建筑物混凝土，不能較真實(shí)的反應(yīng)全級配混凝土的相關(guān)特性，具有局限性。建議具備條件的工程應(yīng)開展全級配試驗(yàn)。

［1］王仲華，陳如華.三峽大壩全級配混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，1998（2）.

［2］楊成球，吳政.全級配混凝土基本力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，2006（3）.

［3］楊忠義.全級配混凝土強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究［J］.水電站設(shè)計(jì)，2008（3）.

［4］孫恭堯，王三一，馮樹榮.高碾壓混凝土重力壩［M］.2004（3）.