基于摻橡膠顆粒的面板堆石壩柔性擠壓邊墻料研究

付乾坤，楊韓剛，孫 嘯，田正宏

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

0 引 言

擠壓邊墻技術(shù)因施工迅速、簡便、經(jīng)濟(jì)，得以廣泛應(yīng)用于混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)與施工。擠壓邊墻為面板提供了平整的墊層基礎(chǔ)，可靠均勻地將水壓力經(jīng)面板傳遞給墊層料和堆石體，起到協(xié)調(diào)面板、邊墻、墊層料的整體變形作用。但已有研究表明擠壓邊墻技術(shù)應(yīng)用仍存在一些問題，如，趙津磊等[1]提出擠壓邊墻彈性模量偏高會(huì)導(dǎo)致擠壓邊墻對混凝土面板約束偏大，應(yīng)力狀態(tài)易惡化；周偉等[2]指出由于施工質(zhì)量影響，墻體大面平整度不理想，嚴(yán)重影響面板受力均勻性，增加面板開裂風(fēng)險(xiǎn)；丁林等[3]認(rèn)為，擠壓邊墻材料參數(shù)的改變有利于擠壓邊墻和面板間應(yīng)力狀態(tài)的改善；王建幫等[4]認(rèn)為，擠壓邊墻混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、滲透系數(shù)和干密度等各項(xiàng)參數(shù)的性能在不同壩高和壩型下均需進(jìn)行定性的分析研究。但是，到目前為止工程業(yè)界尚未見具體有效的改善措施提出。

國內(nèi)外研究成果表明，在普通混凝土中摻加橡膠顆?？娠@著降低材料彈性模量，提高結(jié)構(gòu)韌性、變

形能力與抗?jié)B性[5- 8]。因此，這一優(yōu)點(diǎn)恰好契合擠壓邊墻要求減小過度約束、協(xié)調(diào)變形與改進(jìn)結(jié)構(gòu)抗裂等需求，從而有助于緩解面板開裂的工程問題。但目前國內(nèi)外僅有一些道路工程中的有限應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，混凝土面板堆石壩建設(shè)中的應(yīng)用可行性和效果未知。因此，研究含橡膠顆粒的擠壓邊墻材料，通過試驗(yàn)驗(yàn)證彈性模量、強(qiáng)度、透水性是否可滿足工程應(yīng)用要求，具有重要意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 材料性能

試驗(yàn)采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，具體參數(shù)見表1。細(xì)骨料吸水率0.8%，含泥量為0，表觀密度2 790 kg/m3，堆積密度為1.78 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.82，篩分結(jié)果見表2；粗骨料吸水率0.22%，含泥量0.2%，表觀密度2 830 kg/m3，篩分結(jié)果見表3。橡膠顆粒為不規(guī)則顆粒，顆粒直徑在2～3 mm之間，吸水率為0，表觀密度1.165 g/cm3。減水劑采用四川柯帥ks型減水劑，速凝劑采用長安育才生產(chǎn)的速凝劑。

表1 水泥主要參數(shù)

表2 細(xì)骨料篩分結(jié)果

表3 粗骨料篩分結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參考某面板堆石壩擠壓邊墻混凝土配合比，采用了橡膠顆粒分別取代細(xì)骨料，取代粗骨料，以及直接添加粗集料質(zhì)量的橡膠顆粒，研究不同橡膠摻量(5%和10%)對柔性邊墻料的抗壓強(qiáng)度的影響，初步確定合適的柔性擠壓邊墻材料配合比，試驗(yàn)配合比見表4。

表4 試驗(yàn)配合比 kg

1.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

對每種配合比，根據(jù)DL/T 5422—2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，采用鋼試模和鋼套模，并采用壓力機(jī)以0.1 MPa/s速率進(jìn)行連續(xù)均勻加壓，制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件6個(gè)；移入20±5 ℃的成型室內(nèi)，靜置24 h后拆除試模；脫模后移入養(yǎng)護(hù)室按DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.4 抗壓強(qiáng)度結(jié)果與分析

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，橡膠顆粒摻入量和摻入方式對柔性擠壓邊墻材料的抗壓強(qiáng)度均有影響。

圖1 各配合比抗壓強(qiáng)度對比

1.4.1 橡膠顆粒摻入量分析

在相同齡期、相同摻入方式情況下，試塊抗壓

強(qiáng)度隨橡膠顆粒摻入量上升而下降。其中，摻量為5%試塊的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度約15%～20%，摻量為10%試塊的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度約30%～40%。

1.4.2 橡膠顆粒摻入方式分析

在相同的齡期、相同摻入量情況下，橡膠顆粒等體積取代粗骨料的試塊抗壓強(qiáng)度較等體積取代細(xì)骨料的試塊抗壓強(qiáng)度高，且均高于直接加入橡膠顆粒的試塊抗壓強(qiáng)度。

橡膠顆粒等體積取代粗骨料和細(xì)骨料破壞了原有級配，造成強(qiáng)度降低。直接加入橡膠顆粒即外摻方法，雖然沒有破壞原有級配，但是直接加入顆粒導(dǎo)致與其他配合比相比同體積試塊的密度下降，抗壓強(qiáng)度自然也隨之下降。

DL/T 5297—2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，擠壓邊墻混凝土28 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)小于5 MPa。但本文研究表明，上述擠壓邊墻材料配合比28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)6.3 MPa，超出標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)25%，由此將對面板和墊層受力情況產(chǎn)生不利影響。因此，在實(shí)際工程當(dāng)中考慮摻加橡膠顆粒，采取等體積取代粗骨料的摻入方式。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)及制樣

2.1 成型性能

為進(jìn)一步研究柔性擠壓邊墻材料的成型性、彈性模量與滲透系數(shù)等性能指標(biāo)，在某混凝土面板堆石壩施工現(xiàn)場進(jìn)行了邊墻擠出試驗(yàn)，并制作了現(xiàn)場試樣用于進(jìn)一步測試研究?，F(xiàn)場試驗(yàn)段選用5V-CJL(試塊代號)配合比，即，使用5%橡膠顆粒等體積取代粗集料，擠壓邊墻機(jī)行進(jìn)速度穩(wěn)定控制在40 m/h，現(xiàn)場試驗(yàn)段長5 m。通過試驗(yàn)可見，柔性擠壓邊墻可順利進(jìn)行擠壓邊墻施工，邊墻面較為光滑平整，可適應(yīng)施工要求。根據(jù)DL/T 5422—2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，制取棱柱形和圓柱形基準(zhǔn)樣及含橡膠顆粒的柔性擠壓邊墻試塊，用于測試彈性模量和滲透系數(shù)。

2.2 抗壓強(qiáng)度

由JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》，采用沖擊能量為0.735J的小型回彈儀對養(yǎng)護(hù)28 d的試驗(yàn)段進(jìn)行了測試，首先劃定10個(gè)測區(qū)，每個(gè)測區(qū)內(nèi)彈擊16次。試驗(yàn)結(jié)果顯示，柔性擠壓邊墻材料28 d抗壓強(qiáng)度為4.3 MPa，滿足擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的擠壓邊墻混凝土28 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)小于5 MPa要求。

2.3 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)采用北京建研華測公司的馬略特全自動(dòng)混凝土透水系數(shù)測定儀(HC-APC型)進(jìn)行測試。試驗(yàn)方法基于馬略特原理如圖2所示。

圖2 透水系數(shù)測定原理

滲透系數(shù)計(jì)算公式

(1)

式中，Kt為水溫為T℃時(shí)試樣的透水系數(shù)，mm/s；Q為ts內(nèi)滲透總流量；L為試塊的高度(又稱滲徑長度，50 mm)；A為試塊的橫截面積(直徑100 mm)；H為水頭差(500 mm)；t為滲流時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，加入橡膠顆粒后，抗?jié)B性明顯提高，基準(zhǔn)樣28 d的滲透系數(shù)量級在10-3～10-2cm/s之間，5V-CJL樣的滲透系數(shù)數(shù)量級在10-4～10-3cm/s，為基準(zhǔn)樣的1/2左右。這是由于橡膠憎水性使得滲流阻力加大，滲徑變長，降低了毛細(xì)孔的抽吸作用，故摻入橡膠對混凝土抗?jié)B性具有一定增強(qiáng)作用，并滿足DL/T 5297—2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的擠壓邊墻混凝土28 d滲透系數(shù)應(yīng)符合10-4～-10-2cm/s范圍要求。

2.4 彈性模量

按GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對試樣進(jìn)行了彈性模量測定。試件尺寸為15 cm×15 cm×30 cm，測試裝置如圖3所示。彈性模量計(jì)算公式如下

圖3 彈性模量測試

(2)

式中，Ec為所測試件彈性模量；Fa為破壞時(shí)的軸向荷載；F0為0.5 MPa時(shí)的軸向荷載；εa為破壞時(shí)的千分表讀數(shù)；ε0為0.5 MPa 時(shí)的千分表讀數(shù)；L為測點(diǎn)標(biāo)距；A為試塊的橫截面積。

試驗(yàn)顯示，基準(zhǔn)樣28 d彈性模量為12 GPa，5V-CJL樣28 d彈性模量為7.6 GPa?；鶞?zhǔn)樣加載后碎裂，5V-CJL樣加載后仍成一體，只是產(chǎn)生了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。由此可見，摻入橡膠顆粒后，彈性模量明顯減小。摻加5%橡膠后，彈性模量較基準(zhǔn)下降36.6%；橡膠顆粒本身的彈性模量較低，且橡膠顆粒和水泥漿界面處粘接力相對較弱，是造成強(qiáng)度和彈性模量下降的主要原因。但是，橡膠顆粒摻入后在混凝土內(nèi)部形成可伸縮顆粒群；在荷載作用下可釋放尖端應(yīng)力、阻斷裂紋繼續(xù)發(fā)展，形成部分脫開部分粘連的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系。因此，橡膠柔性擠壓邊墻材料比現(xiàn)有擠壓邊墻材料具有更好的變形性能和韌性。橡膠柔性擠壓邊墻材料能夠滿足DL/T 5297—2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范》有關(guān)混凝土彈性模量的要求。

3 結(jié) 論

(1)目前擠壓邊墻材料28 d抗壓強(qiáng)度偏高，超過規(guī)范允許值，摻入橡膠顆粒可有效降低抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒摻入量增大而減小。同時(shí)，橡膠顆粒摻入方式也對抗壓強(qiáng)度有顯著影響，最終確定以5%橡膠顆粒等體積取代粗集料制成柔性擠壓邊墻材料。

(2)現(xiàn)場5 m試驗(yàn)段施工及測試表明，柔性擠壓邊墻材料可順利成型，表面較光滑；28 d抗壓強(qiáng)度經(jīng)現(xiàn)場回彈測試為4.3 MPa；28 d滲透系數(shù)在10-4～10-3cm/s之間；28 d彈性模量為7.6 GPa，以上參數(shù)均滿足規(guī)范要求。此外，柔性擠壓邊墻材料破壞時(shí)不碎裂，破壞形態(tài)較完整，具有延展性，說明摻入橡膠顆粒后，柔性擠壓邊墻材料可滿足施工作業(yè)、各性能指標(biāo)和提高延性等要求。