低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發(fā)展特性研究

劉志洪 胡昱 鄔昆 楊寧 譚堯升 高小峰

摘要：低熱水泥混凝土在中國(guó)特高拱壩建設(shè)中已全面應(yīng)用。為確定低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發(fā)展規(guī)律，設(shè)計(jì)10，20，40 ℃ 3種養(yǎng)護(hù)溫度，3，7，14，28 d 4種齡期，開展了不同養(yǎng)護(hù)溫度下低熱水泥混凝土楔入劈拉斷裂試驗(yàn)，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采用成熟度理論分析斷裂參數(shù)與等效齡期間的關(guān)系。結(jié)果表明：在10～40 ℃范圍內(nèi)，相同齡期低熱水泥混凝土的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能均隨養(yǎng)護(hù)溫度的增大而增大;基于成熟度理論的等效齡期計(jì)算公式和斷裂參數(shù)-成熟度的對(duì)數(shù)函數(shù)形式均可較好地描述低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發(fā)展規(guī)律。研究成果可為大壩結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)分析與安全評(píng)定過程中可靠斷裂參數(shù)的取值提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：低熱水泥; 混凝土; 斷裂參數(shù); 養(yǎng)護(hù)溫度; 成熟度; 楔入劈拉斷裂試驗(yàn); 高拱壩

中圖法分類號(hào)： TU528.44 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.027

0 引 言

低熱水泥混凝土具有水化熱低、綜合抗裂性能好等特點(diǎn)[1]，可有效降低大體積混凝土溫控防裂的難度，為中國(guó)無縫大壩的建設(shè)提供了可能。目前低熱水泥混凝土已在烏東德和白鶴灘大壩得到了全面運(yùn)用，為特高拱壩的建設(shè)與維護(hù)提供了相較于中熱水泥混凝土更高的抗裂安全儲(chǔ)備。然而，由于低熱水泥混凝土早齡期的材料特性發(fā)展相對(duì)較慢，且易受養(yǎng)護(hù)溫度的影響，可能存在一定的早齡期開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此需特別關(guān)注其早齡期斷裂性能的演化規(guī)律。

現(xiàn)有研究表明，混凝土早齡期材料特性與其溫度歷程密切相關(guān)[2]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度性能的影響開展了大量研究[3-5]，而關(guān)于養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土斷裂性能的影響研究則相對(duì)較少。Yu等[6]開展了養(yǎng)護(hù)溫度為14，23，35 ℃的混凝土3點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：相同齡期下，混凝土的斷裂能隨養(yǎng)護(hù)溫度增大呈上漲趨勢(shì)。李慶斌等[7]分別在夏季和冬季開展了中熱水泥全級(jí)配混凝土楔入劈拉斷裂試驗(yàn)，結(jié)果表明：相同齡期下，夏季澆筑混凝土的斷裂參數(shù)大于冬季澆筑混凝土的斷裂參數(shù)。李根[8]通過開展養(yǎng)護(hù)溫度為5～30 ℃的碾壓混凝土楔入劈拉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，混凝土的起裂和失穩(wěn)韌度均逐漸增大。黃煜鑌等[9]開展了夏季高溫養(yǎng)護(hù)條件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的高強(qiáng)混凝土斷裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)56 d后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土斷裂能遠(yuǎn)大于夏季高溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土斷裂能。米正祥[10]通過開展養(yǎng)護(hù)溫度為5～60 ℃下的混凝土楔入劈拉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土的斷裂性能存在高溫交叉效應(yīng)，即較高的養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)應(yīng)較小的極限斷裂參數(shù)。以上研究表明：對(duì)于普通或中熱水泥混凝土而言，在一定的溫度范圍內(nèi)，混凝土斷裂參數(shù)隨養(yǎng)護(hù)溫度的增大而增大，但對(duì)于不同的混凝土材料，溫度對(duì)混凝土斷裂性能的影響效應(yīng)可能存在差異。因此，對(duì)于低熱水泥混凝土，其不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下斷裂性能的定性規(guī)律雖然可能與普通或中熱混凝土一致，但其具體的定量關(guān)系仍需通過不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的斷裂性能試驗(yàn)確定。

為了定量分析養(yǎng)護(hù)溫度和齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度性能發(fā)展的綜合影響，Nurse[11]和Saul[12]提出了成熟度的概念和相應(yīng)的計(jì)算公式（本文稱之為N-S成熟度公式）?；谏鲜鲅芯浚煌瑢W(xué)者先后提出了多種改進(jìn)的成熟度計(jì)算方法[13]。其中最著名的是Freiesleben等[14]基于Arrhenius理論提出的F-P等效齡期公式。它不但提高了混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)精度，還為成熟度理論賦予了清晰的物理意義，因此成為目前應(yīng)用較為廣泛的成熟度模型之一。此外，中國(guó)DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》[15]亦給出了用于混凝土早齡期強(qiáng)度性能預(yù)測(cè)的等效齡期推薦公式，該公式與F-P等效齡期公式具有相似的表達(dá)形式，因此其本質(zhì)是相同的。在成熟度理論的應(yīng)用方面，管俊峰等[16]基于其提出的等效成熟度理論，建立了現(xiàn)場(chǎng)澆筑大壩混凝土斷裂性能與等效成熟度的關(guān)系。米正祥[10]認(rèn)為F-P等效齡期公式相較于N-S成熟度公式而言，對(duì)混凝土斷裂參數(shù)的預(yù)測(cè)精度更高。李根[8]認(rèn)為管俊峰等提出的等效成熟度公式能更好地反應(yīng)碾壓混凝土斷裂參數(shù)隨養(yǎng)護(hù)溫度和齡期的變化規(guī)律。綜上所述，有必要在開展不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)低熱水泥混凝土斷裂性能影響試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，采用合適的成熟度方法，建立任意養(yǎng)護(hù)溫度和齡期條件下低熱水泥混凝土的斷裂性能發(fā)展曲線，進(jìn)一步明確F-P等效齡期公式和N-S成熟度公式在混凝土斷裂性能預(yù)測(cè)方面應(yīng)用的適用性。

本文設(shè)計(jì)10，20，40 ℃共3種養(yǎng)護(hù)溫度，3，7，14，28 d 4種齡期，開展不同養(yǎng)護(hù)溫度下低熱水泥混凝土楔入劈拉斷裂試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用成熟度理論分析斷裂參數(shù)與等效齡期間的關(guān)系。研究成果可為大壩結(jié)構(gòu)施工期開裂風(fēng)險(xiǎn)分析與安全評(píng)定提供必要材料參數(shù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比

本次試驗(yàn)采用骨料最大粒徑為20 mm的一級(jí)配混凝土，配合比如表1所列。混凝土水膠比為0.5，粉煤灰摻量為35%，與烏東德大壩混凝土一致。經(jīng)測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下該一級(jí)配混凝土強(qiáng)度性能的發(fā)展曲線，與施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C18035的全級(jí)配混凝土經(jīng)濕篩后得到的二級(jí)配混凝土強(qiáng)度性能發(fā)展曲線較為接近。本次試驗(yàn)所用混凝土原材料均取自烏東德大壩工程施工現(xiàn)場(chǎng)。其中水泥為P·LH 42.5嘉華低熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為卓圣F類I級(jí)，粗骨料與人工砂均為石灰?guī)r，減水劑為SBTJM-Ⅱ緩凝Ⅱ型高效減水劑，引氣劑為GYQ-I混凝土高效引氣劑。本次試驗(yàn)所有試件的養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度均設(shè)定為98%，從而消除養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土斷裂性能的影響。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

本次試驗(yàn)的試件形式采用楔入劈拉試件，試件總高度為330 mm，有效高度和厚度分別為300 mm和120 mm。試件初始縫高比統(tǒng)一為0.4，即初始裂縫長(zhǎng)度為120 mm，韌帶高度為180 mm。為保證試件的成型質(zhì)量，楔入劈拉試件全部采用鋼模具澆筑。模板頂部預(yù)留有凹槽，并在凹槽處固定一根50 mm×30 mm的方管。試件的預(yù)制裂縫通過內(nèi)嵌鋼板生成，鋼板厚度統(tǒng)一為3 mm，底端磨成刀口型，用于生成預(yù)制裂縫尖端。

所有試件在澆筑完成后連同模具放入設(shè)定好溫濕度的環(huán)境箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，48 h后取出拆模。拆模完畢后將試件放回原環(huán)境箱繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，直至達(dá)到試驗(yàn)齡期后取出、晾干后開展試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土楔入劈拉試驗(yàn)采用濟(jì)南試金試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的WDW-10微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)加載，加載速率設(shè)定為0.05 mm/min。在試件預(yù)制縫左右兩側(cè)10 mm處分別對(duì)稱布置兩片應(yīng)變片測(cè)定起裂荷載。裂縫口張開位移CMOD采用YYJ-4型電子夾式引伸儀測(cè)量，量程為4 mm，標(biāo)距10 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用DH3818Y東華動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集箱，采集頻率為5 Hz。試件底部支承形式采用雙線支承，即將支座放置于試件底部四分點(diǎn)處，從而消除試件自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，在加載架、傳力裝置及試件即將接觸時(shí)，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并采集零點(diǎn)，直到試件破壞，停止加載和數(shù)據(jù)采集，整個(gè)過程大約持續(xù)20～90 min。試驗(yàn)加載裝置如圖1所示。

圖3～5分別為不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能隨齡期的變化規(guī)律?？梢钥闯觯夯炷疗鹆秧g度、失穩(wěn)韌度和斷裂能均隨齡期的增大而逐漸增大。40 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土斷裂性能表現(xiàn)為14 d齡期內(nèi)快速增長(zhǎng)，14 d齡期后增長(zhǎng)緩慢，其主要原因?yàn)檩^高的養(yǎng)護(hù)溫度加快了早齡期水泥的水化速率，從而促進(jìn)混凝土斷裂性能的快速增長(zhǎng)。然而隨著齡期的繼續(xù)增加，40 ℃養(yǎng)護(hù)混凝土中的水化反應(yīng)已經(jīng)接近完成，因此后期混凝土斷裂性能的增長(zhǎng)較為有限。另一方面，相同齡期、不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下混凝土的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能均隨養(yǎng)護(hù)溫度的增大而增大。以起裂斷裂韌度為例，養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃時(shí)不同齡期混凝土的起裂斷裂韌度相較于20 ℃時(shí)分別減小9.6%（3 d），24.4%（7 d），22.9%（14 d），35.0%（28 d），40 ℃時(shí)相較于20 ℃增大18.5%（3 d），22.0%（7 d），31.3%（14 d），3.3%（28 d）。

2.3 成熟度理論分析

為定量分析環(huán)境因素對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，并提出了多種成熟度計(jì)算公式以及強(qiáng)度與成熟度的關(guān)系方程?，F(xiàn)有成熟度計(jì)算公式中較為著名的有N-S成熟度公式和F-P等效齡期模型，強(qiáng)度與成熟度的關(guān)系方程則主要有指數(shù)[18]、對(duì)數(shù)[19]和雙曲線[20]3種形式。本文采用N-S成熟度公式和F-P等效齡期模型，分別計(jì)算了各養(yǎng)護(hù)溫度工況下混凝土的等效齡期，并采用指數(shù)、對(duì)數(shù)和雙曲線函數(shù)形式分別擬合了混凝土斷裂性能與等效齡期的關(guān)系。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，3種函數(shù)形式中對(duì)數(shù)形式對(duì)于早齡期低熱水泥混凝土斷裂性能和等效齡期的關(guān)系擬合效果最佳。為簡(jiǎn)化分析流程，本文僅展示對(duì)數(shù)形式擬合結(jié)果。

2.3.2 成熟度計(jì)算結(jié)果與分析

將混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度和齡期代入式（9） 和式（10） 可分別計(jì)算得到N-S和F-P等效齡期，計(jì)算結(jié)果列于表5。

圖6～11分別給出了混凝土起裂韌度、失穩(wěn)韌度和斷裂能與F-P和N-S等效齡期的擬合關(guān)系曲線。由圖可知，N-S成熟度公式和F-P等效齡期模型均能較好地反映混凝土斷裂參數(shù)與等效齡期間關(guān)系。對(duì)于本文試驗(yàn)結(jié)果，基于F-P等效齡期模型的斷裂參數(shù)與等效齡期的對(duì)數(shù)擬合形式精度更高。

3 結(jié) 論

本文通過開展不同養(yǎng)護(hù)溫度和齡期條件下低熱水泥混凝土楔入劈拉斷裂試驗(yàn)，定量分析了養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土斷裂參數(shù)的影響，并利用成熟度理論建立了早齡期低熱水泥混凝土斷裂參數(shù)與等效齡期之間的關(guān)系，得到如下主要結(jié)論。

（1） 低熱水泥混凝土斷裂性能隨齡期的增大而增大，40 ℃養(yǎng)護(hù)利于14 d齡期內(nèi)混凝土斷裂性能的快速增長(zhǎng)，但后期斷裂性能增長(zhǎng)較為有限。

（2） 在10～40 ℃范圍內(nèi)，相同齡期低熱水泥混凝土斷裂性能隨養(yǎng)護(hù)溫度的增大而增大。

（3） 由Freiesleben和Pedersen提出的等效齡期計(jì)算公式和斷裂參數(shù)-成熟度的對(duì)數(shù)函數(shù)形式均能較好地描述低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發(fā)展特性。研究成果可為大壩結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)分析與安全評(píng)定過程中可靠斷裂參數(shù)的取值提供依據(jù)。

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（編輯：胡旭東）