不同齡期濕篩大壩混凝土力學(xué)性能研究

石 佳

(撫順市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

近年來,我國修建的高拱壩數(shù)量越來越多,最大壩高已達(dá)到世界水平,如擬建的白鶴灘拱壩289m和在建的錦屏一級拱壩305m。高拱壩對混凝土的耐久性、安全性和整體性要求更高,如何提高壩體抗裂安全系數(shù)以及避免溫度裂縫已成為高拱壩建設(shè)亟待解決關(guān)鍵問題。然而,采用分封分塊澆筑、預(yù)埋冷卻水管系統(tǒng)、預(yù)冷骨料加冰拌合、高摻粉煤灰、中熱水泥等常規(guī)的溫控措施和施工技術(shù),并不能從根本上避免裂縫的出現(xiàn),有的裂縫甚至?xí)斐奢^大的危害[1-3]。因此,仍需從配合比及原材料的源頭進(jìn)行創(chuàng)新研究。

由于氣候環(huán)境、攪拌方式和養(yǎng)護(hù)條件等因素均會(huì)在一定程度上影響混凝土的實(shí)際強(qiáng)度,為了在筑壩前提有更加準(zhǔn)確的評價(jià)以及提供更加真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),有必要在相同測量條件下測定現(xiàn)場澆筑成型試件的力學(xué)強(qiáng)度。實(shí)際工程中,主要利用濕篩二級配混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件評定全級配混凝土的力學(xué)性能,但濕篩與全級配混凝土的力學(xué)性能通常具有一定差異[4-5]。這是因?yàn)闈窈Y法剔除了拌合物中粒徑超過40mm的大骨料,大大降低了粗骨料的體積比例,整個(gè)體系中的膠材占比隨之提高,進(jìn)而使骨料與砂漿之間的界面接觸減小,界面缺陷被削減;另外,砂漿更好地濕潤和包裹骨料,有效改善了界面過渡區(qū)。王仲華等試驗(yàn)研究了濕篩混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件和相同配比三峽大壩全級配混凝土(最大骨料粒徑80mm)的力學(xué)強(qiáng)度,并確定兩種混凝土的強(qiáng)度之比;馮煒等測試分析了三峽大壩混凝土配合比優(yōu)化前后的界面強(qiáng)度,通過修正尺寸與損傷系數(shù)發(fā)現(xiàn),軸拉試驗(yàn)測值與宏觀強(qiáng)度相近,并且隨著界面強(qiáng)度的增大而提高;管俊峰等使用楔入劈拉試驗(yàn)探究了大壩混凝土斷裂韌度受不同齡期的影響,并提出現(xiàn)場澆筑試件尺寸與斷裂韌度之間的關(guān)系[6-8]。因此,尺寸效應(yīng)是導(dǎo)致全級配與濕篩混凝土強(qiáng)度差異的重要因素。

本研究選取春、夏、秋、冬全季節(jié),現(xiàn)場澆筑成型低熱水泥全級配和濕篩二級配混凝土試件,通過抗壓和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)探究不同季節(jié)、不同齡期兩種混凝土的強(qiáng)度差異,并進(jìn)一步揭示兩者的力學(xué)性能時(shí)變特征,以期為筑壩材料優(yōu)選及大壩混凝土配合比優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 配合比設(shè)計(jì)

以遼寧省境內(nèi)地區(qū)某水庫大壩為研究對象,直接從施工現(xiàn)場的拌和樓提取試驗(yàn)所用全級配混凝土,在實(shí)驗(yàn)室測定拌合物坍落度處于40～60mm之間,最大骨料粒徑150mm。經(jīng)濕篩處理,將現(xiàn)場提取的拌合物轉(zhuǎn)變成最大骨料粒徑40mm的二級配混凝土。水膠比為0.40,粉煤灰摻量30%、砂率25%,試驗(yàn)配合比如表1所示。水泥使用大連特種水泥廠生產(chǎn)的P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥,粉煤灰使用沈陽熱電廠提供的Ⅰ級粉煤灰,砂、石骨料由大連莊沙砂石場提供。

表1 全級配大壩混凝土配比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)方案

針對混凝土在外界自然環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護(hù)條件存在較大差異的情況,為最大程度地接近大壩混凝土在室外養(yǎng)護(hù)過程,準(zhǔn)確測定其力學(xué)性能,本試驗(yàn)在春、夏、秋、冬全季節(jié)溫度環(huán)境中制作低熱水泥全級配及濕篩二級配混凝土試件,并依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測定不同齡期軸心抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度,試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 大壩混凝土試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)共制作85組試件用于混凝土力學(xué)性能測試,其中濕篩二級配混凝土56組,全級配混凝土29組。全級配混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)每組3個(gè),各組為邊長450mm的立方體,軸壓強(qiáng)度測試試件每組4個(gè),共5組,試件為900mm×450mm×450mm的長方體;濕篩二級配抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)每組3個(gè),試件尺寸150mm×150mm×150mm,軸壓強(qiáng)度試驗(yàn)每組6個(gè),共18組,試件為300mm×150mm×150mm的長方體。

在水庫大壩施工現(xiàn)場,按照現(xiàn)行規(guī)范澆筑、振搗、成型、制作各組混凝土試件,使用10000kN和2000kN兩種量程的液壓伺服機(jī)測定全級配、濕篩二級配混凝土強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在不同季節(jié)、不同齡期全級配和濕篩二級配混凝土的抗壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)如圖1所示。

(a)全級配 (b)濕篩二級配

由圖1可知,雖然成型季節(jié)存在差異,但全級配和濕篩二級配混凝土的抗壓強(qiáng)度變化趨勢基本相同,養(yǎng)護(hù)前期抗壓強(qiáng)度發(fā)展較快,齡期越長則各組強(qiáng)度增幅變緩。盡管全級配與濕篩二級配混凝土強(qiáng)度均滿足40MPa的設(shè)計(jì)要求,但濕篩混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為90d,而全級配混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為180d,表明濕篩二級配混凝土具有更短的養(yǎng)護(hù)周期,在實(shí)際工程中的實(shí)用性更好。另外,夏季制作的濕篩二級配混凝土高于其它季節(jié)的成型試件強(qiáng)度,并以7d、180d齡期最為顯著,表明夏季高溫可以在一定程度上提高濕篩混凝土強(qiáng)度。

通過對比分析可知,在相同季節(jié)和齡期條件下,全級配混凝土強(qiáng)度總體低于濕篩二級配混凝土,說明濕篩總體優(yōu)于全級配混凝土性能。

2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

在不同季節(jié)、不同齡期全級配和濕篩二級配混凝土的劈裂強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)如圖2所示。

(b)全級配 (b)濕篩二級配

由圖2可知,不同季節(jié)的全級配和濕篩二級配混凝土劈裂強(qiáng)度均隨齡期的延長而增大,并且隨時(shí)間的推移增長幅度逐漸平緩。季節(jié)相同情況下,濕篩二級配總體高于全級配混凝土劈裂強(qiáng)度,齡期越大兩者的差距也逐漸增大,該變化特征與抗壓強(qiáng)度基本一致。全級配與濕篩二級配混凝土劈裂強(qiáng)度也表現(xiàn)出夏季制作試件高于其它季節(jié)的特征,秋季澆筑成型試件的劈裂強(qiáng)度最小。因此,應(yīng)盡可能避開秋季澆筑大壩混凝土,為保證大壩后期抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度最好選擇夏季澆筑施工。

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量

全級配和濕篩二級配混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量測試結(jié)果如表3所示。

表3 大壩混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量

從表3可以看出,在制作成型季節(jié)和齡期相同的情況下,濕篩二級配均高于全級配混凝土的軸壓強(qiáng)度,濕篩混凝土的性能更優(yōu),彈性模量也表現(xiàn)出相同的變化特征[11-12]。兩種試件的軸壓強(qiáng)度、彈性模量均隨著齡期的延長表現(xiàn)出增大,但變化幅度趨于平緩。對于春、夏、秋、冬不同季節(jié),夏季制作的濕篩二級配混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量最大,該變化趨勢與抗壓、劈拉強(qiáng)度保持較好一致性。

3 結(jié) 論

文章通過抗壓、劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)探討了全季節(jié)和多齡期下低熱水泥濕篩二級配和全級配現(xiàn)場澆筑試件的力學(xué)性能,主要結(jié)論為:

1)全級配和濕篩二級配混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著試件的延長而提高,但齡期越長其強(qiáng)度發(fā)展速度趨越慢;180d齡期時(shí),全級配和濕篩二級配混凝土均能滿足40MPa強(qiáng)度要求;制作季節(jié)與齡期相同情況下,濕篩二級配高于全級配混凝土抗壓強(qiáng)度。

2)全級配和濕篩二級配混凝土劈裂強(qiáng)度均隨著齡期的延長逐漸提高,且濕篩二級配大于全級配的劈裂強(qiáng)度,且隨著齡期的延長兩者的差值不斷增大,表明濕篩二級配總體優(yōu)于全級配的力學(xué)性能。

3)兩種混凝土的軸壓強(qiáng)度、彈性模量均隨著齡期的延長表現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢,并且濕篩二級配均高于全級配混凝土,夏季制作的混凝土強(qiáng)度高于其它季節(jié)。