基于等效齡期大壩混凝土層間粘結(jié)質(zhì)量控制方法研究

代瑞娟 （山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000）

1 引言

大壩建設(shè)技術(shù)的發(fā)展可分為人工、機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化階段。智能大壩提出了一種基于感知、分析和控制的閉環(huán)智能建設(shè)理念。智能大壩施工技術(shù)包括智能混凝土找平、混凝土振動(dòng)、噴淋、預(yù)警（層間粘結(jié)性能和壩體溫度）、水冷、維護(hù)、注漿等。我國大壩建設(shè)已從數(shù)字舞臺(tái)步入智能時(shí)代。智能施工理論和系統(tǒng)已成功應(yīng)用于西洛渡（285.5m）、烏東德（277.0m）、白鶴灘（279.0m）等超高拱壩的建設(shè)。

烏東德和白鶴灘大壩建設(shè)區(qū)屬典型的干熱河谷氣候，極端天氣（如高溫、低濕度、強(qiáng)風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水）在大壩建設(shè)區(qū)經(jīng)常發(fā)生。在強(qiáng)風(fēng)和干熱氣候的耦合作用下，混凝土混合料澆筑過程中會(huì)出現(xiàn)混凝土的低滲漏和高蒸發(fā)影響水泥的水化過程和最終水化程度，且骨料因失水而導(dǎo)致表面混凝土白化和假凝固。失水會(huì)引起混凝土毛細(xì)負(fù)壓值的急劇變化，進(jìn)而引起混凝土的塑性開裂。在高溫下，混凝土的早期滲出速率大于蒸發(fā)速率，這將導(dǎo)致混凝土表面形成一層漂浮的漿料。浮漿的高水灰比會(huì)使混凝土形成稀疏多孔的夾層弱區(qū)。如果上述問題不能得到有效解決，層間可能會(huì)出現(xiàn)滲流通道[1]。此外，還可能存在裂紋和防滑穩(wěn)定性問題。

壩體混凝土的層間粘結(jié)質(zhì)量控制方法應(yīng)建立下部混凝土關(guān)鍵參數(shù)與層間性能之間的關(guān)系，以確定具體的施工節(jié)點(diǎn)。針對上述方法的不足，分別進(jìn)行了不同溫度下混凝土的層間劈裂抗拉強(qiáng)度、相對滲透系數(shù)和電通量試驗(yàn)。然后，建立了等效齡期與層間強(qiáng)度系數(shù)、相對滲透系數(shù)比、電通量比的關(guān)系。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料

水泥使用42.5R 級普通硅酸鹽水泥，其28d抗壓強(qiáng)度為52.5MPa，終凝時(shí)間為286min，水灰比為1.07。人造砂（玄武巖粉碎）的表觀密度為2780kg/m3。粗骨料為被粉碎的玄武巖，粒徑范圍為5～20mm。此外，還使用了聚羧酸高效減水劑來保持混凝土的流動(dòng)性，減水率約為19%。

2.2 試樣準(zhǔn)備

混凝土試樣分三步澆筑。首先，澆筑下部混凝土（模具的一半高度）。然后，將標(biāo)本置于環(huán)境室（溫度為20°C、30°C 和40°C，相對濕度為30%）。6h后，將試樣從環(huán)境室中取出，并澆筑上層混凝土。所有試樣在脫模前置于室內(nèi)環(huán)境（20±2°C，相對濕度50%）24h。脫模后，將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)固化室（20±2°C，相對濕度95%）養(yǎng)護(hù)28d 后測試混凝土的性能。

本文試驗(yàn)包含有三種類型的模具，立方體（150mm×150mm×150mm）、圓錐（上直徑175mm、下直徑185mm、高度150mm）和圓柱體（φ100mm×200mm）。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用立方體試樣，圓錐試件用于相對滲透系數(shù)試驗(yàn)，圓柱試件用于電通量試驗(yàn)。不同試驗(yàn)制備3 個(gè)樣品，試驗(yàn)取其平均值。將混凝土試件分為四組，分別為C0、T20、T30 和T40，C0 表示大體積混凝土，其他組是成層混凝土。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2017）進(jìn)行[2]。首先，將試樣放置在壓力試驗(yàn)機(jī)下壓力板的中心，然后將墊板放置在上下壓板與試樣之間（墊板的放置方向與層水平，如圖1 所示）。加載速率為0.04～0.06MPa/s。

圖1 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2.3.2 混凝土相對滲透率試驗(yàn)

混凝土相對滲透率試驗(yàn)按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2017）進(jìn)行。試驗(yàn)的主要目的是確定混凝土在恒定水壓下的滲水高度，計(jì)算相對滲透系數(shù)。首先，將標(biāo)準(zhǔn)固化28d 后的試樣置于防滲試驗(yàn)機(jī)中，然后加載0.8MPa 的穩(wěn)定壓力值并保持24h，最后，沿縱向斷面分割試樣，記錄滲流高度。

2.3.3 耐氯離子滲透測試（電通量法）

混凝土氯離子快速滲透試驗(yàn)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）進(jìn)行[3]。直流通量法是混凝土抗氯離子滲透的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。首先，在電極之間施加60V 直流電，并在測試開始時(shí)將第1min作為初始電流，然后每30min 記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)持續(xù)6h。電通量測試方法如圖2 所示。氯離子在直流電壓的作用下通過混凝土試樣移動(dòng)到正極。測量通過混凝土的電荷量，這可以間接反映混凝土抵抗氯離子滲透的能力。

圖2 電通測試裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3 為不同溫度下混凝土層間劈裂抗拉強(qiáng)度的變化。首先，層間力學(xué)性能隨溫度的升高而降低。C0 的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.05MPa。層狀混凝土在20°C、30°C 和40°C 時(shí)的層間劈裂抗拉強(qiáng)度分別為1.63MPa（T20）、1.18MPa（T30）和0.83MPa（T40），分別比大體積混凝土（C0）低21%、44%和56%，進(jìn)一步表明高溫對混凝土的層間劈裂抗拉強(qiáng)度有不利影響。這種現(xiàn)象主要是由混凝土的化學(xué)反應(yīng)速率引起的?；炷恋幕瘜W(xué)反應(yīng)在固化開始階段進(jìn)展較快，但在后期發(fā)展緩慢，因此發(fā)現(xiàn)較高溫度不利于混凝土強(qiáng)度增長。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度

3.2 相對滲透率系數(shù)

圖4為不同溫度下混凝土相對滲透系數(shù)的變化。成層混凝土的相對滲透系數(shù)大于大體積混凝土。此外，隨著溫度的升高，混凝土的相對滲透系數(shù)呈上升趨勢。同時(shí)，與C0 相比，T20、T30 和T40 的相對滲透系數(shù)分別為大體積混凝土的1300、1680 和2320 倍。一般情況下，層間不透水性隨溫度升高而逐漸變差，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是溫度的升高加速了混凝土中水分的蒸發(fā)，缺水降低了膠凝材料的水化程度，使下部混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)粗糙，有害孔隙的增加和相互連接最終導(dǎo)致相對滲透系數(shù)的增加。同時(shí)水泥漿中引起火山灰反應(yīng)，減少了鞘石、水合硅酸鈣、硅酸鹽和方解石化合物中的水量，從而增加孔隙率，進(jìn)一步導(dǎo)致相對滲透率系數(shù)的增加。

圖4 相對滲透率系數(shù)

3.3 抗氯離子滲透

電通量測試結(jié)果如圖5 所示?？梢悦黠@觀察到成層混凝土（T20、T30 和T40）的電通量高于大體積混凝土（C0）。此外，電通量隨著溫度的升高而增加。成層混凝土在20°C、30°C和40°C（T20、T30和T40）下的電通量分別比大體積混凝土（C0）高10%、26%和30%，進(jìn)一步表明層間對氯離子滲透的抵抗力隨著溫度的升高而變差。

圖5 電通量測試結(jié)果

3.4 等效齡期層間粘結(jié)質(zhì)量關(guān)系

3.4.1 等效齡期與強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系

混凝土的強(qiáng)度系數(shù)表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)為層間劈裂抗拉強(qiáng)度；F0為大體積混凝土強(qiáng)度；As為強(qiáng)度系數(shù)。

由于大體積混凝土沒有層間間隔，因此其等效齡期為0、強(qiáng)度系數(shù)為1。而成層混凝土按照式（1）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1 所示，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制混凝土齡期與強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。圖中黃色預(yù)警節(jié)點(diǎn)為低級警告，代表混凝土等效齡期與實(shí)際不符，應(yīng)增加水量；橙色預(yù)警節(jié)點(diǎn)為中級警告，代表混凝土溫度較高，應(yīng)蓋隔熱材料；紅色預(yù)警節(jié)點(diǎn)為高級警告，代表混凝土溫度急需降溫，應(yīng)對混凝土進(jìn)行冷處理。

表1 成層混凝土計(jì)算結(jié)果

圖6 等效齡期與強(qiáng)度系數(shù)關(guān)系

混凝土強(qiáng)度系數(shù)與等效齡期呈線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.986。根據(jù)等效齡期與強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系，強(qiáng)度系數(shù)可分別控制在0.8、0.7 和0.6，對應(yīng)的等效齡期4.7h、7.1h 和9.7h。這表明，如果將層間劈裂抗拉強(qiáng)度控制在大體積混凝土強(qiáng)度的80%、70%或60%以內(nèi)，則下層混凝土的齡期應(yīng)分別控制在4.7h、7.1h或9.7h 以內(nèi)。如果等效齡期超過相應(yīng)的控制值，則層間結(jié)合強(qiáng)度將不符合控制要求。

3.4.2 等效齡期與相對滲透系數(shù)比的關(guān)系

相對滲透系數(shù)比值表達(dá)式為：

式中，Kr是成層混凝土的相對滲透系數(shù)；Kr0是大體積混凝土的相對滲透系數(shù)；Krr是相對滲透系數(shù)比。

根據(jù)公式（2）可進(jìn)一步計(jì)算成層混凝土等效齡期與相對滲透系數(shù)關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制混凝土齡期與相對滲透系數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

圖7 等效齡期與相對滲透系數(shù)關(guān)系

根據(jù)等效齡期與相對滲透系數(shù)比值的關(guān)系，如圖7 所示，相對滲透系數(shù)比值可分別控制在500、1000、1500，對應(yīng)的等效齡期分別為2.3h、5.4h 和8.6h。這表明，如果將層間相對滲透系數(shù)控制為構(gòu)件混凝土相對滲透系數(shù)的500 倍、1000 倍或1500 倍，則下層混凝土的等效齡期應(yīng)分別控制在2.3h、5.4h 或8.6h以內(nèi)。

3.4.3 等效齡期與電通量的關(guān)系

測試混凝土的氯離子滲透阻力有兩種方法，分別是快速氯離子遷移系數(shù)法和電通量法。電通量是評估混凝土對氯離子滲透的抵抗力參數(shù)。氯離子在電壓的作用下會(huì)通過混凝土試樣移動(dòng)到正極。因此，混凝土的氯化物滲透阻力可以通過特定時(shí)間內(nèi)混凝土的電荷間接反映。單位時(shí)間內(nèi)通過混凝土的電荷越多，混凝土的氯化物滲透阻力越差。電通量表達(dá)式為：

式中，C為成層混凝土的電通量；C0為大體積混凝土的電通量；Cr為電通量比。

根據(jù)公式（3）可進(jìn)一步計(jì)算成層混凝土等效齡期與電通量的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表3 所示，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制混凝土齡期與電通量的關(guān)系曲線如圖8 所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

圖8 等效齡期與電通比關(guān)系

根據(jù)等效齡期與電通量比的關(guān)系（見圖8），電通量比可分別控制在1.1、1.2和1.3，對應(yīng)的等效齡期分別為4.6h、9.6h 和13.7h。這表明，如果將成層混凝土的電通量控制在大體積混凝土電通量的1.1 倍、1.2 倍或1.3 倍，則下層混凝土的齡期應(yīng)分別控制在4.6h、9.6h 或13.7h以內(nèi)。

4 結(jié)論

基于不同溫度下混凝土的層間力學(xué)性能、抗?jié)B性和氯離子滲透率的試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論。

①提高環(huán)境溫度會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能。相反，相對滲透率和電通量隨著溫度的升高而增加。結(jié)果表明，混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性和抗氯離子滲透性會(huì)隨著溫度的升高而變差。

②下部混凝土等效齡期與強(qiáng)度系數(shù)、相對滲透率系數(shù)和電通比具有良好的線性相關(guān)性。等效齡期與強(qiáng)度系數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.986。等效齡期與相對滲透率系數(shù)比和電通量比呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.973 和0.924。

③層間粘結(jié)質(zhì)量控制方法已應(yīng)用于大壩建設(shè)過程中。該方法對層間粘接質(zhì)量的控制是有效的。未來計(jì)劃將濕度和風(fēng)速的影響因素引入等齡計(jì)算方程，以應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境條件下混凝土的層間粘結(jié)質(zhì)量控制。