碾壓混凝土全級配與濕篩法力學性能試驗研究

李中田，雷秀玲，李艷萍，黃如卉

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061）

混凝土的力學性能關系到建筑物的承載能力和穩定性，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特性。混凝土材料的組成比例直接影響到混凝土的各項特性，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，使混凝土的力學性能及相應的本構關系發生了較大的變化，所測數據不能完全反應全級配混凝土的性能。基于濕篩法試驗來評價建筑物混凝土，只是一種預約的相對評價標準。因此，采用濕篩法試驗所測得的混凝土的特性參數來進行水工建筑物設計，必然會造成脫離實際的局限性。近年來，國內外一些重要水利工程都相繼開展了混凝土全級配試驗，將全級配混凝土力學參數直接用于工程設計，以增強大壩混凝土的安全性、經濟性。

研究內容為采用三級配碾壓混凝土分別進行濕篩法和全級配混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、靜壓彈性模量試驗，根據試驗結果，對比分析濕篩混凝土與全級配混凝土各項力學性能之間的關系。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗選用的水泥為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。對用于本次試驗的原材料進行品質檢驗，各材料檢測結果滿足相應標準要求。

1.2 試驗配合比

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個碾壓三級配混凝土配合比進行試驗。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。

配合比具體參數見表1。

表1 全級配混凝土配合比

1.3 試件成型和養護

這次試驗用混凝土試件按《水工碾壓混凝土試驗規程》（DL/T5433-2009）中確定的試驗方法成型。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）℃的環境中靜止24~48 h拆模，全級配試件在（20±5）℃的環境中靜止7 d拆模，拆模后試件置于標準養護室中養護至規定的齡期進行性能測試。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 試驗設備

濕篩法試驗采用2 000 kN液壓式壓力試驗機和100 kN液壓式壓力試驗機進行。全級配混凝土試驗采用的YAJ-10000型微機控制電液伺服多功能壓力試驗機進行，該試驗機可通過計算機對試驗過程進行自動控制，最大試驗壓力10 000 kN，能夠完成混凝土全級配試件抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、靜壓彈性模量試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

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

全級配混凝土及濕篩混凝土的試驗結果見表3。為便于對比，表4中還給出了全級配試件與濕篩標準試件試驗數據比值。

2.2 分析比對

根據本次試驗不同齡期與不同水膠比15組混凝土數據，對全級配混凝土與濕篩標準混凝土試件力學性能進行分析比較。

1）抗壓強度。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度低于濕篩混凝土，全級配試件抗壓強度與濕篩法試件抗壓強度比值在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果

表4 全級配與濕篩法混凝土試件性能比值

分析認為，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，且其實際含氣量低，這都是對其強度有利的因素。但同時，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。由于這一薄弱斷面的存在，往往會產生應力集中，使全級配混凝土試件比濕篩混凝土試件更易破壞。

這次試驗結果顯示，在全級配混凝土中，骨料界面薄弱環節對強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濕篩法試件靜壓彈性模量，隨試驗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節的存在仍導致試塊抗壓彈性模量較低，只是大小試塊差異并不明顯。

3）劈裂抗拉強度。試驗結果顯示，全級配碾壓混凝土劈裂抗拉強度低于濕篩法試件。全級配混凝土劈裂抗拉強度與濕篩標準試件的比值為0.68~0.87。

分析認為，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，混凝土內部的原生裂紋開始擴展，并伴隨著新裂紋的產生與擴展，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，因而其劈裂抗拉強度反而比全級配混凝土高。

試驗結果表明，相對于抗壓強度、靜壓彈性模量來說，全級配混凝土的劈拉強度遠低于濕篩法試件，如果按現行標準采用濕篩法剔除大骨料后檢測混凝土劈裂抗拉強度較混凝土實際劈裂抗拉強度增大13%~32%。

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

在全級配混凝土與濕篩法標準試件試驗數據比值中，劈裂抗拉強度和抗折強度遠低于抗壓強度和抗壓彈性模量。可見對于界面薄弱環節的影響，抗拉強度比抗壓強度更敏感。

3 結論

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性能試驗結果表明，全級配混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量和抗折強度均低于相應濕篩混凝土試件。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準試件的各項比值如下：抗壓強度比0.80~1.02；靜壓彈性模量比0.77~0.98；劈裂抗拉強度比0.68~0.87；抗折強度比0.61~0.88。

2）分析認為，全級配混凝土各項指標偏低是由于大骨料界面形成原生裂紋引起。試驗數據反應，大骨料的存在對混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度影響較大。

3）由于全級配混凝土與濕篩混凝土試件試驗數據的明顯差異，因此基于濕篩法試驗來評價大體積建筑物混凝土，不能較真實的反應全級配混凝土的相關特性，具有局限性。建議具備條件的工程應開展全級配試驗。

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

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

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