堆石混凝土凍融損傷性能試驗研究

鄭英國

(滄州水利勘測設計院，河北 滄州 061000)

1 引言

堆石混凝土是清華大學金峰與安雪暉教授提出的國家專利技術，是指利用自密實混凝土的高流動、抗分離性能好以及自流動的特點，在較大粒徑的塊石中隨機充填自密實混凝土而形成的混凝土堆石體[1]。堆石混凝土具有水泥用量少、施工成本低、施工速度快、水化升溫小等諸多優勢，在水利工程大壩施工中具有良好的應用前景[2]。截止2017年，我國在建的堆石混凝土大壩已經有24座，審查待建的有43座[3]。相對于普通混凝土，目前在堆石混凝土的研究方面還存在諸多不足之處。其中最主要的是凍融循環條件下的堆石混凝土力學性能研究較為欠缺[4]。我國地域面積廣大，有近四分之三的國土冬季氣溫在-5℃以下。特別是在北方寒區和青藏高原等高海拔地區，受到晝夜凍融小周期以及季節性凍融大周期的交互作用，寒區水工混凝土建筑的服役性能劣化十分突出[5]。因此，本次研究通過室內試驗的方式，對堆石混凝土凍融損傷性能進行試驗研究，力求為寒區堆石混凝土水工結構的設計和建設提供必要的理論支持。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

由于堆石混凝土一般用于大壩等大體積混凝土的澆筑施工，因此對早期水化熱具有較高的要求，一般需要采用低熱水泥[6]。本次研究選用的是金禺水泥有限公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，經實驗室測定相關標準滿足試驗要求，可以用于試驗研究。

試驗用礦物摻合料為粉煤灰。利用粉煤灰代替混凝土膠凝材料中的部分水泥，不僅可以減少混凝土的溫裂縫，還可以大量消耗水泥的水化產物氫氧化鈣，有利于提高混凝土的強度。本次試驗研究選擇是電廠生產的F類Ⅰ級粉煤灰，其化學成分和基本性能滿足試驗的相關要求。

試驗中的堆石采用的是花崗巖卵石，在堆石混凝土中主要起到骨架支撐作用，粒徑為40 mm～90 mm，堆積密度為1898 kg/m3，松散堆積密度為1744 kg/m3；試驗用粗骨料為機械破碎篩分的石灰巖碎石，粒徑5 mm～10 mm；試驗用細骨料的主要作用也是骨架支撐作用。本次試驗采用的是河沙篩選處理，確保其質量合格。試驗用減水劑為SKD-14型聚羧酸系高效減水劑，試驗用水為普通自來水。

2.2 試樣的制作

為了進行堆石混凝土的凍融損傷試驗，設計了邊長為60 cm的立方體試模[7]。在試驗過程中，先將其表面清理干凈，然后放入清洗過的卵石將試模填滿，然后將配制好的自密實混凝土倒入試模，利用其重力作用自動填充到卵石之間的孔隙中，最后形成堆石混凝土立方體。試塊成型24小時后拆模，然后利用自然條件養護至7 d與28 d齡期。為了進行對比研究，試驗中制作數目和配比相同的自密實混凝土試樣，一并進行試驗。

2.3 試驗方法

為了試驗凍融循環對堆石混凝土力學性能的影響，將養護完畢的試樣在-20℃下凍結12 h，凍結完成后在20℃下融化12 h為一個凍融循環。分別在25次、50次、75次和100次反復凍融循環之后，進行抗壓強度和彈性模量測試。

為了測定堆石混凝土的力學性能，參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)的相關要求，試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。因此，需要將上節養護完畢的試樣進行切割，達到試驗方法對試塊尺寸的要求[8]。在數據處理過程中將三個試塊的試驗結果均值作為最終結果。在抗壓強度的測試中，如果在測試過程中出現某個測量值與中值的差異度超過15%，則該組試驗結果無效，需要重新進行試驗。

關于彈性模量的試驗，主要步驟如下：對切割完畢的試塊進行測量，計算出其承壓面積A；取三個齡期相同的試塊，按照相關的要求，測定其軸心抗壓強度。另取三個相同的試件進行彈性模量試驗，按照相關規范的要求安裝好彈性模量的測試儀。儀器安裝完成之后進行預壓，然后穩定加荷載到同齡期試件軸心抗壓強度的1/3，重復預壓至相鄰兩次千分表示數的差值在0.003 mm以內。在預壓的過程中，應該保持試驗機的變形儀表運轉正常。

在預壓完成之后進行正式試驗，試驗中先加荷載至應力0.5 MPa的初始荷載F0，持續30 s，分別讀取千分表的示數，然后加載至控制荷載，持續30 s，并讀取此時的千分表讀數。卸荷并取下儀表，之后以同樣的速度加荷至試塊破壞，并讀取其軸心抗壓強度。在試驗結束之后，按照如下公式計算試塊的彈性模量：

(1)

式中：E為彈性模量值，MPa；Fa為1/3軸心抗壓強度，N；F0為0.5 MPa時的荷載，N；A為試件的承壓面積，mm2；L為試件兩側變形差值的平均值，mm；δ0測點標距，mm。

3 試驗結果與分析

3.1 自密實混凝土試驗結果與分析

試驗中對經歷不同次數凍融循環的自密實混凝土試塊進行抗壓強度試驗，獲得如表1所示的抗壓強度和彈性模量。以沒有經過凍融試件的抗壓強度和彈性模量為基準，或者不同凍融次數下的相對抗壓強度和相對彈性模量，見圖1。由表1和圖1可知，隨著凍融循環次數的增加，自密實混凝土試塊的抗壓強度和彈性模量均呈現出不斷減小的趨勢。在凍融循環達到100次時，其抗壓強度降低了27.60%，其彈性模量降低了約40.99%。這與相關文獻中的研究成果基本一致。

表1 自密實混凝土試驗結果

圖1 自密實混凝土相對抗壓強度和相對動彈模量變化曲線

3.2 堆石混凝土凍融損傷性能試驗結果與分析

利用上節提出的方法對不同凍融循環次數后的堆石混凝土試件進行抗壓強度試驗，見表2。由表中的試驗數據可知，堆石混凝土的抗壓強度值隨著凍融次數的增加而逐漸降低，且呈現出比較明顯的線性變化規律。從其均值來看，由21.73 MPa逐漸降低至16.42 MPa，降低幅度約為24.44%。

表2 堆石混凝土抗壓強度試驗結果 單位：MPa

根據試驗結果，對各試件在不同凍融循環次數下的彈性模量進行計算，結果見表3。由表中的結果可以看出，隨著凍融循環次數的增加，堆石混凝土的彈性模量值也呈現出逐漸降低的態勢。從其均值來看，從38.47 GPa，逐漸降低至28.38 GPa，降低幅度約為26.23%。

表3 堆石混凝土彈性模量試驗結果 單位：GPa

以沒有經過凍融試件的抗壓強度值和彈性模量值為基準，對不同凍融次數下的相對抗壓強度和動彈模量進行計算，結果見圖2。由圖2和圖1的對比可知，在凍融循環作用下，堆石混凝土和自密實混凝土的抗壓強度和彈性模量的變化特征基本一致隨著凍融次數的不斷增加，堆石混凝土的抗壓強度和彈性模量均呈現出逐漸降低的變化規律，在100次凍融循環之后，降低幅度分別為24.44%和26.33%。與自密實混凝土的試驗結果相比，堆石混凝土的降低幅度較小，這說明堆石混凝土和自密實混凝土相比，其抗凍性能更為優越。另一方面，堆石混凝土的抗壓強度降幅與自密實混凝土更為接近，而彈性模量的降幅明顯偏小。究其原因，可能是堆石混凝土的抗壓強度主要由填筑的自密實混凝土決定，而彈性模量則由自密實混凝土和堆石料兩者共同決定，因此會表現出上述差異。

圖2 堆石混凝土相對抗壓強度和相對動彈模量變化曲線

4 結論

此次研究通過室內試驗的方法，對堆石混凝土在反復凍融作用下的抗壓強度和彈性模量進行試驗研究，并獲得如下主要結論：

(1)隨著凍融循環次數的增加，自密實混凝土試塊的抗壓強度和彈性模量均呈現出不斷減小的趨勢。在凍融循環達到100次時，其抗壓強度和彈性模量分別降低了約27.60%和40.99%。

(2)隨著凍融循環次數的增加，堆石混凝土試塊的抗壓強度和彈性模量也呈現出不斷減小的趨勢。在凍融循環達到100次時，降低幅度分別為24.44%和26.33%。。

(3)與自密實混凝土相比，堆石混凝土在凍融循環作用下的抗壓強度和彈性模量的降低幅度明顯偏小，說明堆石混凝土的抗凍性能更優。