聚合物混凝土在水利工程中的應用與檢測

邱雯祺

（廣州市瀚源建設工程質量檢測有限公司，廣東廣州 510000）

大量的民用建筑、穿山斷流的水利設施、各種軍事建筑都需要用到混凝土材料。面對不同的用途和要求，傳統的混凝土在部分性能方面稍顯不足，添加不同的材料制作聚合物混凝土，成為當前建筑工程中的主要選擇。在水利工程中，可供選擇的聚合物混凝土種類相對較多，且不同的水利工程項目對混凝土的要求有一定差別，需要依靠檢測手段對聚合物混凝土質量進行有效控制，確保水利工程項目的整體質量合格。

1 聚合物混凝土的特點與分類

1.1 聚合物混凝土的特點

聚合物混凝土的耐久性十分突出，堿金屬離子可以被硅酸鹽礦物粉末吸收，大量的硅酸鹽粉末保留在地質聚合物中。整個吸收的過程持續時間較久，直至礦物粉末被全部消耗，極大地削弱堿性聚集體的反應。聚合物混凝土的生產過程污染少、能耗低，制備過程使用的材料和能源較少，基本不排放二氧化碳。具有杰出的力學性能，普通聚合物的1 d強度可以達到20～30 MPa，28 d強度可以達到40～60 MPa。

1.2 聚合物混凝土的分類

聚合物混凝土主要可分為聚合物水泥混凝土、樹脂混凝土和聚合物浸漬混凝土等。聚合水泥混凝土是使用有機聚合材料和水泥作為膠凝材料制造的混凝土。樹脂混凝土是完全由液態樹脂作為膠凝劑的水泥質混凝土，使用的骨料與普通混凝土相同。浸漬聚合物的混凝土將有機單體滲透至混凝土中，通過加熱或輻射輻照使其聚合、形成一個整體。

2 聚合物混凝土性能試驗檢測

2.1 力學性能檢測

（1）抗壓性檢測。

聚合物混凝土的抗壓性取決于組成混凝土的各種材料的強度以及材料之間的相互作用力?？箟盒允窃u價混凝土力學性能最重要的標準。抗壓試驗使用計算機控制壓力試驗機，量程為2 000 kN，精度等級為1級。

將試塊從標準固化儲存室中取出，干燥后放置在濕度較低的房間，在室溫下放置3 d，進行測試。測試前，需要測量試塊大小和重量，要求試塊邊長≤1 mm；測試時，應保證測試塊與壓機之間的接觸面清潔平坦。將試件放在壓力機的下壓板上，成型件的上表面不能用作承壓面，調整試塊的中心。測試機的充電過程通過計算機智能控制，只需要在測試開始前預先設置初始充電時間和充電速率。設置初始荷載的目的是調整球座，確保測試塊和測試機間處于平衡狀態。試驗基礎混凝土設計強度等級為C40，荷載率選擇0.5 MPa/s。測試部件出現損壞時，應立即暫停測試，重新恢復油泵，并對旋鈕進行復位，觀察并記錄測試部件的狀況，從控制軟件中讀出測試數據，清洗損壞的部件和下一個測試塊。

計算抗壓性：

式中：A——承壓面的面積（mm2）；F——試件破壞荷載（N）；fc——標準抗壓性（MPa）。

（2）抗拉性能檢測。

該測試使用與壓縮性能測試相同的測試設備。試驗中，試樣的承壓面和分隔面應垂直于試樣的上表面。上下承壓板和試樣應墊有鋼制緩沖塊和木制緩沖塊，緩沖塊和墊塊應與從試件起的承壓表面中心線對齊，并垂直于頂面。在該測試中，使用較薄的鋼制坐墊條，鋼制坐墊條的長度比木質坐墊條稍長。三層膠合板制成的木質坐墊厚度取值4～5 mm，寬度取值（20±1）mm。GPC強度為C40，結合混凝土相關標準，加速率設定為0.07 MPa/s。

計算混凝土抗拉強度：

式中：ft——混凝土的抗拉強度（MPa）；F——試件的受損荷載（N）；A——試件劈裂面的面積（mm2）。

將每組樣品測量值的算術平均值作為樣品組的抗拉強度，精度為0.01 MPa。測量值與平均值之差超過15時，需要同時舍去測量值中的最高和最低值，將平均值作為最終的檢測結果；有兩個以上結果差異大于15時，測試結果無效。在該測試中，試件采用標準尺150 mm×150 mm×150 mm，無須考慮轉換系數。

（3）抗折性能檢測。

選用微機控制壓力試驗機，測量范圍為0～300 kN，精度等級為1級。

將試塊從固化儲存室中取出放置3 d，再放置在測試設備中。測試設備中的樣品架和裝載頭采用直徑24 mm、長度比樣品厚度大11 mm的硬鋼圓柱體。支撐點是固定的和鉸接的，其他支撐點為軸承。調節兩個支架的位置，使試件之間的距離為300 mm；確保安裝尺寸的偏差不超過0.4 mm，將測試件成型的表面放在側面，使承受壓力的表面與之垂直；局部可提供支撐、負載點和壓力支撐，表面接觸穩定且均勻。設定初始載荷和壓力載荷，試驗載荷率為0.08 MPa/s，測試后記錄測試數據，對試驗結果進行計算，若試件下方邊緣斷裂位置與兩個集中載荷中間點相重疊。

計算抗折強度：

式中：fz——抗折強度（MPa）；L——支座跨度，試驗取值310 mm；F——試件的受損荷載（N）；h和b——試件截面高度和試件截面寬度，試驗中取值110 mm。

檢測時要求分組進行，單組選定3個試件，測算結果與其算數平均值之間差距小于20%，采用均值為最終抗折強度結果，結果精確控制在0.01 MPa。

（4）靜力受壓彈性模量檢測。

衡量材料變形性能的重要參數是彈性模量。從宏觀角度分析，材料的可變形性可以通過彈性模量的大小反映；從微觀角度分析，材料的可變形性是材料各成分分子之間結合強度的指標?；炷潦且环N復合材料，許多因素均會影響其彈性模量。

清潔事先準備好試件以及上下支撐板；將安裝夾緊框架和變形測量儀安裝在試件的兩側，為保證變形測量儀和試件的中心位置平行且彼此對稱；固定框架間的距離為150 mm。調整試件，使其位于底部壓板的中部，設置校平載荷；預載荷居中，在壓力控制軟件中將參考應力的初始載荷值設置為0.5 MPa，保持恒定載荷60 s，并在20 s內記錄每個測量點的變形讀數，立即施加連續且均勻的載荷，直到張力達到軸向抗壓性載荷值的1/3，保持載荷恒定60 s，并在20 s內記錄應變讀數；此測試中負載速度為0.5 MPa/s。

兩個應變儀的應變讀數之間的差值分別計算，兩個應變讀數均超過平均值的20時，將測試件重新對準再預加載。如果相位差不能減小至小于20，則測試無效。確認試件的對位符合要求后，以0.5 MPa/s的速率在0.5 MPa的參考應力下放電，使用相同的恒定載荷60 s；必須在60 s的恒定保持載荷下執行至少兩次重復的預充電；最后一次預緊后，將負載保持在0.5 MPa的參考應力下60 s，并在30 s后記錄每個測量點的應變讀數。使用相同的加載速度以軸向抗壓性的1/3加載，保持該負載60 s，并在30 s后記錄每個測量點的應變讀數；移開應變測量儀，以相同的速度加載，直到樣品破裂，并記錄失效載荷；試驗完成后記錄變形測量儀的讀數、最大值的荷載。

計算彈性模量：

式中：Em——混凝土的彈性模量（MPa）；Fa——軸心抗壓荷載（N）；F0——0.5 MPa時初始荷載（N）；A——試件受力面積（mm2）；L——測量標距（mm）；Δn——試件兩側變形平均值（mm），受壓彈性模量結果精確至0.1 MPa；Ec——3個試件測值的算術平均值。

若單個試件的最終破壞強度Fc和軸心抗強度Fp之間差距大于25%時，需要對該試件檢測結果進行排除，取另外兩個試件檢測結果的算數平均值為最終結果；有兩個以上的試件違反以上的規定時，此試驗無效。

2.2 結構的性能檢測

破壞和斷裂特性是混凝土綜合性能的重要參考指標，需要檢測混凝土的綜合性能，分析其破壞和斷裂的機理和相關參數，根據具體的數據判定混凝土性能。線性彈性斷裂是對混凝土斷裂機理最初的研究。試驗結果表明，在載荷的影響下，主成分裂紋附近的分支區域會出現微裂紋，并表現出一定的非線性特性。斷裂韌性測試方法包括直接拉伸法、緊湊拉伸法、楔形分割法和三點彎曲梁法。該測試參考《水工混凝土斷裂試驗規程》（DL/T 5332—2005），操作方法簡單，測試結果穩定。精確的三點彎曲梁方法結合纖維尺寸的影響，使用非標準的100 mm×100 mm×400 mm小梁樣品，測試前應對小梁預先制造初始裂縫。在GPC測試配對過程中，發現脫模前的混凝土略有膨脹。如最初的裂紋通過嵌入式楔形方法進行預制，難以從模具中去除楔形。本試驗中，試件成型后采用割縫法進行預鑄，對于初始裂紋，預鑄裂紋的深度為30 mm。為了確保測試結果的準確性，將5個樣本倒入每組比例中，將總共55個樣本倒入11組中。

將兩個支架之間的間隙設置為300 mm，將測試件的兩端與支架之間的距離設置為50 mm，放置測試件并安裝其他測試設備。必須保證試件放置位置處于支架的正中，同時需要保證試件縱軸始終與支架呈垂直狀態，初始裂紋和加載平臺要與板壓力的中線保持一致，連接稱重傳感器、夾子引伸計和測試儀器，確認連接完成后打開控制軟件，檢查測試設備的狀態是否正常，并將每個測量點的初始值重置為0。上壓板和力傳遞裝置即將接觸時，啟動加載裝置并啟動儀器獲取信號。測試過程中，加載速率恒定為200 N/s。

3 結語

科學技術不斷提高，水利工程建設的規模和質量要求也在不斷提升，對工程中混凝土的耐久度、延展性等的需求愈加精細。傳統的混凝土性能相對恒定，不能完全滿足質量要求，需要在施工中進行嚴格控制，要求相關單位按照質量標準，對混凝土的力學和結構等方面的性能進行檢測和控制。文章從聚合物混凝土的力學性能以及結構性能方面，提出具體的檢測方方向和檢測方法，對提高水利工程的性能有較好的促進作用。