不同骨料的水工混凝土變形性能研究

孟慶宇

(凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200)

0 引 言

研究表明，水工混凝土中的骨料質(zhì)量所占比例最高可以達(dá)到90%，普通混凝土中骨料質(zhì)量百分比為75%-80%[1-3]。骨料作為重要組成材料，骨料特性直接決定著混凝土的性能，甚至產(chǎn)生極其重要和顯著的影響[4]。水工混凝土受周邊料源限制，一般有多種人工骨料品種，而骨料性質(zhì)是水工結(jié)構(gòu)耐久性和工程質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，密切關(guān)系著水利工程的服役壽命和安全運(yùn)行[5-6]。因此，研究水工混凝土性能受骨料特性的影響機(jī)制，進(jìn)一步揭示混凝土中骨料的內(nèi)在作用機(jī)理，有利于科學(xué)設(shè)計(jì)配合比及改善水工混凝土性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為海螺P·O 42.5級(jí)水泥，其28d抗壓強(qiáng)度50.2MPa，比表面積306m2/kg；試驗(yàn)用粉煤灰為綏中電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰，其三氧化硫含量0.36%，燒失量2.12%，需水量比92%；試驗(yàn)用外加劑為蘇博特GYQ?-Ⅰ引氣劑和JM?-Ⅵ系列的高效減水劑。

試驗(yàn)采用人工砂石骨料，如花崗巖、大理巖、砂巖、玄武巖和灰?guī)r，力學(xué)性能見表1，粗細(xì)骨料品質(zhì)參數(shù)見表2。

表1 巖石骨料的力學(xué)性能

表2 粗細(xì)骨料的品質(zhì)參數(shù)

結(jié)果顯示，從低到高天然巖石抗壓強(qiáng)度依次為砂巖<大理巖<灰?guī)r<玄武巖<花崗巖，彈性模量依次為砂巖<花崗巖<大理巖<玄武巖<灰?guī)r，花崗巖和砂巖具有相對(duì)較低的彈性模量，而玄武巖和灰?guī)r具有較高的彈性模量。

設(shè)計(jì)0.41和0.46兩種水膠比，試驗(yàn)研究不同骨料混凝土的極限拉伸值和彈性模量，對(duì)水膠比0.41的試樣進(jìn)行抗裂試驗(yàn)，對(duì)水膠比0.46的試樣進(jìn)行干縮測(cè)試，拌合物性能及試驗(yàn)配合比見表3。

表3 拌和物性能及試驗(yàn)配合比

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行干縮試驗(yàn)、彈性模量和極限拉伸試驗(yàn)，混凝土試樣為515mm×100mm×100mm，砂漿試樣為280mm×25mm×25mm。采用規(guī)范推薦的平板法作為混凝土平板抗裂性試驗(yàn)方法，試模為63mm×600mm×600mm。測(cè)試溫度-應(yīng)力的試樣截面尺寸150mm×150mm，有效總長(zhǎng)1500mm。試驗(yàn)機(jī)配備一個(gè)活動(dòng)和一個(gè)固定于基架上的兩個(gè)夾頭，荷載傳感器和活動(dòng)夾頭連接于減速箱上。通過(guò)循環(huán)介質(zhì)溫控模板能夠冷卻或加熱試件，將兩個(gè)直線位移LVDT高精度傳感器平行設(shè)置于試件兩側(cè)，通過(guò)位移、荷載和溫度傳感器自動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)紀(jì)錄試件及活動(dòng)夾頭的變形、應(yīng)力、溫度，見圖1。

圖1 溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)構(gòu)造圖

TCE1標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)法區(qū)別于定常溫度環(huán)境的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，TCE1法考慮了非恒溫環(huán)境下的混凝土水化，水泥水化溫度應(yīng)力可以利用安裝的應(yīng)力儀實(shí)現(xiàn)全過(guò)程直接紀(jì)錄。混凝土的開裂時(shí)間和開裂溫度采用人工強(qiáng)制冷卻的方式確定，實(shí)際上就是將冷卻水泵入試驗(yàn)機(jī)內(nèi)試件周圍。通過(guò)繪制時(shí)間與混凝土溫度、應(yīng)力、應(yīng)變的變化過(guò)程曲線，從而揭示不同骨料的試件抗裂性能，主要測(cè)試流程為：①首先，將混凝土拌合物直接澆筑于試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部，并振搗密實(shí)，表面抹平；②啟動(dòng)溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試件內(nèi)部的中心溫度，啟動(dòng)同步電機(jī)以及溫度控制系統(tǒng)，確保混凝土試件處于半絕熱狀態(tài)和100%約束狀態(tài)；③內(nèi)部中心溫度達(dá)到峰值并處于穩(wěn)定時(shí)，按1℃/(3-5min)的溫降速率對(duì)混凝土試件強(qiáng)制降溫直至開裂；④開裂后終止試驗(yàn)，輸出并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土與砂漿干縮

不同骨料混凝土和砂漿的干縮曲線，見圖2。試驗(yàn)表明，從小到大不同骨料的混凝土與水泥砂漿的干縮率排序?yàn)榛規(guī)r<大理巖≈花崗巖≈玄武巖<砂巖，并且骨料對(duì)混凝土干縮率的影響<砂漿<凈漿。混凝土干縮受骨料的影響較大，通過(guò)對(duì)比凈漿、砂漿和混凝土的干縮率變化可知，骨料具有一定的“限制”干縮作用，骨料相同的砂漿和混凝土干縮率大小更好地說(shuō)明這種干縮“限制”作用。研究認(rèn)為，砂漿和混凝土干縮差異與不同骨料自身性質(zhì)的差異密切相關(guān)。

(a)混凝土試件

2.2 極限拉伸值與彈性模量

不同骨料混凝土的極限拉伸值以及彈性模量試驗(yàn)結(jié)果，見圖3。試驗(yàn)表明：①隨齡期的推移5種骨料混凝土的彈性模量均不斷增大，水膠比相同情況下，從低到高混凝土彈性模量排序?yàn)樯皫r<花崗巖≈大理巖<玄武巖<灰?guī)r，花崗巖和砂巖混凝土具有較低的彈性模量，而玄武巖和灰?guī)r具有較高的彈性模量。②粗骨料占混凝土的體積率較高，充當(dāng)著骨架作用。一般地，混凝土彈性模量隨粗骨料彈性模量的增加而增大，拌合物中彈性模量高的骨料用量越多則混凝土的彈性模量就越高，灰?guī)r混凝土的彈性模量最高與灰?guī)r自身的性質(zhì)密切相關(guān)；與灰?guī)r相比花崗巖和砂巖混凝土的彈性模量相對(duì)較低，而花崗巖略低于大理巖混凝土的彈性模量。③隨齡期的推移混凝土極限拉伸值呈上升趨勢(shì)，齡期達(dá)到28d時(shí)，從低到高極限拉伸強(qiáng)度排序?yàn)榛◢弾r≈玄武巖<大理巖<灰?guī)r<砂巖，采用碎石、輕骨料等黏結(jié)力好且彈性模量低的骨料能夠提高極限拉伸值。在水泥用量相近、水泥強(qiáng)度等級(jí)和水膠比相同的情況下，凝膠材料與骨料的結(jié)合可能是導(dǎo)致混凝土極限拉伸性能差異的重要原因[7-8]。

(a)極限拉伸值(水膠比0.41)

2.3 早期開裂敏感性試驗(yàn)

1)TST試驗(yàn)結(jié)果。采用溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定不同骨料混凝土的關(guān)鍵參數(shù)見表4，不同骨料混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化曲線見圖5。

(a)灰?guī)r骨料

表4 混凝土溫度應(yīng)力關(guān)鍵參數(shù)

試驗(yàn)表明：①大理巖和灰?guī)r骨料混凝土具有較高的開裂應(yīng)力，兩者的最大開裂應(yīng)力達(dá)到0.87MPa和0.85MPa；混凝土的抗拉強(qiáng)度<拉應(yīng)力時(shí)發(fā)生開裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為約束狀態(tài)下同齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度，也等于其開裂應(yīng)力，顯然開裂應(yīng)力越大則混凝土的抗開裂性能越好[9]。②開裂溫度最低者為砂巖混凝土的9.6℃，其次為大理巖和灰?guī)r混凝土的13.1℃、14.0℃，溫降過(guò)程中試件開裂對(duì)應(yīng)的溫度即為開裂溫度，顯然混凝土開裂溫度越低則抗溫度沖擊裂縫能力越強(qiáng)；試驗(yàn)表明，玄武巖和花崗巖混凝土的抗溫度沖擊能力低于灰?guī)r、大理巖、砂巖混凝土[10-12]。③玄武巖和砂巖混凝土的最高溫度均超過(guò)58℃，較其它骨料混凝土高出2-3℃，這主要與玄武巖、砂巖混凝土較其它骨料混凝土的膠材用量高出6-10kg/m3直接相關(guān)。④試驗(yàn)過(guò)程中，水化前160h內(nèi)大理巖和灰?guī)r骨料混凝土優(yōu)于其它骨料混凝土的抗裂性能，抗裂性能較差的式花崗巖和玄武巖，從低到高抗裂性能排序?yàn)榛◢弾r≈玄武巖<砂巖<灰?guī)r<大理巖。

2)大板法試驗(yàn)結(jié)果。采用大板法測(cè)試不同骨料混凝土的抗裂性能，結(jié)果見表5。試驗(yàn)表明，從低到高不同骨料混凝土的抗裂性能排序?yàn)樯皫r<花崗巖<玄武巖<灰?guī)r<大理巖。除大理巖混凝土未發(fā)生開裂外，其它骨料混凝土的初始開裂時(shí)間均未超過(guò)6h。大板法主要是對(duì)早期混凝土的開裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，而早期硬化開裂是控制并影響混凝土后期性能和抗裂性的關(guān)鍵階段，若早期收縮比較活躍則非常不利于混凝土的抗裂?；炷猎缙诘目沽研约扰c其變形能力有關(guān)，還取決于混凝土所受的約束及其收縮性能[13,14]。因此，早期抗裂試驗(yàn)可以科學(xué)反映混凝土的變形能力。

表5 不同骨料混凝土的抗裂性能

3 結(jié) 論

1)水膠比相同情況下，從低到高不同骨料混凝土后期彈性模量排序?yàn)樯皫r<花崗巖≈大理巖<玄武巖<灰?guī)r，彈性模量較高的時(shí)玄武巖和灰?guī)r混凝土，較低的時(shí)花崗巖和砂巖混凝土。齡期為28d情況下，從低到高不同骨料混凝土的極限拉伸值排序?yàn)榛◢弾r≈玄武巖<大理巖<灰?guī)r<砂巖，膠凝材料與骨料的結(jié)合是導(dǎo)致極限拉伸性能差異的重要原因。從低到高不同骨料混凝土和水泥砂漿的干縮率排序?yàn)榛規(guī)r<大理巖≈花崗巖≈玄武巖<砂巖。

2)結(jié)合TST試驗(yàn)結(jié)，玄武巖和花崗巖混凝土的抗溫度沖擊能力低于灰?guī)r、大理巖、砂巖混凝土；水化前期，從低高高不同骨料混凝土抗裂性能排序?yàn)榛◢弾r≈玄武巖<砂巖<灰?guī)r<大理巖。結(jié)合長(zhǎng)期收縮結(jié)果及早期抗裂性能，大理巖和灰?guī)r混凝土優(yōu)于其它試樣的抗收縮抗裂性能。