不同齡期濕篩大壩混凝土力學性能研究

石 佳

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

近年來,我國修建的高拱壩數量越來越多,最大壩高已達到世界水平,如擬建的白鶴灘拱壩289m和在建的錦屏一級拱壩305m。高拱壩對混凝土的耐久性、安全性和整體性要求更高,如何提高壩體抗裂安全系數以及避免溫度裂縫已成為高拱壩建設亟待解決關鍵問題。然而,采用分封分塊澆筑、預埋冷卻水管系統、預冷骨料加冰拌合、高摻粉煤灰、中熱水泥等常規的溫控措施和施工技術,并不能從根本上避免裂縫的出現,有的裂縫甚至會造成較大的危害[1-3]。因此,仍需從配合比及原材料的源頭進行創新研究。

由于氣候環境、攪拌方式和養護條件等因素均會在一定程度上影響混凝土的實際強度,為了在筑壩前提有更加準確的評價以及提供更加真實可靠的試驗數據,有必要在相同測量條件下測定現場澆筑成型試件的力學強度。實際工程中,主要利用濕篩二級配混凝土標準試件評定全級配混凝土的力學性能,但濕篩與全級配混凝土的力學性能通常具有一定差異[4-5]。這是因為濕篩法剔除了拌合物中粒徑超過40mm的大骨料,大大降低了粗骨料的體積比例,整個體系中的膠材占比隨之提高,進而使骨料與砂漿之間的界面接觸減小,界面缺陷被削減;另外,砂漿更好地濕潤和包裹骨料,有效改善了界面過渡區。王仲華等試驗研究了濕篩混凝土標準試件和相同配比三峽大壩全級配混凝土(最大骨料粒徑80mm)的力學強度,并確定兩種混凝土的強度之比;馮煒等測試分析了三峽大壩混凝土配合比優化前后的界面強度,通過修正尺寸與損傷系數發現,軸拉試驗測值與宏觀強度相近,并且隨著界面強度的增大而提高;管俊峰等使用楔入劈拉試驗探究了大壩混凝土斷裂韌度受不同齡期的影響,并提出現場澆筑試件尺寸與斷裂韌度之間的關系[6-8]。因此,尺寸效應是導致全級配與濕篩混凝土強度差異的重要因素。

本研究選取春、夏、秋、冬全季節,現場澆筑成型低熱水泥全級配和濕篩二級配混凝土試件,通過抗壓和劈拉強度試驗探究不同季節、不同齡期兩種混凝土的強度差異,并進一步揭示兩者的力學性能時變特征,以期為筑壩材料優選及大壩混凝土配合比優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 配合比設計

以遼寧省境內地區某水庫大壩為研究對象,直接從施工現場的拌和樓提取試驗所用全級配混凝土,在實驗室測定拌合物坍落度處于40～60mm之間,最大骨料粒徑150mm。經濕篩處理,將現場提取的拌合物轉變成最大骨料粒徑40mm的二級配混凝土。水膠比為0.40,粉煤灰摻量30%、砂率25%,試驗配合比如表1所示。水泥使用大連特種水泥廠生產的P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥,粉煤灰使用沈陽熱電廠提供的Ⅰ級粉煤灰,砂、石骨料由大連莊沙砂石場提供。

表1 全級配大壩混凝土配比 kg/m3

1.2 試驗方案

針對混凝土在外界自然環境與室內環境養護條件存在較大差異的情況,為最大程度地接近大壩混凝土在室外養護過程,準確測定其力學性能,本試驗在春、夏、秋、冬全季節溫度環境中制作低熱水泥全級配及濕篩二級配混凝土試件,并依據《水工混凝土試驗規程》測定不同齡期軸心抗壓及劈裂抗拉強度,試驗方案如表2所示。

表2 大壩混凝土試驗方案

本試驗共制作85組試件用于混凝土力學性能測試,其中濕篩二級配混凝土56組,全級配混凝土29組。全級配混凝土抗壓、劈裂抗拉強度試驗每組3個,各組為邊長450mm的立方體,軸壓強度測試試件每組4個,共5組,試件為900mm×450mm×450mm的長方體;濕篩二級配抗壓、劈裂抗拉強度試驗每組3個,試件尺寸150mm×150mm×150mm,軸壓強度試驗每組6個,共18組,試件為300mm×150mm×150mm的長方體。

在水庫大壩施工現場,按照現行規范澆筑、振搗、成型、制作各組混凝土試件,使用10000kN和2000kN兩種量程的液壓伺服機測定全級配、濕篩二級配混凝土強度。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度試驗

在不同季節、不同齡期全級配和濕篩二級配混凝土的抗壓強度測試數據如圖1所示。

(a)全級配 (b)濕篩二級配

由圖1可知,雖然成型季節存在差異,但全級配和濕篩二級配混凝土的抗壓強度變化趨勢基本相同,養護前期抗壓強度發展較快,齡期越長則各組強度增幅變緩。盡管全級配與濕篩二級配混凝土強度均滿足40MPa的設計要求,但濕篩混凝土達到抗壓強度設計值的養護時間為90d,而全級配混凝土達到設計強度值的養護時間為180d,表明濕篩二級配混凝土具有更短的養護周期,在實際工程中的實用性更好。另外,夏季制作的濕篩二級配混凝土高于其它季節的成型試件強度,并以7d、180d齡期最為顯著,表明夏季高溫可以在一定程度上提高濕篩混凝土強度。

通過對比分析可知,在相同季節和齡期條件下,全級配混凝土強度總體低于濕篩二級配混凝土,說明濕篩總體優于全級配混凝土性能。

2.2 劈裂強度試驗

在不同季節、不同齡期全級配和濕篩二級配混凝土的劈裂強度測試數據如圖2所示。

(b)全級配 (b)濕篩二級配

由圖2可知,不同季節的全級配和濕篩二級配混凝土劈裂強度均隨齡期的延長而增大,并且隨時間的推移增長幅度逐漸平緩。季節相同情況下,濕篩二級配總體高于全級配混凝土劈裂強度,齡期越大兩者的差距也逐漸增大,該變化特征與抗壓強度基本一致。全級配與濕篩二級配混凝土劈裂強度也表現出夏季制作試件高于其它季節的特征,秋季澆筑成型試件的劈裂強度最小。因此,應盡可能避開秋季澆筑大壩混凝土,為保證大壩后期抗壓與劈裂抗拉強度最好選擇夏季澆筑施工。

2.3 軸心抗壓強度與彈性模量

全級配和濕篩二級配混凝土軸心抗壓強度、彈性模量測試結果如表3所示。

表3 大壩混凝土軸心抗壓強度與彈性模量

從表3可以看出,在制作成型季節和齡期相同的情況下,濕篩二級配均高于全級配混凝土的軸壓強度,濕篩混凝土的性能更優,彈性模量也表現出相同的變化特征[11-12]。兩種試件的軸壓強度、彈性模量均隨著齡期的延長表現出增大,但變化幅度趨于平緩。對于春、夏、秋、冬不同季節,夏季制作的濕篩二級配混凝土試件的軸心抗壓強度及彈性模量最大,該變化趨勢與抗壓、劈拉強度保持較好一致性。

3 結 論

文章通過抗壓、劈拉強度試驗探討了全季節和多齡期下低熱水泥濕篩二級配和全級配現場澆筑試件的力學性能,主要結論為:

1)全級配和濕篩二級配混凝土抗壓強度均隨著試件的延長而提高,但齡期越長其強度發展速度趨越慢;180d齡期時,全級配和濕篩二級配混凝土均能滿足40MPa強度要求;制作季節與齡期相同情況下,濕篩二級配高于全級配混凝土抗壓強度。

2)全級配和濕篩二級配混凝土劈裂強度均隨著齡期的延長逐漸提高,且濕篩二級配大于全級配的劈裂強度,且隨著齡期的延長兩者的差值不斷增大,表明濕篩二級配總體優于全級配的力學性能。

3)兩種混凝土的軸壓強度、彈性模量均隨著齡期的延長表現出逐漸上升的變化趨勢,并且濕篩二級配均高于全級配混凝土,夏季制作的混凝土強度高于其它季節。