哥斯達黎加水電站項目碾壓混凝土軸向直接抗拉強度試驗研究

張 剛，鎮俊武，寧順才

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州450001）

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哥斯達黎加水電站項目碾壓混凝土軸向直接抗拉強度試驗研究

張 剛，鎮俊武，寧順才

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州450001）

摘要：由于中美洲哥斯達黎加圣巴勃羅水電站項目碾壓混凝土大壩處于地震帶內，業主對碾壓混凝土的軸向直接抗拉強度值有非常嚴格的要求。經過大量試驗研究，本文提出使用園柱體試件，通過在兩端固定拉板和拉環進行軸向直接抗拉試驗，取得了滿意的試驗成果。

關鍵詞：大壩；碾壓混凝土；抗拉強度；試驗

哥斯達黎加圣巴勃羅水電站距首都圣何塞60km，該電站是TáRGOLES河上梯級開發中的一個中小型電站。項目總投資1.25億美元，主要有一座48m高碾壓混凝土壩、裝機5萬KW的發電廠房、引水隧洞和壓力鋼管等組成。

大壩碾壓混凝土總量為14萬m3，其中大壩上游防滲帶為二級配混凝土（最大粒徑37.5mm），設計抗壓強度為18MPa@ 180d，劈裂抗拉強度為2.44MPa@180d，軸向直接抗拉強度為1.44MPa；壩體內部為三級配混凝土（最大粒徑為75mm），設計抗壓強度為14MPa@ 180d，劈裂抗拉強度為2.15MPa@180d，軸向直接抗拉強度為1.23MPa。

在碾壓混凝土配合比設計試驗過程中，混凝土配合比設計采用美國混凝土協會標準，抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗均采用美國材料試驗協會標準方法進行。根據設計提出的混凝土配合比制作的混凝土，其抗壓強度和劈裂抗拉強度均可達到目標強度要求。對于軸向直接抗拉強度，現場采用中國電力標準《水工混凝土試驗規程》（DLT5150-2001）推薦的方法，所測的直接抗拉強度均達不到設計要求，且同組試件試驗值偏差較大，得不到業主工程師和業主的認可，為此研究了新的試驗方法。

1　中國電力標準推薦的試驗方法存在的問題

1.1 試件制作

中國電力標準《水工混凝土試驗規程》（DLT5150-2001）推薦的抗拉強度試驗方法，所使用的主要試模為八字模（長550～600mm）和矩形長條試模（100 *100 *550mm）。對于碾壓混凝土試驗來說，這兩種試模在成型過程中存在如下弊端。

（1）試件體積大，成型工作量大，勞動強度大。

（2）碾壓混凝土早期強度較低，在試件拆模過程中容易造成試件的損傷，時有發生斷裂等情況。

（3）對于矩形長條試模（100*100*550mm），需要預埋螺紋鋼筋，在成型過程中，在配重塊的作用下預埋件經常出現偏離軸心現象。

（4）試件偏長、偏重，在搬用過程中最少需要2人。

1.2 試驗過程

在抗拉試驗過程中，找準抗拉軸心非常困難。本項目采用了矩形長條試模（100*100*550mm），從現場試驗發現，試件斷裂的部位大部分在預埋鋼筋的部位，試驗結果偏低，不能準確反映出混凝土的抗拉強度。試驗存在如下不足。

（1）預埋鋼筋處混凝土受力斷面最小，造成應力集中。

（2）由于預埋鋼筋不在軸心，試驗過程中試件不完全處于受拉狀態，出現扭拉現象。

（3）同組試件試驗值偏差較大。

（4）對于強度較低的碾壓混凝土，采用國內長條試模進行抗拉強度試驗精度偏低。

（5）試件成型均勻性和控制要求高。

2　碾壓混凝土圓柱體試件軸向直接抗拉強度試驗方法

針對中國電力標準存在的上述缺陷，結合中美洲諸多水電工程碾壓混凝土抗拉試驗方法，試驗室通過各種試驗摸索出采用圓柱體試件兩端粘金屬拉板方式進行試驗，取得了滿意的效果。

2.1 圓柱體混凝土軸向抗拉強度試驗裝置

（1）試驗主要裝置包括上下金屬拉板，金屬掛具等，見圖1。

圖1　試驗主要裝置

（2）試驗裝置各部分尺寸見圖2。

圖2　試驗裝置各部分尺寸

2.2 試驗步驟

2.2.1 主要試驗器具和材料準備

（1）環氧膠結材料。通過對各種環氧膠材料的試驗，最終選擇哥斯達黎加INTAGO公司生產的Maxistick590環氧材料，該材料質量符合美國材料試驗協會ASTM G881 TypeI要求，其中A組分為環氧，B組分為固化劑。使用比例為1∶1，環氧膠的主要性能為：粘結強度＞7MPa@7天，＞10MPa @14天；環氧膠的抗壓強度＞55MPa@7天；環氧膠的抗拉強度＞35MPa@7天。

（2）量杯2只，容量為250m1，用于配制環氧膠時盛放A和B組分。

（3）攪拌容器，500m1。

（4）試件制作工作臺，面積1m2。

（5）水平尺1把。

它由交叉熵和L2正則化項組成。第1部分為交叉熵,計算了真實類別yi與預測類別之間的誤差。第2部分為L2正則化項,引入正則化項可以控制網絡內部權值參數的數量級,避免訓練得到的模型過于復雜,從而改善模型的過擬合現象,提高泛化能力。其中λ為正則化項的比例參數,λ越大,正則化項的影響越大;ω表示網絡內部的權值。

（6）混凝土切割機1臺，鋸片直徑450mm，用于圓柱體上下端的切割、找平。

（7）液化氣爐灶，用于試驗結束后烘烤上、下金屬拉板，使其與環氧膠脫離。

（8）清洗劑1升，用于上下金屬拉板清理。

2.2.2 試件制作

（1）圓柱體試件切割、找平。圓柱體試件在試驗前3天切割，使其兩端露出新鮮表面，上、下端面需保證水平。另外，為了粘結牢固，在圓柱體上下兩端切割2～3條5mm深的槽子，然后將試件干燥。過程見圖3。

圖3　試件制作過程

（2）環氧膠的配制。A、B組分的比例為1∶1，試件兩端需要A組分和B組分各210m1。將A、B組分置于攪拌容器內混合并攪拌約3分鐘，使其混合均勻。配制過程見圖4。

圖4　環氧材料配制

（3）上、下拉板的粘結。首先，在上、下金屬拉板與圓柱體試件粘接前，用砂紙清理銹斑等雜物，并用清洗劑清洗表面。然后，先粘結一端，將金屬拉板放置在已經找平的底座上，均勻攤鋪環氧膠5～8mm，再將圓柱體試件放置與拉板中心，并檢查試件頂部端面的水平度，隨后在試件周圍填充環氧膠，使其高于拉板面約30mm即可。試件在室溫條件養護24小時后再粘結另一端。粘結工作必須在水平的工作臺面上進行，用水平尺控制試件端面的水平度，保證試件上、下拉板掛耳保持同一方向，并同心。粘結過程見圖5。

2.2.3 抗拉試驗

（1）試件的安裝。先安裝上金屬掛具，再將粘接好上、下拉板的圓柱體試件與其鏈接，并固定好螺栓。在沒有安裝下掛具前，調整試件位于掛具中心線上，并用水平尺檢查上端面是否水平，最后安裝下掛具。安裝過程見圖6。

（2）加荷速度控制。初始階段緩慢加速使上下掛具鏈環與上下拉板螺栓充分接觸后，將加荷速度上升至0.2～0.5KN/S，直至試件斷裂，記錄最大荷載。

圖5　試件粘結過程

圖6　試件安裝過程

（3）試驗結果計算。直接抗拉強度采用公式F=P/A計算試驗結果，其中：F為直接抗拉強度（MPa），P為破壞荷載（KN），A為圓柱體截面積（mm2）

（4）上、下拉板的脫離和清理。試驗結束后，將試件的金屬拉板端面放置到液化氣爐灶上進行燒烤約5～8分鐘，使環氧膠與金屬拉板脫離。脫離后金屬拉板及時清理干凈，以備后用。

3　試驗結果對比分析

中國電力標準推薦方法和上述新方法的試驗結果見表1。

從以上試驗結果，可看出：

（1）同標號、同組試件長條形試件的抗拉強度低于圓柱體抗拉強度。

（2）從斷裂位置上看，長條試件均斷在在預埋鋼筋端部，圓柱體試件斷裂在試件中部。

表1　試驗結果對比

（3）從同組試件之間的強度值差異看，圓柱體試件試驗結果的差異比長條形試件小。

（4）圓柱體試件能真實反映試件在軸向拉伸條件下的抗拉強度，長條形試件存在偏心的問題，致使抗拉強度偏小。

（5）圓柱體抗拉試件的制作要比長條試件簡易，并容易控制其抗拉軸心。

4　結論

無論是中國電力標準《水工混凝土試驗規程》（DLT5150-2001）還是歐美國家試驗規范（如ASTM，AGI和BS等），對試件直接抗拉強度的敘述都不是很詳盡，其中中國電力標準對于碾壓混凝土試件制作幾乎沒有詳細的步驟和應注意的環節。在哥斯達黎加圣巴勃羅水電站項目實施過程中，通過現場試驗提出的碾壓混凝土軸向抗拉試驗方法取得較滿意的效果，可以為其他工程碾壓混凝土抗拉強度試驗提供借鑒。

參考文獻

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［8］ASTM G39-12，TestMethod forGompressiveStrength ofGy1indrica1 GoncreteSpecimens［S］.

作者簡介：張 剛（1968年—），男，高級工程師。

收稿日期：2015-10-15

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.016

中圖分類號：TV431

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0043-04