現場澆筑大壩混凝土力學性能試驗研究

李 洲

(東莞市正源工程質量檢測有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

與普通混凝土相比，低熱水泥混凝土具有后期強度高、水化放熱較低等優勢，應用在筑壩工程中可以大大降低壩體裂縫出現的概率，有利于大壩長久的使用和維護，也促進了國內低熱水泥混凝土筑壩技術的發展[1-2]。我國多個大壩在筑壩過程中都使用了低熱水泥混凝土，并取得不錯的效果[3]。低熱水泥混凝土是近些年興起的一種材料，強度方面可參考的試驗數據并不像使用已久的中熱水泥混凝土那么多，特別是全級配低熱混凝土的數據更是少之又少。對于大壩而言，保證其結構的穩定性和安全性是首要任務，是重中之重，而筑壩材料混凝土的強度則是影響大壩結構穩定性和安全性的關鍵因素[4]。由于混凝土的實際強度也會受到養護條件、攪拌方式、氣候環境等因素的影響，因此為了提供更加真實、全面的混凝土強度試驗數據以及在筑壩前期有更加準確的評價，在施工現場直接澆筑成樣，在測量同條件下的強度是十分有必要的。在工程中，對全級配混凝土的力學性能進行評價時普遍參考濕篩二級配混凝土制成的立方體標準試樣的力學性能，但很多學者研究發現全級配混凝土的力學性能與濕篩混凝土的性能存在差異[5]。產生這種現象的原因是濕篩法將混合物里大骨料(粒徑超過40 mm)剔除了，使粗骨料在混凝土中的體積大大減少[6]，相比之下提高了膠凝材料的占比，使得砂漿和骨料間的界面接觸變少，削弱了界面缺陷；同時骨料被砂漿包圍和潤滑，使試樣中的界面過渡區得到改善。Yang等[7]通過控制大骨料體積占比和大骨料粒徑，研究其對全級配混凝土力學強度的影響，發現混凝土抗拉強度會隨著骨料粒徑的增大而減小。另外，導致濕篩和全級配混凝土試樣強度存在差異的是尺寸效應[8]。

本研究通過全季節(春、夏、秋、冬)分4次在工程現場制作低熱水泥濕篩二級配和全級配混凝土試樣，進行不同齡期、不同季節混凝土的劈裂和抗壓強度試驗研究，并基于筑壩材料低熱水泥濕篩和全級配混凝土力學性能的時變特性，對比兩者之間強度差異，為實際工程筑壩材料混凝土的強度提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料和配合比

本文的研究對象是某地區的水庫大壩。試驗所用混凝土來自工程現場的拌和樓并直接從大壩施工現場運回實驗室，混凝土坍落度范圍30～50 mm，其中最大粒徑的骨料為150 mm，是全級配混凝土。通過濕篩之后變為濕篩二級配混凝土，最大粒徑的骨料為40 mm。水泥種類是嘉華牌P·LH 42.5的低熱硅酸鹽水泥，水膠比設為0.42，砂率為23%。粉煤灰摻量為35%，選用卓圣I級。1 m3全級配混凝土的理論配合比見表1。

表1 低熱水泥全級配混凝土配合比 /kg·m-3

1.2 試驗方案的擬定

由于混凝土在室內養護條件和在外界自然環境中養護條件區別較大，所以為了在室內盡可能真實模擬室外大壩混凝土的養護過程，正確全面地測出大壩混凝土的力學性能，擬定分為4次試驗，分別對應4個季節的溫度環境(春、夏、秋、冬)，在模擬的4個季節環境中制作濕篩二級配、低熱水泥全級配混凝土試樣。試樣制作完成后，再開展不同養護時間下的軸心抗壓、進行不同齡期試件的劈裂抗拉以及抗壓強度試驗。見表2。

表2 某大壩混凝土力學強度試驗計劃表

本次力學試驗一共澆筑做好全級配、濕篩混凝土試樣共85組，前者澆筑29組，后者澆筑56組。對于前者類型的試驗，抗壓強度的測量一組由3個試樣立方體組成，每個試樣邊長為450 mm，劈裂抗拉強度所用的試樣同樣一組3個試樣，尺寸與抗壓試樣樣品相同。此外，要制作5組、20個長方體試樣用于軸壓試驗，尺寸為450 mm×450 mm×900 mm(長×寬×高)。對于后者類型的試驗，抗壓強度的測量同樣是一組3個試樣立方體，每個試樣邊長為150 mm，劈裂試驗相同。另外，要制作108個、18組長方體試樣用于軸壓試驗，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm(長×寬×高)。

1.3 試樣方法和試樣制作

本次試驗中所用的全部試樣都是在大壩工程現場制作而成，制作流程和標準嚴格按照國家試驗標準進行。試驗設備為液壓伺服機，濕篩、全級配混凝土的力學試驗對應的量程為2 000和10 000 kN。

2 分析試驗結果

2.1 試驗結果

見表3。

表3 濕篩、全級配混凝土彈性模量以及軸心抗壓強度結果

2.2 抗壓強度分析

圖1為濕篩、全級配混凝土在各齡期、各季節的抗壓強度試驗結果。從圖1可以看出，盡管制樣季節不同，但濕篩、全級配混凝土抗壓強度的變化規律沒有太大差異，都表現為抗壓強度在養護前期增長較快，但隨著養護時間的變長，強度增長速率趨于平緩。雖然兩種類型混凝土的抗壓強度都達到了設計強度的要求(40 MPa)，但對于全級配混凝土，在養護180 d時達到設計強度值，而濕篩混凝土在養護時間90 d時就可以達到抗壓設計值，說明后者的養護周期更短，實用性更強。同時對于濕篩混凝土而言，在夏季制成的試樣抗壓強度都高于其它季節，以7和180 d最為明顯，說明高溫度環境有利于混凝土強度的提高。通過圖1(a)和圖1(b)的對比發現，在齡期和季節都相同的情況下，濕篩混凝土的抗壓強度都大于全級配的抗壓強度，也表明了濕篩混凝土比全級配類型的性能更好。

圖1 全級配和濕篩混凝土在不同季節下的抗壓強度

2.3 劈裂強度分析

圖2為濕篩、全級配混凝土在不同齡期和不同季節情況下的劈裂結果。從圖2可以看出，齡期的增長會提高濕篩、全級配混凝土在不同季節下的劈裂強度，但這個增長速度會漸漸變緩。在相同季節下，濕篩混凝土的劈裂強度均比全級配要高，并隨著齡期的增長，兩者之間的差距也越來越大，這與抗壓強度的表現相一致。對于濕篩和全級配混凝土，也表現出夏季制作的試樣的劈裂強度最高，大于其他季節，而秋季制的試樣劈裂強度最低。這也說明大壩澆筑時應避開秋季，最好在夏季進行施工，這對大壩后期抗劈裂強度和抗壓強度的提升都是有利的。

圖2 全級配和濕篩混凝土在不同季節下的劈裂強度

2.4 彈性模量和軸心抗壓分析

表3為濕篩、全級配混凝土的彈性模量結果和軸心抗壓強度。分析表3可知，對于軸壓強度而言，當齡期和制樣季節保持一致時，濕篩均大于全級配，表現出更好的性能。同樣情況下，濕篩混凝土的彈性模量也表現出比全級配更大的現象。而隨著齡期的增長，兩種混凝土的各項指標(彈性模量、軸壓強度)都呈現逐漸增大的規律，但增長的速度逐漸趨于緩慢。對于4個季節中所制成的濕篩樣品，在所有齡期中大部分夏季的彈性模量和軸心抗壓強度為最大，這一現象也與之前的劈裂、抗壓試樣的結果相一致。

3 結 論

本文為了更加全面、準確地研究低熱水泥混凝土的力學強度，設置了不同齡期、不同季節下的全級配和濕篩混凝土的劈裂、抗壓強度試驗，結論如下：

1) 隨著齡期的增長，濕篩和全級配的抗壓強度都會得到不斷提高，但時間越久，增長速率越慢；兩者的抗壓強度均能在齡期180 d時達到設計值40 MPa；在相同齡期和季節下，全級配混凝土的抗壓能力要小于濕篩混凝土。

2) 隨著齡期的增長，濕篩和全級配的劈裂強度也會得到不斷提高，且全級配混凝土的劈裂強度要小于濕篩混凝土，兩者差值會隨著齡期的增長而變大，說明濕篩混凝土的力學性能要比全級配混凝土強。

3) 隨著齡期的增長，兩種混凝土的各項指標(彈性模量、軸壓強度)與劈裂、抗壓試驗表現一致，均是濕篩大于全級配，且大部分夏季所制作試樣的各項強度為最大。