易 韡

(浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概 述

碾壓混凝土因其低水泥用量、低發(fā)熱的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于需快速澆筑的大壩建設(shè)中[1]。國內(nèi)常見大壩碾壓混凝土主要以富膠凝材料為主，以粉煤灰為摻和料[2-3]。隨著粉煤灰在碾壓混凝土中的大量應(yīng)用，粉煤灰摻和料供應(yīng)日益緊張；加之水電工程大都位于西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，粉煤灰產(chǎn)地主要位于中東部地區(qū)，運(yùn)輸成本高昂，粉煤灰在大壩混凝土中的應(yīng)用受到一定經(jīng)濟(jì)約束[4-5]。

因此，選擇易于取得、價(jià)格低廉、品質(zhì)優(yōu)異的粉煤灰替代性摻和料，是解決西部水利建設(shè)中粉煤灰短缺問題的重要研究方向[6]。在針對(duì)碾壓混凝土摻和料的現(xiàn)有研究中，肖開濤等[7]分析了摻加不同比例石灰石粉的碾壓混凝土物理力學(xué)性能，結(jié)果表明石灰石粉對(duì)碾壓混凝土的性能有一定影響，分析原因?yàn)槠湮锢沓涮?、化學(xué)反應(yīng)的綜合作用效果，進(jìn)一步指出在工程實(shí)踐中經(jīng)試驗(yàn)論證后再采用。徐世烺等[8]對(duì)摻加硅灰的碾壓混凝土進(jìn)行抗裂性能試驗(yàn)，得出了硅灰能夠改良碾壓混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、提高其抗裂能力的結(jié)論。

綜上所述，上述研究表明在碾壓混凝土中摻加硅灰、石灰石粉具有較好的技術(shù)可行性，但對(duì)粉煤灰、硅灰、石灰石粉多元摻和料的碾壓混凝土力學(xué)特性研究較少。本文設(shè)計(jì)了單摻硅灰、單摻石灰石粉、復(fù)摻硅灰與石灰石粉三組試驗(yàn)，測試混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量，對(duì)比分析確定最佳摻和料種類及比例，旨在為我國碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)提供一定借鑒。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 摻量設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)?zāi)雺夯炷僚浜媳葹樗盟唷蒙啊檬?0.5∶1.0∶3.1∶4.9。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，按40%總量占比控制摻和料總量，此外按0.75%摻加減水劑。趙哲[9]的研究指出石灰石粉摻量可在總膠凝材料的20%左右，李理[10]則指出硅灰可等量替換5%左右的水泥。因此設(shè)計(jì)了三組不同摻和料的試驗(yàn)組(見表1)。

表1 試驗(yàn)組摻量設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)步驟

a.稱料攪拌。按配比設(shè)計(jì)分4次加料，首先加入砂、石，混合均勻后加入摻和料，然后添加2/3水及減水劑攪勻，最后再加入1/3水。稱量原材料后，在攪拌機(jī)內(nèi)混合攪拌均勻。

b.澆筑成型。碾壓混凝土實(shí)驗(yàn)室試件的制作采用插搗澆筑、振動(dòng)密實(shí)的方法，將試件模具置于振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行分層裝料，在每層裝料完畢后插入搗棒均勻插搗，最后在試件上放置壓重塊啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振實(shí)，分別養(yǎng)護(hù)至7天、28天、70天后開展強(qiáng)度試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)所用試件為150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，彈性模量試驗(yàn)為φ150×300mm的圓柱體試件。

c.開展強(qiáng)度試驗(yàn)(見圖1)。采用混凝土萬能試驗(yàn)設(shè)備測試試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量，其中抗壓強(qiáng)度與彈性模量測試的位移加載速度為0.3mm/min，劈裂抗拉強(qiáng)度測試為0.15mm/min，加載過程中觀察試件形態(tài)并記錄破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載。

圖1 試樣與試驗(yàn)設(shè)備

d.試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。每組試驗(yàn)測試3個(gè)試件，在剔除明顯異常測值后以平均值作為強(qiáng)度分析依據(jù)；按照試驗(yàn)規(guī)程[11]計(jì)算試件抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

繪制不同齡期下的碾壓混凝土試件抗壓強(qiáng)度及其與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的擬合曲線(見圖2)。

圖2 齡期—抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

從早期(7天)抗壓強(qiáng)度值來看，三組試件的測值十分接近，混合摻加硅灰、石灰石粉的LSF試件早期抗壓強(qiáng)度略高，說明從早期抗壓強(qiáng)度角度分析，用硅灰、石灰石粉代替粉煤灰對(duì)碾壓混凝土是可行的，單摻、混摻硅灰與石灰石粉均不阻礙水泥的早期水化反應(yīng)。

從晚期(28天)抗壓強(qiáng)度值來看，三組試件的測值差異明顯，其中SF與LSF試件的28天抗壓強(qiáng)度接近且明顯高于LF試件，分別較LF試件高19%、23%，說明摻加硅灰對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展有良好的促進(jìn)作用。

從90天齡期抗壓強(qiáng)度值來看，摻加硅灰的混凝土強(qiáng)度明顯高于未摻加的，SF試件強(qiáng)度較LF高54%，LSF試件強(qiáng)度較LF高31%，說明摻加硅灰能夠有效提高混凝土的最終抗壓強(qiáng)度，且單摻硅灰條件下的最終強(qiáng)度最高。

三組試件的7天齡期抗壓強(qiáng)度增長速度接近，差值不超過9%，但后期抗壓強(qiáng)度增長速度差異明顯，28天齡期時(shí)增長速度由快到慢是LSF>SF>LF，90天齡期時(shí)增長速度由快到慢是SF>LSF>LF，可以看出單摻硅灰能顯著提高碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度且后期強(qiáng)度發(fā)展較快，單摻石灰石粉條件下碾壓混凝土的后期強(qiáng)度較低，復(fù)摻硅灰與石灰石粉條件下碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度增長速度較為穩(wěn)定。

不同摻和料碾壓混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期—抗壓強(qiáng)度曲線表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即隨著養(yǎng)護(hù)齡期的提升，其抗壓強(qiáng)度也不斷增大，二者之間呈正相關(guān)，但曲線的增長速率不斷降低；對(duì)碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度—養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系進(jìn)行擬合(見圖1)，發(fā)現(xiàn)二者之間符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.8124。

3.2 彈性模量

從三組試件的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果(見表2)可以看出：SF、LSF試件彈性模量很接近，且均大于LF試件，說明單摻石灰石粉會(huì)降低碾壓混凝土的彈性模量，但在摻加石灰石粉的同時(shí)加入硅灰可以抵消這一負(fù)面影響；從彈性模量發(fā)展速度上看，三組試件發(fā)展規(guī)律類似，均為先快后慢，在28天齡期時(shí)彈性模量能增長至96%以上，其中單摻硅灰的SF試件能達(dá)到100%，說明硅灰的加入能加快提升碾壓混凝土的彈性模量。

表2 碾壓混凝土試件彈性模量測值

3.3 抗拉強(qiáng)度

從不同齡期下的立方體抗拉強(qiáng)度及齡期—抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線(見圖3)可以看出：早期(7天)與晚期(28天)抗拉強(qiáng)度排序均為LSF>SF>LF，具體表現(xiàn)為LSF試件的7天抗拉強(qiáng)度為1.02MPa，較SF高32%，較LF高10%，LSF試件的28天抗拉強(qiáng)度為1.94MPa，較SF高18%，較LF高3%，說明單摻或混摻硅灰與石灰石粉對(duì)碾壓混凝土的早期抗拉強(qiáng)度無不利影響，且硅灰的加入有助于早期抗拉強(qiáng)度的提高；90天齡期時(shí)的抗拉強(qiáng)度排序?yàn)镾F>LSF>LF，SF試件抗拉強(qiáng)度為3.25MPa，較LF高53%，較LSF高30%，說明摻加硅灰能夠有效提高碾壓混凝土的最終抗拉強(qiáng)度，且石灰石粉的加入會(huì)一定程度上降低最終抗拉強(qiáng)度；三組試件的抗拉強(qiáng)度增長速度差異明顯，SF試件表現(xiàn)為早期慢、后期快，LSF試件為早期快、后期慢，LF試件強(qiáng)度發(fā)展速度一直處于較慢狀態(tài)，說明單摻硅灰能顯著提高碾壓混凝土的抗拉強(qiáng)度但后期強(qiáng)度發(fā)展較快，單摻石灰石粉不利于碾壓混凝土的后期抗拉強(qiáng)度發(fā)展，復(fù)摻硅灰與石灰石粉有利于碾壓混凝土抗拉強(qiáng)度增長速度的穩(wěn)定增長；三組碾壓混凝土試件的抗拉強(qiáng)度規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類似，齡期越長強(qiáng)度越大，二者之間呈正相關(guān)，但曲線的增長速率不斷降低；對(duì)碾壓混凝土的抗拉強(qiáng)度—養(yǎng)護(hù)齡期之間符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.9453。

圖3 齡期—抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.4 滲透性

由表3可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，不同配比混凝土試件的滲透性系數(shù)均呈逐漸減小的變化趨勢，表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加能夠有效增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性。分析認(rèn)為，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)越充分，不同顆粒間的膠結(jié)程度越高，同時(shí)顆粒間孔隙的填充效果也更好，因此混凝土的滲透系數(shù)逐漸減小。此外，進(jìn)一步觀察到不同混凝土試件的滲透系數(shù)符合LF>LSF>SF，可見不同配比摻和料的大壩碾壓混凝種SF組混凝土的抗?jié)B性最好。

表3 不同碾壓混凝土試件滲透系數(shù)

4 結(jié) 論

本文用硅灰、石灰石粉替代碾壓混凝土中摻加的粉煤灰，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同摻和料的碾壓混凝土特性進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：碾壓混凝土試件的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與彈性模量發(fā)展規(guī)律類似，齡期越長強(qiáng)度越大，且隨時(shí)間的發(fā)展速度是先快后慢；單摻硅灰能顯著提高碾壓混凝土的強(qiáng)度但后期強(qiáng)度發(fā)展較快，單摻石灰石粉不利于碾壓混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展，復(fù)摻硅灰與石灰石粉有利于碾壓混凝土強(qiáng)度增長速度的穩(wěn)定增長；采用石灰石粉替代粉煤灰會(huì)一定程度弱化碾壓混凝土最終強(qiáng)度，而采用硅灰能夠促進(jìn)強(qiáng)度的穩(wěn)定增長；采用5%硅灰與20%石灰石粉代替粉煤灰的碾壓混凝土具有較高強(qiáng)度和較高的抗?jié)B性，且強(qiáng)度發(fā)展速度平穩(wěn)，可以應(yīng)用于碾壓混凝土中。