周勇廷

(赫章縣水務(wù)局,貴州 赫章 553200)

0 引 言

大體積混凝土在施工中,因水泥水化熱的影響很容易導(dǎo)致開裂現(xiàn)象發(fā)生。低熱水泥為近年來應(yīng)用發(fā)展速率較快的材料,因其具有水化放熱低和后期強(qiáng)度高等特點(diǎn),非常適宜在大壩工程建設(shè)中使用[1-2]。潘利等[3]在橋梁承臺(tái)大體積混凝土中使用低熱水泥,結(jié)構(gòu)表現(xiàn)除了更好的體積穩(wěn)定性和更低的絕熱溫升值,還有利于減少溫度裂縫。但低熱水泥混凝土的強(qiáng)度性能指標(biāo)數(shù)據(jù)仍相對(duì)較為匱乏,混凝土的強(qiáng)度性能對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有著直接緊密的聯(lián)系,因此必須研究測(cè)定其具體的強(qiáng)度性能參數(shù)才可投入使用。

目前,全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度性能通常是以濕篩二級(jí)配混凝土標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)強(qiáng)度來評(píng)價(jià)。但現(xiàn)場(chǎng)施工條件和環(huán)境氣候的變化,均會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生影響。而實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的性能測(cè)試結(jié)果,并不能非常充分反映真實(shí)的強(qiáng)度特性。李光偉等[4]研究表明,全級(jí)配混凝土和小粒徑濕篩混凝土之間力學(xué)性能存在差異。Serra等[5]試圖以理論和經(jīng)驗(yàn)公式來確定全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土強(qiáng)度性能的換算關(guān)系,但受限于變量因素較多,應(yīng)用到實(shí)際工程中與測(cè)試值仍有較大差距。

為了更準(zhǔn)確地確定低熱水泥全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度性能,本文分別在春夏秋冬4個(gè)季節(jié)澆筑成型全級(jí)配和濕篩混凝土,測(cè)試混凝土抗壓、劈裂抗拉、軸心抗壓強(qiáng)度以及靜力抗壓彈性模量,計(jì)算兩類混凝土之間的強(qiáng)度換算比,為低熱水泥混凝土強(qiáng)度參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)用低熱硅酸鹽水泥型號(hào)為P·HL42.5,骨料則直接取自大壩現(xiàn)場(chǎng)拌合樓,最大粒徑150mm,坍落度30～50mm,來制備全級(jí)配混凝土。水膠比0.42,粉煤灰摻量35%,含砂率23%。濕篩二級(jí)配混凝土則通過濕篩法,除去全級(jí)配混凝土中骨料粒徑大于40mm的部分來制備。試驗(yàn)低熱水泥全級(jí)配混凝土配合比見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

考慮到混凝土強(qiáng)度性能與養(yǎng)護(hù)條件緊密相關(guān),而施工現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)條件與實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)條件存在較大差異。因此,為了更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)大壩所用低熱水泥混凝土的強(qiáng)度性能,本試驗(yàn)生產(chǎn)制備的所有試件均在大壩工程現(xiàn)場(chǎng)澆筑完成。另外,全級(jí)配混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在春夏秋冬4個(gè)季節(jié)均澆筑成型一批。

通過混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及靜力彈性模量試驗(yàn),來評(píng)價(jià)不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土的強(qiáng)度性能。試件成型尺寸和具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 混凝土強(qiáng)度性能測(cè)試方案

本試驗(yàn)濕篩混凝土試件共成型56組,全級(jí)配混凝土試件共成型29組,抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度測(cè)試每3個(gè)試件為一組,軸心抗壓強(qiáng)度和靜力彈性模量每6個(gè)試件為一組,共計(jì)制備222個(gè)濕篩混凝土試件。濕篩抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度測(cè)試試件尺寸150mm×150mm×150mm,軸心抗壓和靜力彈性模量測(cè)試試件尺寸150mm×150mm×300mm;全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度測(cè)試試件尺寸450mm×450mm×450mm,軸心抗壓和靜力彈性模量測(cè)試試件尺寸450mm×450mm×900mm。

其中,19組濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度在春季測(cè)試齡期包含3、7、14和28天,夏、秋、冬三季測(cè)試齡期則均涵蓋7、14、28、90和180天;18組濕篩混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和靜力彈性模量在春季測(cè)試齡期含3、7、14和28天,夏季測(cè)試齡期含14、28、90和180天,秋冬季節(jié)則均包含7、14、28、90和180天。12組全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度在春季測(cè)試齡期含14和28天,夏季測(cè)試齡期含14、28、90和180天,秋冬季節(jié)測(cè)試齡期則均為7、28和180天;5組軸心抗壓和靜力彈性模量分別為春季14和28天,冬季7、28和180天。

1.3 試驗(yàn)方法

參照我國(guó)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150-2001)[6],分別采用加載量程10 000和2 000kN的液壓伺服試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土強(qiáng)度性能測(cè)試。其中,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率控制為0.3～0.5MPa/s,抗拉劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率控制為0.04～0.06MPa/s。由于試驗(yàn)規(guī)程中混凝土軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試模規(guī)格與全級(jí)配混凝土不相符,本文中全級(jí)配混凝土軸心抗壓強(qiáng)度通過靜力抗壓彈性模量試驗(yàn)每組4個(gè)試件的最終破壞荷載來確定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

表3和圖1為全級(jí)配混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在不同澆筑季節(jié)、不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由表3和圖1可知,澆筑季節(jié)的變化對(duì)于全級(jí)配混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的抗壓強(qiáng)度有著明顯的影響作用。全級(jí)配混凝土春夏秋冬4個(gè)澆筑季節(jié)下養(yǎng)護(hù)28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為30.96、32.05、25.3和27.88MPa,而濕篩混凝土在4個(gè)季節(jié)澆筑養(yǎng)護(hù)28d的抗壓強(qiáng)度分別為38.92、39.2、30.8和31.36MPa,秋冬季節(jié)混凝土抗壓強(qiáng)度較低,可能是晝夜溫差較大所造成。對(duì)比圖1(a)和圖1(b)可知,當(dāng)澆筑季節(jié)和養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí),濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度均高于全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度。全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)180天時(shí)的抗壓強(qiáng)度,均滿足40MPa設(shè)計(jì)強(qiáng)度,可正常使用。

圖1 不同季節(jié)全級(jí)配和濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度

表3 全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由夏秋冬3個(gè)季節(jié)濕篩混凝土7～180d的抗壓強(qiáng)度結(jié)果來看,混凝土抗壓強(qiáng)度的快速增長(zhǎng)主要表現(xiàn)在早期,養(yǎng)護(hù)28天時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)養(yǎng)護(hù)180天的一半以上。以夏季濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度為例,養(yǎng)護(hù)前7天,抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率可達(dá)3.06MPa/d;7～14天內(nèi),抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為1.49MPa/d;14～28天內(nèi),抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為0.53MPa/d;28～90天內(nèi),抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為0.06MPa/d;90～180天內(nèi),抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率僅為0.07MPa/d。全級(jí)配和濕篩混凝土在不同季節(jié)內(nèi),抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)顯著降低。

全級(jí)配混凝土在養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為骨料與砂漿間界面的破壞,而混凝土中的大骨料均較為完整。這是因?yàn)樵缙陴B(yǎng)護(hù)階段混凝土強(qiáng)度仍相對(duì)較低,此時(shí)骨料強(qiáng)度明顯高于骨料與砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度,破壞會(huì)首先從薄弱面發(fā)展?；炷疗茐臅r(shí),結(jié)構(gòu)面破壞形態(tài)呈現(xiàn)兩個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F破壞。這是由于混凝土試件上下與加載承壓面之間的摩擦作用,從而約束了混凝土的橫向變形,摩擦約束力隨離承壓面距離的增大而減小,混凝土試塊中部橫向變形達(dá)到最大。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

表4和圖2為全級(jí)配混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在不同澆筑季節(jié)、不同養(yǎng)護(hù)齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由表4和圖2為可知,在不同季節(jié)下澆筑成型的全級(jí)配混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在同一養(yǎng)護(hù)齡期時(shí),同樣表現(xiàn)出一定差異。全級(jí)配混凝土春夏秋冬4個(gè)澆筑季節(jié)下養(yǎng)護(hù)28天時(shí)的劈拉強(qiáng)度分別為1.64、1.96、1.63和1.63MPa,而濕篩混凝土在4個(gè)季節(jié)澆筑養(yǎng)護(hù)28天的劈拉強(qiáng)度分別為2.55、2.65、2.28和2.37MPa。此時(shí),在夏季澆筑成型混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)相對(duì)更高一些。

圖2 不同季節(jié)全級(jí)配和濕篩混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

表4 全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

與全級(jí)配和濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相一致,混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率同樣隨齡期的增長(zhǎng)而顯著降低。以冬季全級(jí)配混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度為例,養(yǎng)護(hù)前14天,劈拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率可達(dá)0.12MPa/d;14～28天內(nèi),劈拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為0.02MPa/d;28～90天內(nèi),劈拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為0.003MPa/d;90～180天內(nèi),劈拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率為0.004MPa/d。養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)90天后,劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率處于極低水平。

全級(jí)配混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下劈裂破壞形態(tài)存在明顯的差異。養(yǎng)護(hù)初期(7天)破壞面主要表現(xiàn)在水泥砂漿上,此時(shí)砂漿強(qiáng)度仍在發(fā)展過程中,界面承載力相對(duì)薄弱;養(yǎng)護(hù)早期(28天)破壞面主要出現(xiàn)在骨料與水泥砂漿間的接觸面上,不再表現(xiàn)為水泥砂漿的直接破壞。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥砂漿強(qiáng)度持續(xù)增加,砂漿與骨料之間的界面過渡區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié),導(dǎo)致破壞發(fā)生在接觸面之間。養(yǎng)護(hù)末期(180天)混凝土斷裂面則大多出現(xiàn)在骨料上,此時(shí)混凝土整體強(qiáng)度較為均衡,骨料斷裂意味著混凝土達(dá)到最大承載能力。

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度和靜力抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

表5為全級(jí)配和濕篩混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和靜力抗壓彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知,與全級(jí)配和濕篩混凝土抗壓、劈拉強(qiáng)度一致,軸心抗壓強(qiáng)度和靜力抗壓彈性模量同樣是在養(yǎng)護(hù)早期增長(zhǎng)速率較快,養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),強(qiáng)度發(fā)展速率越慢。相同澆筑季節(jié)、相同齡期下,全級(jí)配軸壓強(qiáng)度和靜力彈性模量均小于濕篩混凝土相同測(cè)試指標(biāo)。本文因成型試件用于測(cè)試軸壓強(qiáng)度和彈性模量數(shù)量較少,且與上文強(qiáng)度性能發(fā)展規(guī)律相接近,因此不作進(jìn)一步分析。

表5 全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土軸壓強(qiáng)度和靜力彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

2.4 強(qiáng)度性能換算比的統(tǒng)計(jì)分析

圖3(a)和圖3(b)分別為全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相對(duì)于濕篩混凝土強(qiáng)度性能換算比。由圖3(a)和圖3(b)可知,強(qiáng)度性能換算比均小于1,表明全級(jí)配混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能強(qiáng)度均小于相同養(yǎng)護(hù)齡期下濕篩二級(jí)配混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。其中,全級(jí)配與濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度換算比最小值為0.71,最大值為0.96,12組換算比均值為0.82;全級(jí)配與濕篩混凝土劈拉強(qiáng)度換算比最小值為0.64,最大值為0.75,12組換算比均值為0.71。抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度換算比表明,僅少數(shù)組別有較大差異,而大多數(shù)測(cè)試組結(jié)果相對(duì)接近,可以比較真實(shí)地反映低熱水泥全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度性能。

圖3 全級(jí)配強(qiáng)度性能換算比

3 結(jié) 論

本文為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)修筑大壩所用低熱水泥混凝土的強(qiáng)度性能,在春夏秋冬季節(jié)分別澆筑成型低熱水泥全級(jí)配混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土,對(duì)比兩類混凝土在同一養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度換算關(guān)系。結(jié)論如下:

1)混凝土抗壓、劈裂抗拉、軸心抗壓強(qiáng)度以及靜力抗壓抗性模量的發(fā)展規(guī)律均表現(xiàn)為養(yǎng)護(hù)早期增長(zhǎng)較快,強(qiáng)度增長(zhǎng)速率隨齡期的增長(zhǎng)顯著降低。

2)全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度性能測(cè)試結(jié)果均小于濕篩混凝土,不同季節(jié)養(yǎng)護(hù)齡期滿180天,混凝土抗壓強(qiáng)度均可滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3)全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度換算比均值為0.82,劈拉強(qiáng)度換算比均值為0.71;測(cè)試組別之間未顯現(xiàn)較大離析差異,可選用換算比均值來評(píng)價(jià)低熱水泥混凝土的強(qiáng)度特性。