趙文娟

(北京綠波智業(yè)檢測技術有限公司,北京 100194)

0 引言

混凝土作為當代建筑領域最重要的材料被廣泛應用于城市基礎設施建設、農業(yè)、水利、軍事等多個領域之中[1-2]。混凝土材料由19世紀末發(fā)展至今已有百余年歷史,且隨著對材料的深入研究和發(fā)展,混凝土按其表觀、作用類型與材料配比等條件可分為素混凝土、鋼筋混凝土、預制混凝土、現(xiàn)澆混凝土、輕混凝土、重混凝土、預應力混凝土、干硬性混凝土、塑性混凝土等多種類型[3]。在水利工程建設過程中,對混凝土的要求通常是早強快硬,因此干硬性混凝土憑借其低水灰比、低收縮性以及低流動性被廣泛應用于水壩、水電站等大型水利工程的建設中[4],加之混凝土預制構件的廣泛使用,能夠大幅縮短工期降低施工成本[5]。雖然在水利工程中,干硬性混凝土應用較為廣泛,但在實際工程建設中混凝土構件的實際強度可能因為構件的制取不規(guī)范、運輸損壞、外界環(huán)境干擾等因素與設計值有一定的出入。因此對于干硬性混凝土強度的現(xiàn)場檢測是保證工程質量的重要環(huán)節(jié),但其難點在于對于干硬性混凝土預制構件目前尚未形成有效的質量把控環(huán)節(jié)及設計規(guī)程。目前對于干硬性混凝土主要圍繞其制作工藝來作為評判質量能否達標的先決條件,如,田岱松[6]以巴新道路項目為對象,針對項目中的干硬性混凝土預制圓管的配合比,從原材料構成、配合比試驗等方面進行了研究,并得出了適用于該項目的干硬性混凝土最佳配合比,從一定程度上保證了該項目預制圓管的強度與密實度。崔玉忠[7]針對干硬性混凝土擋墻試塊的強度及抗凍性能提出了標準試驗規(guī)程,并指出對于試塊抗凍性能選擇采用飲用水或濃度3%的鹽溶液,對砌塊進行抗凍融性能試驗,對于強度試驗應當選取完整干壘擋墻試塊并不應存在明顯裂縫等結構缺陷。雖然學者們對于干硬性混凝土預制構件的試驗標準、制取工藝進行了大量研究,但在實際工程中現(xiàn)場留存的混凝土試樣受制于材料、施工水平等影響,難以有效表征該構件的實際質量水平。

本文依托某地水利工程的工程渠,針對干硬性混凝土預制砌塊,采用貫入式混凝土強度檢測儀與拉脫儀以及混凝土壓力試驗機,對混凝土砌塊的強度進行評價分析,為干硬性混凝土砌塊的現(xiàn)場檢測技術提供一定的參考依據。

1 工程概況

本次研究的工程渠位于北方某省,地處黃河以南,屬于南水北調西線工程。工程渠全長13.84 km,包含輸沙渠和沉沙池兩部分,其中輸沙渠全長6.26 km,沉沙池7.58 km,呈不規(guī)則矩形,其平均寬度約為490 m,沉砂池占地約為3.35 km2。工程渠屬于溫帶大陸性季風氣候,因此受季風影響,工程渠所處區(qū)域四季分明、降雨較為集中,冬季較為干燥,導致夏季容易引發(fā)洪澇、秋季易干旱等特點。經該地氣象局統(tǒng)計數(shù)據,工程渠所處區(qū)域多年平均氣溫維持在13.8℃,近10 a最高氣溫42.1℃,最低為-11.6℃。在每年11-次年3月,當?shù)匾壮霈F(xiàn)凍土,其平均厚度約為42.6 cm。近10 a風速平均約為3.6 m/s,年均光照時長2 200～3 000 h。每年6-9月為降雨集中季節(jié),多年最大降雨量記錄值為948 mm,年平均降雨約為480 mm。

工程渠所在區(qū)域屬黃河流域沖積平原,地勢呈現(xiàn)出西高東低,北高南低狀,平均海拔在22 m左右。根據當?shù)氐叵滤睖y資料顯示,當?shù)氐叵滤捕燃s為429 mg/L,地下水中的化學物質類型主要為HCO3·SO4-Mg類型,其地下水礦化程度為0.728 g/L,多年pH測試結果集中在7.5附近,因此屬于弱堿性地下水,加之其硬度較高,對混凝土會產生輕微腐蝕現(xiàn)象。該工程渠的設計引水量為36 m3/s,沉沙池部分的設計輸沙量為31.7 m3/s。自正式投入使用期截至2021年年底,該工程渠累計引水量達68.3億 m3,為當?shù)厮こ套龀隽司薮筘暙I。

2 研究方法

2.1 試驗材料

工程渠所用混凝土材料類型屬于干硬性混凝土,但其強度與力學性能與所用材料及各部分材料配比相關性較高,因此本文為了制取質量較高的預制砌塊,對干硬性混凝土的各部分材料配比及材料構成進行優(yōu)化試驗。主要通過控制不同水灰比、砂率使用情況、粉煤灰摻量等三部分來對不同配合比下的干硬性混凝土預制砌塊強度進行研究,以此探究其最優(yōu)配比。本次試驗使用材料水泥、細骨料、粗骨料、拌合水四部分。其中水泥類型主要包含標號為P.O.42.5及P.O.52.5的普通硅酸鹽水泥。對于構件強度試驗在C35及以下采用P.O.42.5,強度試驗在C35的則采用P.O.52.5。其中標號為P.O.42.5及P.O.52.5的普通硅酸鹽水泥的主要化學參數(shù)如表1所示。

表1 P.O.42.5及P.O.52.5的普通硅酸鹽水泥主要化學參數(shù)

經檢測其細骨料與粗骨料均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》SL677-2018內要求,其中試驗用拌合用水取自當?shù)厥姓詠硭?/p>

2.2 試驗方法

由于缺少干硬性混凝土材料配合比參考規(guī)范,因此本文參照普通混凝土設計規(guī)程方案JGJ55-2012,通過使用原材料的基本性質來獲取不同的配合比。其中對于水灰比的控制集中在0.45、0.4、0.35、0.3等4個配比內進行研究,砂率則選取50%、45%、40%、35%、30%等5種情況,將上述4種水灰比及5種砂率配合比進行自由搭配,形成20種配比情況,并并在抗壓強度試驗確定最佳砂率的情況下分別摻加30%、25%、20%、15%、10%等5種粉煤灰摻量來研究粉煤灰對于混凝土預制砌塊強度的影響。

干硬性混凝土砌塊的試樣制備及養(yǎng)護方式均參照《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010中的要求。待預制砌塊養(yǎng)護完成后分別采用SJY-1000貫入式混凝土強度檢測儀、拉脫儀以及混凝土壓力試驗機進行貫入、拉脫、抗壓強度試驗。試驗過程參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的要求進行。

3 結果分析

3.1 配合比強度分析

將設計的20種不同配比的干硬性混凝土預制砌塊在不同的養(yǎng)護齡期下進行抗壓強度試驗,以此研究不同配合比下的干硬性混凝土預制砌塊的齡期-抗壓強度關系,將試驗所得數(shù)據歸納整理,得到了如圖1所示的不同水灰比下的齡期-抗壓強度關系曲線。

圖1 不同水灰比下的齡期-抗壓強度關系曲線 圖2 不同砂率下的齡期-抗壓強度關系曲線

圖1所示為不同水灰比下的齡期-抗壓強度關系曲線,從圖中可以看出4條曲線分別表示設計的0.45、0.4、0.35、0.3四種不同水灰比,四種水灰比下的預制砌塊在不同齡期下表現(xiàn)出的趨勢相似,隨著齡期的增加,砌塊抗壓強度會隨之上升,隨著養(yǎng)護時長達到規(guī)范規(guī)定的28 d時,各配比砌塊強度均達到最大;對比不同水灰比的抗壓強度變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),在齡期一定的情況下預制砌塊的強度會隨著水灰比的增大而減小。

通過控制五種不同砂率制取的干硬性混凝土預制砌塊進行抗壓強度試驗,并將試驗所得數(shù)據歸納整理,得到了如圖2所示的不同砂率下的齡期-抗壓強度關系曲線。

圖2所示為不同砂率下的齡期-抗壓強度關系曲線,從圖中可以看出4條曲線分別表示設計的50%、45%、40%、35%、30%五種不同砂率,五種砂率下的預制砌塊在不同齡期下也表現(xiàn)出相似的趨勢,隨著齡期的增加,砌塊抗壓強度會隨之上升并隨著養(yǎng)護時長達到規(guī)范規(guī)定的28 d時,各配比砌塊強度均達到最大;但在養(yǎng)護齡期一定時,不同砂率對應的砌塊抗壓強度不同,在養(yǎng)護齡期較短時,各砂率配比下的砌塊抗壓強度相近,但在齡期大于5 d后,不同砂率抗壓強度差異逐漸增大,且砂率為0.35時的砌塊抗壓強度最大。

在確定最佳砂率的情況下,通過控制五種不同粉煤灰摻量制取的干硬性混凝土預制砌塊進行抗壓強度試驗,并將試驗所得數(shù)據歸納整理,得到了如圖3所示的不同粉煤灰摻量下的齡期-抗壓強度關系曲線。

圖3 不同粉煤灰摻量下的齡期-抗壓強度關系曲線

圖3所示為不同粉煤灰摻量下的齡期-抗壓強度關系曲線,從圖中可以看出5條曲線分別表示設計的30%、25%、20%、15%、10%五種不同粉煤灰摻量,在砂率為0.35時五種粉煤灰摻量下的預制砌塊在不同齡期下也表現(xiàn)出相似的趨勢,隨著齡期的增加,砌塊抗壓強度會隨之上升并在28 d時達到最大抗壓強度;但在養(yǎng)護齡期較短時,不同粉煤灰摻量下的預制砌塊抗壓強度相差較小,其中15%與20%最為接近,隨著齡期的增大,不同粉煤灰摻量下的砌塊抗壓強度差異逐漸顯著,但15%與20%摻量仍最大且最為相近,表明粉煤灰摻量為15%與20%時,干硬性混凝土預制砌塊的強度能夠得到有效發(fā)揮。

圖4 干硬性混凝土預制砌塊抗壓及無損測試相關性

3.2 準確性分析

對干硬性混凝土預制砌塊進行貫入及強度實驗,得到了多組離散的不同抗壓強度與貫入深度以及拉脫應力的數(shù)據值,因此為了分析數(shù)據的準確性及有效性,本文需要對干硬性混凝土預制砌塊抗壓及無損測試結果進行準確性及有效性分析,這里本文采取線性擬合的方式對其有效性進行分析,其中貫入試驗與拉脫試驗數(shù)據及其擬合結果如圖4所示。

圖4所示為干硬性混凝土預制砌塊抗壓及無損測試相關性,從圖中可以看出干硬性混凝土預制砌塊貫入深度與拉脫應力以及抗壓強度之間存在明顯的線性關系,且貫入深度和拉脫應力二者與抗壓強度之間擬合相關系數(shù)均在0.85以上,此結果表明采用貫入及拉脫的試驗方法對干硬性混凝土現(xiàn)場無損監(jiān)測具備一定的可行性。

為了進一步分析混凝土強度對干硬性混凝土抗壓強度與貫入深度之間的影響,分別采用C15-C40等6種不同強度等級的混凝土進行貫入試驗,并分別得到了如圖5(a)(b)所示的不同強度等級的干硬性混凝土貫入深度與抗壓強度數(shù)據點,且為了分析其準確性仍采用線性擬合的方式對其進行研究,擬合結果如圖5所示。

圖5 不同強度等級混凝土抗壓強度與貫入深度相關性

圖5所示為不同強度等級混凝土抗壓強度與貫入深度相關性,從圖中可以看出當擬合相關性與混凝土強度等級密切相關,當混凝土強度在C15-C30之間時,貫入深度與抗壓強度之間具有明顯的線性關系,且相關系數(shù)在0.9以上。但當混凝土強度大于C30時,在C35與C40區(qū)間內,貫入深度與抗壓強度之間未發(fā)現(xiàn)明顯相關性。上述結果表明:本次貫入試驗所采用的儀器僅適用于低強度區(qū)間的混凝土強度測試。

4 結語

本文依托某地水利工程的工程渠為對象,針對干硬性混凝土預制砌塊,采用貫入式混凝土強度檢測儀與拉脫儀以及混凝土壓力試驗機,對混凝土砌塊的強度進行評價分析,并得出了如下結論:

(1)不同的材料配合比對混凝土預制砌塊的強度影響較大,針對干硬性混凝土預制砌塊強度最大化的最佳水灰比、砂率、粉煤灰摻量建議設置為0.3、0.35以及20%。

(2)針對拉脫試驗與貫入試驗結果的準確性分析發(fā)現(xiàn),干硬性混凝土預制砌塊貫入深度與拉脫應力以及抗壓強度之間存在明顯的線性關系且相關系數(shù)較高,表明采用貫入及拉脫的試驗方法對干硬性混凝土現(xiàn)場無損監(jiān)測具備一定的可行性