碾压混凝土全级配与湿筛法力学性能试验研究

李中田，雷秀玲，李艳萍，黄如卉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

混凝土的力学性能关系到建筑物的承载能力和稳定性，水工大体积碾压混凝土中，三级配混凝土占很大比例。由于试验条件的限制，通常采用湿筛后（剔除混凝土拌和物中大骨料）成型小试件的方法来评定含有大粒径骨料的全级配混凝土相关特性。混凝土材料的组成比例直接影响到混凝土的各项特性，由于湿筛法剔除了拌和物中粒径大于40 mm以上的粗骨料（约占原粗骨料总量的40%），大大增加了湿筛后混凝土中的砂浆含量，使混凝土的力学性能及相应的本构关系发生了较大的变化，所测数据不能完全反应全级配混凝土的性能。基于湿筛法试验来评价建筑物混凝土，只是一种预约的相对评价标准。因此，采用湿筛法试验所测得的混凝土的特性参数来进行水工建筑物设计，必然会造成脱离实际的局限性。近年来，国内外一些重要水利工程都相继开展了混凝土全级配试验，将全级配混凝土力学参数直接用于工程设计，以增强大坝混凝土的安全性、经济性。

研究内容为采用三级配碾压混凝土分别进行湿筛法和全级配混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、静压弹性模量试验，根据试验结果，对比分析湿筛混凝土与全级配混凝土各项力学性能之间的关系。

1 试验方案

1.1 试验原材料

试验选用的水泥为P.MH42.5级水泥；掺合料选用Ⅱ级粉煤灰；骨料分别是天然卵石和天然砂；外加剂选择北京中水科海利公司生产的SK-2型缓凝高效减水剂和SK-H型引气剂。对用于本次试验的原材料进行品质检验，各材料检测结果满足相应标准要求。

1.2 试验配合比

鉴于三级配是水工碾压混凝土中常用粗骨料级配，而且三级配混凝土中湿筛法和全级配试件骨料量差异较大，因此本次研究选择水胶比间隔为0.03的5个碾压三级配混凝土配合比进行试验。配合比中骨料级配比例（%）：5~20∶20~40∶40~80（mm）=30∶30∶40，粉煤灰掺量 55%，并掺加适量减水剂、引气剂。

配合比具体参数见表1。

表1 全级配混凝土配合比

1.3 试件成型和养护

这次试验用混凝土试件按《水工碾压混凝土试验规程》（DL/T5433-2009）中确定的试验方法成型。成型过程中碾压混凝土拌和物Vc值控制在2~8 s，拌和物含气量控制在4%左右。

试件成型后用湿布覆盖带模试件表面，湿筛法试件在（20±5）℃的环境中静止24~48 h拆模，全级配试件在（20±5）℃的环境中静止7 d拆模，拆模后试件置于标准养护室中养护至规定的龄期进行性能测试。湿筛法试模与全级配试模尺寸见表2。

表2 全级配与湿筛法试件尺寸对比

1.4 试验设备

湿筛法试验采用2 000 kN液压式压力试验机和100 kN液压式压力试验机进行。全级配混凝土试验采用的YAJ-10000型微机控制电液伺服多功能压力试验机进行，该试验机可通过计算机对试验过程进行自动控制，最大试验压力10 000 kN，能够完成混凝土全级配试件抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、静压弹性模量试验。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

共进行 5个配合比，3个龄期（90 d，225 d，360 d）湿筛法和全级配混凝土试件抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和静压弹性模量对比试验。

全级配混凝土及湿筛混凝土的试验结果见表3。为便于对比，表4中还给出了全级配试件与湿筛标准试件试验数据比值。

2.2 分析比对

根据本次试验不同龄期与不同水胶比15组混凝土数据，对全级配混凝土与湿筛标准混凝土试件力学性能进行分析比较。

1）抗压强度。从表3，4中可以看出，相同龄期同一配合比的全级配混凝土抗压强度低于湿筛混凝土，全级配试件抗压强度与湿筛法试件抗压强度比值在0.80~1.02之间，比值随着龄期增长而增大。

表3 不同龄期全级配及湿筛法混凝土性能研究结果

表4 全级配与湿筛法混凝土试件性能比值

分析认为，全级配混凝土比湿筛混凝土骨料含量多，粗骨料的骨架作用大于湿筛混凝土，且其实际含气量低，这都是对其强度有利的因素。但同时，全级配混凝土中，由于大骨料的存在，混凝土成型中，其泌水在上升过程中被粗骨料所阻，故有部分泌水聚集在粗骨料下方，以致混凝土硬化后形成孔隙、界面裂痕，影响粗骨料与水泥浆的粘结。由于这一薄弱断面的存在，往往会产生应力集中，使全级配混凝土试件比湿筛混凝土试件更易破坏。

这次试验结果显示，在全级配混凝土中，骨料界面薄弱环节对强度的影响大于骨料骨架因素。

2）静压弹性模量。从表3，4中可以看出，混凝土静压弹性模量随龄期的增长而增大，全级配碾压混凝土静压弹性模量低于相应湿筛法试件静压弹性模量，随试验龄期的增长两者差值逐渐减小，全级配试件与湿筛法试件静压弹性模量比值在0.77~0.98之间。

分析原因认为，虽然全级配混凝土试件中弹模较大的粗骨料含量较多，但大骨料界面薄弱环节的存在仍导致试块抗压弹性模量较低，只是大小试块差异并不明显。

3）劈裂抗拉强度。试验结果显示，全级配碾压混凝土劈裂抗拉强度低于湿筛法试件。全级配混凝土劈裂抗拉强度与湿筛标准试件的比值为0.68~0.87。

分析认为，第一，全级配混凝土成型过程中泌水上升，部分被粗骨料阻挡，混凝土固化后形成原生界面裂纹，随着荷载的增加，混凝土内部的原生裂纹开始扩展，并伴随着新裂纹的产生与扩展，裂纹相互贯通后引起混凝土试件迅速断裂。第二，对干贫混凝土来说，胶凝材料是影响混凝土抗拉强度的主要因素，尽管全级配混凝土中含气量较湿筛混凝土小，但因湿筛混凝土提高了其胶凝材料用量，因而其劈裂抗拉强度反而比全级配混凝土高。

试验结果表明，相对于抗压强度、静压弹性模量来说，全级配混凝土的劈拉强度远低于湿筛法试件，如果按现行标准采用湿筛法剔除大骨料后检测混凝土劈裂抗拉强度较混凝土实际劈裂抗拉强度增大13%~32%。

4）抗折强度。试验结果显示，全级配碾压混凝土抗折强度低于同龄期湿筛法混凝土抗折强度，其比值为0.61~0.88，大骨料对碾压混凝土抗折强度影响与对劈裂抗拉强度的影响相近。

在全级配混凝土与湿筛法标准试件试验数据比值中，劈裂抗拉强度和抗折强度远低于抗压强度和抗压弹性模量。可见对于界面薄弱环节的影响，抗拉强度比抗压强度更敏感。

3 结论

1）骨料最大粒径为80 mm的全级配混凝土与剔除大骨料的湿筛混凝土力学性能试验结果表明，全级配混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和抗折强度均低于相应湿筛混凝土试件。对于本次研究采用的配合比，全级配混凝土与湿筛混凝土标准试件的各项比值如下：抗压强度比0.80~1.02；静压弹性模量比0.77~0.98；劈裂抗拉强度比0.68~0.87；抗折强度比0.61~0.88。

2）分析认为，全级配混凝土各项指标偏低是由于大骨料界面形成原生裂纹引起。试验数据反应，大骨料的存在对混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度影响较大。

3）由于全级配混凝土与湿筛混凝土试件试验数据的明显差异，因此基于湿筛法试验来评价大体积建筑物混凝土，不能较真实的反应全级配混凝土的相关特性，具有局限性。建议具备条件的工程应开展全级配试验。

［1］王仲华，陈如华.三峡大坝全级配混凝土力学性能试验研究［J］.长江科学院院报，1998（2）.

［2］杨成球，吴政.全级配混凝土基本力学特性试验研究［J］.水利水电科技进展，2006（3）.

［3］杨忠义.全级配混凝土强度的尺寸效应研究［J］.水电站设计，2008（3）.

［4］孙恭尧，王三一，冯树荣.高碾压混凝土重力坝［M］.2004（3）.