大坝现场浇筑期混凝土性能分析

周勇廷

(赫章县水务局,贵州 赫章 553200)

0 引 言

大体积混凝土在施工中,因水泥水化热的影响很容易导致开裂现象发生。低热水泥为近年来应用发展速率较快的材料,因其具有水化放热低和后期强度高等特点,非常适宜在大坝工程建设中使用[1-2]。潘利等[3]在桥梁承台大体积混凝土中使用低热水泥,结构表现除了更好的体积稳定性和更低的绝热温升值,还有利于减少温度裂缝。但低热水泥混凝土的强度性能指标数据仍相对较为匮乏,混凝土的强度性能对工程结构的安全性和稳定性有着直接紧密的联系,因此必须研究测定其具体的强度性能参数才可投入使用。

目前,全级配混凝土的强度性能通常是以湿筛二级配混凝土标准试验强度来评价。但现场施工条件和环境气候的变化,均会对混凝土的性能产生影响。而实验室标准养护条件下的性能测试结果,并不能非常充分反映真实的强度特性。李光伟等[4]研究表明,全级配混凝土和小粒径湿筛混凝土之间力学性能存在差异。Serra等[5]试图以理论和经验公式来确定全级配混凝土和湿筛混凝土强度性能的换算关系,但受限于变量因素较多,应用到实际工程中与测试值仍有较大差距。

为了更准确地确定低热水泥全级配混凝土的强度性能,本文分别在春夏秋冬4个季节浇筑成型全级配和湿筛混凝土,测试混凝土抗压、劈裂抗拉、轴心抗压强度以及静力抗压弹性模量,计算两类混凝土之间的强度换算比,为低热水泥混凝土强度参数提供参考。

1 材料与方法

1.1 原材料及配合比

试验用低热硅酸盐水泥型号为P·HL42.5,骨料则直接取自大坝现场拌合楼,最大粒径150mm,坍落度30～50mm,来制备全级配混凝土。水胶比0.42,粉煤灰掺量35%,含砂率23%。湿筛二级配混凝土则通过湿筛法,除去全级配混凝土中骨料粒径大于40mm的部分来制备。试验低热水泥全级配混凝土配合比见表1。

1.2 试验方案

考虑到混凝土强度性能与养护条件紧密相关,而施工现场养护条件与实验室养护条件存在较大差异。因此,为了更加准确评价大坝所用低热水泥混凝土的强度性能,本试验生产制备的所有试件均在大坝工程现场浇筑完成。另外,全级配混凝土和湿筛二级配混凝土在春夏秋冬4个季节均浇筑成型一批。

通过混凝土抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、轴心抗压强度试验以及静力弹性模量试验,来评价不同养护龄期混凝土的强度性能。试件成型尺寸和具体试验方案见表2。

表2 混凝土强度性能测试方案

本试验湿筛混凝土试件共成型56组,全级配混凝土试件共成型29组,抗压强度和劈拉强度测试每3个试件为一组,轴心抗压强度和静力弹性模量每6个试件为一组,共计制备222个湿筛混凝土试件。湿筛抗压强度和劈拉强度测试试件尺寸150mm×150mm×150mm,轴心抗压和静力弹性模量测试试件尺寸150mm×150mm×300mm;全级配混凝土抗压强度和劈拉强度测试试件尺寸450mm×450mm×450mm,轴心抗压和静力弹性模量测试试件尺寸450mm×450mm×900mm。

其中,19组湿筛混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度在春季测试龄期包含3、7、14和28天,夏、秋、冬三季测试龄期则均涵盖7、14、28、90和180天;18组湿筛混凝土轴心抗压强度和静力弹性模量在春季测试龄期含3、7、14和28天,夏季测试龄期含14、28、90和180天,秋冬季节则均包含7、14、28、90和180天。12组全级配混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度在春季测试龄期含14和28天,夏季测试龄期含14、28、90和180天,秋冬季节测试龄期则均为7、28和180天;5组轴心抗压和静力弹性模量分别为春季14和28天,冬季7、28和180天。

1.3 试验方法

参照我国《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)[6],分别采用加载量程10 000和2 000kN的液压伺服试验机,进行全级配混凝土和湿筛混凝土强度性能测试。其中,抗压强度试验加载速率控制为0.3～0.5MPa/s,抗拉劈裂强度试验加载速率控制为0.04～0.06MPa/s。由于试验规程中混凝土轴心抗压强度测试标准试模规格与全级配混凝土不相符,本文中全级配混凝土轴心抗压强度通过静力抗压弹性模量试验每组4个试件的最终破坏荷载来确定。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度试验结果分析

表3和图1为全级配混凝土和湿筛二级配混凝土在不同浇筑季节、不同养护龄期的抗压强度试验结果。由表3和图1可知,浇筑季节的变化对于全级配混凝土和湿筛二级配混凝土的抗压强度有着明显的影响作用。全级配混凝土春夏秋冬4个浇筑季节下养护28d时的抗压强度分别为30.96、32.05、25.3和27.88MPa,而湿筛混凝土在4个季节浇筑养护28d的抗压强度分别为38.92、39.2、30.8和31.36MPa,秋冬季节混凝土抗压强度较低,可能是昼夜温差较大所造成。对比图1(a)和图1(b)可知,当浇筑季节和养护龄期相同时,湿筛混凝土抗压强度均高于全级配混凝土抗压强度。全级配混凝土和湿筛混凝土在养护龄期达180天时的抗压强度,均满足40MPa设计强度,可正常使用。

图1 不同季节全级配和湿筛混凝土抗压强度

表3 全级配混凝土和湿筛混凝土抗压强度试验结果

由夏秋冬3个季节湿筛混凝土7～180d的抗压强度结果来看,混凝土抗压强度的快速增长主要表现在早期,养护28天时混凝土抗压强度可达养护180天的一半以上。以夏季湿筛混凝土抗压强度为例,养护前7天,抗压强度增长速率可达3.06MPa/d;7～14天内,抗压强度增长速率为1.49MPa/d;14～28天内,抗压强度增长速率为0.53MPa/d;28～90天内,抗压强度增长速率为0.06MPa/d;90～180天内,抗压强度增长速率仅为0.07MPa/d。全级配和湿筛混凝土在不同季节内,抗压强度增长速率随养护龄期的增长显著降低。

全级配混凝土在养护龄期较短时的破坏形态主要表现为骨料与砂浆间界面的破坏,而混凝土中的大骨料均较为完整。这是因为早期养护阶段混凝土强度仍相对较低,此时骨料强度明显高于骨料与砂浆间的黏结强度,破坏会首先从薄弱面发展。混凝土破坏时,结构面破坏形态呈现两个对顶的角锥破坏。这是由于混凝土试件上下与加载承压面之间的摩擦作用,从而约束了混凝土的横向变形,摩擦约束力随离承压面距离的增大而减小,混凝土试块中部横向变形达到最大。

2.2 劈裂抗拉强度试验结果分析

表4和图2为全级配混凝土和湿筛二级配混凝土在不同浇筑季节、不同养护龄期的劈裂抗拉强度试验结果。由表4和图2为可知,在不同季节下浇筑成型的全级配混凝土和湿筛二级配混凝土的劈裂抗拉强度在同一养护龄期时,同样表现出一定差异。全级配混凝土春夏秋冬4个浇筑季节下养护28天时的劈拉强度分别为1.64、1.96、1.63和1.63MPa,而湿筛混凝土在4个季节浇筑养护28天的劈拉强度分别为2.55、2.65、2.28和2.37MPa。此时,在夏季浇筑成型混凝土的劈裂抗拉强度会相对更高一些。

图2 不同季节全级配和湿筛混凝土劈裂抗拉强度

表4 全级配混凝土和湿筛混凝土劈裂抗拉强度试验结果

与全级配和湿筛混凝土抗压强度发展规律相一致,混凝土的劈裂抗拉强度的增长速率同样随龄期的增长而显著降低。以冬季全级配混凝土劈裂抗拉强度为例,养护前14天,劈拉强度增长速率可达0.12MPa/d;14～28天内,劈拉强度增长速率为0.02MPa/d;28～90天内,劈拉强度增长速率为0.003MPa/d;90～180天内,劈拉强度增长速率为0.004MPa/d。养护时长达90天后,劈裂抗拉强度增长速率处于极低水平。

全级配混凝土在不同养护龄期下劈裂破坏形态存在明显的差异。养护初期(7天)破坏面主要表现在水泥砂浆上,此时砂浆强度仍在发展过程中,界面承载力相对薄弱;养护早期(28天)破坏面主要出现在骨料与水泥砂浆间的接触面上,不再表现为水泥砂浆的直接破坏。这是因为随着养护龄期的增加,水泥砂浆强度持续增加,砂浆与骨料之间的界面过渡区成为最薄弱的环节,导致破坏发生在接触面之间。养护末期(180天)混凝土断裂面则大多出现在骨料上,此时混凝土整体强度较为均衡,骨料断裂意味着混凝土达到最大承载能力。

2.3 轴心抗压强度和静力抗压弹性模量试验结果

表5为全级配和湿筛混凝土轴心抗压强度和静力抗压弹性模量的试验结果。由表5可知,与全级配和湿筛混凝土抗压、劈拉强度一致,轴心抗压强度和静力抗压弹性模量同样是在养护早期增长速率较快,养护龄期越长,强度发展速率越慢。相同浇筑季节、相同龄期下,全级配轴压强度和静力弹性模量均小于湿筛混凝土相同测试指标。本文因成型试件用于测试轴压强度和弹性模量数量较少,且与上文强度性能发展规律相接近,因此不作进一步分析。

表5 全级配混凝土和湿筛混凝土轴压强度和静力弹性模量试验结果

2.4 强度性能换算比的统计分析

图3(a)和图3(b)分别为全级配混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度相对于湿筛混凝土强度性能换算比。由图3(a)和图3(b)可知,强度性能换算比均小于1,表明全级配混凝土各项力学性能强度均小于相同养护龄期下湿筛二级配混凝土的力学强度。其中,全级配与湿筛混凝土抗压强度换算比最小值为0.71,最大值为0.96,12组换算比均值为0.82;全级配与湿筛混凝土劈拉强度换算比最小值为0.64,最大值为0.75,12组换算比均值为0.71。抗压强度和劈拉强度换算比表明,仅少数组别有较大差异,而大多数测试组结果相对接近,可以比较真实地反映低热水泥全级配混凝土的强度性能。

图3 全级配强度性能换算比

3 结 论

本文为了更加准确地评价修筑大坝所用低热水泥混凝土的强度性能,在春夏秋冬季节分别浇筑成型低热水泥全级配混凝土和湿筛二级配混凝土,对比两类混凝土在同一养护龄期下的强度换算关系。结论如下:

1)混凝土抗压、劈裂抗拉、轴心抗压强度以及静力抗压抗性模量的发展规律均表现为养护早期增长较快,强度增长速率随龄期的增长显著降低。

2)全级配混凝土的强度性能测试结果均小于湿筛混凝土,不同季节养护龄期满180天,混凝土抗压强度均可满足规范设计要求。

3)全级配混凝土抗压强度换算比均值为0.82,劈拉强度换算比均值为0.71;测试组别之间未显现较大离析差异,可选用换算比均值来评价低热水泥混凝土的强度特性。