哥斯达黎加水电站项目碾压混凝土轴向直接抗拉强度试验研究
2016-04-06镇俊武宁顺才
张 刚，镇俊武，宁顺才
（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州450001）
哥斯达黎加水电站项目碾压混凝土轴向直接抗拉强度试验研究
张 刚，镇俊武，宁顺才
（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州450001）
摘要：由于中美洲哥斯达黎加圣巴勃罗水电站项目碾压混凝土大坝处于地震带内，业主对碾压混凝土的轴向直接抗拉强度值有非常严格的要求。经过大量试验研究，本文提出使用园柱体试件，通过在两端固定拉板和拉环进行轴向直接抗拉试验，取得了满意的试验成果。
关键词：大坝；碾压混凝土；抗拉强度；试验
哥斯达黎加圣巴勃罗水电站距首都圣何塞60km，该电站是TÁRGOLES河上梯级开发中的一个中小型电站。项目总投资1.25亿美元，主要有一座48m高碾压混凝土坝、装机5万KW的发电厂房、引水隧洞和压力钢管等组成。
大坝碾压混凝土总量为14万m3，其中大坝上游防渗带为二级配混凝土（最大粒径37.5mm），设计抗压强度为18MPa@ 180d，劈裂抗拉强度为2.44MPa@180d，轴向直接抗拉强度为1.44MPa；坝体内部为三级配混凝土（最大粒径为75mm），设计抗压强度为14MPa@ 180d，劈裂抗拉强度为2.15MPa@180d，轴向直接抗拉强度为1.23MPa。
在碾压混凝土配合比设计试验过程中，混凝土配合比设计采用美国混凝土协会标准，抗压强度和劈裂抗拉强度试验均采用美国材料试验协会标准方法进行。根据设计提出的混凝土配合比制作的混凝土，其抗压强度和劈裂抗拉强度均可达到目标强度要求。对于轴向直接抗拉强度，现场采用中国电力标准《水工混凝土试验规程》（DLT5150-2001）推荐的方法，所测的直接抗拉强度均达不到设计要求，且同组试件试验值偏差较大，得不到业主工程师和业主的认可，为此研究了新的试验方法。
1 中国电力标准推荐的试验方法存在的问题
1.1 试件制作
中国电力标准《水工混凝土试验规程》（DLT5150-2001）推荐的抗拉强度试验方法，所使用的主要试模为八字模（长550～600mm）和矩形长条试模（100 *100 *550mm）。对于碾压混凝土试验来说，这两种试模在成型过程中存在如下弊端。
（1）试件体积大，成型工作量大，劳动强度大。
（2）碾压混凝土早期强度较低，在试件拆模过程中容易造成试件的损伤，时有发生断裂等情况。
（3）对于矩形长条试模（100*100*550mm），需要预埋螺纹钢筋，在成型过程中，在配重块的作用下预埋件经常出现偏离轴心现象。
（4）试件偏长、偏重，在搬用过程中最少需要2人。
1.2 试验过程
在抗拉试验过程中，找准抗拉轴心非常困难。本项目采用了矩形长条试模（100*100*550mm），从现场试验发现，试件断裂的部位大部分在预埋钢筋的部位，试验结果偏低，不能准确反映出混凝土的抗拉强度。试验存在如下不足。
（1）预埋钢筋处混凝土受力断面最小，造成应力集中。
（2）由于预埋钢筋不在轴心，试验过程中试件不完全处于受拉状态，出现扭拉现象。
（3）同组试件试验值偏差较大。
（4）对于强度较低的碾压混凝土，采用国内长条试模进行抗拉强度试验精度偏低。
（5）试件成型均匀性和控制要求高。
2 碾压混凝土圆柱体试件轴向直接抗拉强度试验方法
针对中国电力标准存在的上述缺陷，结合中美洲诸多水电工程碾压混凝土抗拉试验方法，试验室通过各种试验摸索出采用圆柱体试件两端粘金属拉板方式进行试验，取得了满意的效果。
2.1 圆柱体混凝土轴向抗拉强度试验装置
（1）试验主要装置包括上下金属拉板，金属挂具等，见图1。
图1 试验主要装置
（2）试验装置各部分尺寸见图2。
图2 试验装置各部分尺寸
2.2 试验步骤
2.2.1 主要试验器具和材料准备
（1）环氧胶结材料。通过对各种环氧胶材料的试验，最终选择哥斯达黎加INTAGO公司生产的Maxistick590环氧材料，该材料质量符合美国材料试验协会ASTM G881 TypeI要求，其中A组分为环氧，B组分为固化剂。使用比例为1∶1，环氧胶的主要性能为：粘结强度＞7MPa@7天，＞10MPa @14天；环氧胶的抗压强度＞55MPa@7天；环氧胶的抗拉强度＞35MPa@7天。
（2）量杯2只，容量为250m1，用于配制环氧胶时盛放A和B组分。
（3）搅拌容器，500m1。
（4）试件制作工作台，面积1m2。
（5）水平尺1把。
它由交叉熵和L2正则化项组成。第1部分为交叉熵,计算了真实类别yi与预测类别之间的误差。第2部分为L2正则化项,引入正则化项可以控制网络内部权值参数的数量级,避免训练得到的模型过于复杂,从而改善模型的过拟合现象,提高泛化能力。其中λ为正则化项的比例参数,λ越大,正则化项的影响越大;ω表示网络内部的权值。
（6）混凝土切割机1台，锯片直径450mm，用于圆柱体上下端的切割、找平。
（7）液化气炉灶，用于试验结束后烘烤上、下金属拉板，使其与环氧胶脱离。
（8）清洗剂1升，用于上下金属拉板清理。
2.2.2 试件制作
（1）圆柱体试件切割、找平。圆柱体试件在试验前3天切割，使其两端露出新鲜表面，上、下端面需保证水平。另外，为了粘结牢固，在圆柱体上下两端切割2～3条5mm深的槽子，然后将试件干燥。过程见图3。
图3 试件制作过程
（2）环氧胶的配制。A、B组分的比例为1∶1，试件两端需要A组分和B组分各210m1。将A、B组分置于搅拌容器内混合并搅拌约3分钟，使其混合均匀。配制过程见图4。
图4 环氧材料配制
（3）上、下拉板的粘结。首先，在上、下金属拉板与圆柱体试件粘接前，用砂纸清理锈斑等杂物，并用清洗剂清洗表面。然后，先粘结一端，将金属拉板放置在已经找平的底座上，均匀摊铺环氧胶5～8mm，再将圆柱体试件放置与拉板中心，并检查试件顶部端面的水平度，随后在试件周围填充环氧胶，使其高于拉板面约30mm即可。试件在室温条件养护24小时后再粘结另一端。粘结工作必须在水平的工作台面上进行，用水平尺控制试件端面的水平度，保证试件上、下拉板挂耳保持同一方向，并同心。粘结过程见图5。
2.2.3 抗拉试验
（1）试件的安装。先安装上金属挂具，再将粘接好上、下拉板的圆柱体试件与其链接，并固定好螺栓。在没有安装下挂具前，调整试件位于挂具中心线上，并用水平尺检查上端面是否水平，最后安装下挂具。安装过程见图6。
（2）加荷速度控制。初始阶段缓慢加速使上下挂具链环与上下拉板螺栓充分接触后，将加荷速度上升至0.2～0.5KN/S，直至试件断裂，记录最大荷载。
图5 试件粘结过程
图6 试件安装过程
（3）试验结果计算。直接抗拉强度采用公式F=P/A计算试验结果，其中：F为直接抗拉强度（MPa），P为破坏荷载（KN），A为圆柱体截面积（mm2）
（4）上、下拉板的脱离和清理。试验结束后，将试件的金属拉板端面放置到液化气炉灶上进行烧烤约5～8分钟，使环氧胶与金属拉板脱离。脱离后金属拉板及时清理干净，以备后用。
3 试验结果对比分析
中国电力标准推荐方法和上述新方法的试验结果见表1。
从以上试验结果，可看出：
（1）同标号、同组试件长条形试件的抗拉强度低于圆柱体抗拉强度。
（2）从断裂位置上看，长条试件均断在在预埋钢筋端部，圆柱体试件断裂在试件中部。
表1 试验结果对比
（3）从同组试件之间的强度值差异看，圆柱体试件试验结果的差异比长条形试件小。
（4）圆柱体试件能真实反映试件在轴向拉伸条件下的抗拉强度，长条形试件存在偏心的问题，致使抗拉强度偏小。
（5）圆柱体抗拉试件的制作要比长条试件简易，并容易控制其抗拉轴心。
4 结论
无论是中国电力标准《水工混凝土试验规程》（DLT5150-2001）还是欧美国家试验规范（如ASTM，AGI和BS等），对试件直接抗拉强度的叙述都不是很详尽，其中中国电力标准对于碾压混凝土试件制作几乎没有详细的步骤和应注意的环节。在哥斯达黎加圣巴勃罗水电站项目实施过程中，通过现场试验提出的碾压混凝土轴向抗拉试验方法取得较满意的效果，可以为其他工程碾压混凝土抗拉强度试验提供借鉴。
参考文献
［1］DL/T5150-2001.水工混凝土试验规程［S］.
［2］SL352-2006.水工混凝土试验规程（附条文说明）［S］.
［3］AGI207.5R-11，Reporton Ro11er-Gompacted MassGoncrete［S］.
［4］EM1110-2-2006，Ro11er-Gompacted Goncrete［S］.
［5］GRD-G164-92，Standard TestMethod forDirectTensi1eStrength of Gy1indrica1GoncreteorMortarSpecimens［S］.
［6］ASTM D2936-95，Method forDirectTensi1eStrength ofIntactRock GoreSpecimens［S］.
［7］ASTM G469-02，TestMethod forStaticModu1usofE1asticityand Poisson'sRatioofGoncretein Gompression［S］.
［8］ASTM G39-12，TestMethod forGompressiveStrength ofGy1indrica1 GoncreteSpecimens［S］.
作者简介：张 刚（1968年—），男，高级工程师。
收稿日期：2015-10-15
DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.016
中图分类号：TV431
文献标识码：B
文章编号：1672-2469（2016）02-0043-04
