堆石混凝土冻融损伤性能试验研究

2021-07-15郑英国

陕西水利 2021年6期

郑英国

(沧州水利勘测设计院，河北沧州 061000)

1 引言

堆石混凝土是清华大学金峰与安雪晖教授提出的国家专利技术，是指利用自密实混凝土的高流动、抗分离性能好以及自流动的特点，在较大粒径的块石中随机充填自密实混凝土而形成的混凝土堆石体[1]。堆石混凝土具有水泥用量少、施工成本低、施工速度快、水化升温小等诸多优势，在水利工程大坝施工中具有良好的应用前景[2]。截止2017年，我国在建的堆石混凝土大坝已经有24座，审查待建的有43座[3]。相对于普通混凝土，目前在堆石混凝土的研究方面还存在诸多不足之处。其中最主要的是冻融循环条件下的堆石混凝土力学性能研究较为欠缺[4]。我国地域面积广大，有近四分之三的国土冬季气温在-5℃以下。特别是在北方寒区和青藏高原等高海拔地区，受到昼夜冻融小周期以及季节性冻融大周期的交互作用，寒区水工混凝土建筑的服役性能劣化十分突出[5]。因此，本次研究通过室内试验的方式，对堆石混凝土冻融损伤性能进行试验研究，力求为寒区堆石混凝土水工结构的设计和建设提供必要的理论支持。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

由于堆石混凝土一般用于大坝等大体积混凝土的浇筑施工，因此对早期水化热具有较高的要求，一般需要采用低热水泥[6]。本次研究选用的是金禺水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，经实验室测定相关标准满足试验要求，可以用于试验研究。

试验用矿物掺合料为粉煤灰。利用粉煤灰代替混凝土胶凝材料中的部分水泥，不仅可以减少混凝土的温裂缝，还可以大量消耗水泥的水化产物氢氧化钙，有利于提高混凝土的强度。本次试验研究选择是电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，其化学成分和基本性能满足试验的相关要求。

试验中的堆石采用的是花岗岩卵石，在堆石混凝土中主要起到骨架支撑作用，粒径为40 mm～90 mm，堆积密度为1898 kg/m3，松散堆积密度为1744 kg/m3；试验用粗骨料为机械破碎筛分的石灰岩碎石，粒径5 mm～10 mm；试验用细骨料的主要作用也是骨架支撑作用。本次试验采用的是河沙筛选处理，确保其质量合格。试验用减水剂为SKD-14型聚羧酸系高效减水剂，试验用水为普通自来水。

2.2 试样的制作

为了进行堆石混凝土的冻融损伤试验，设计了边长为60 cm的立方体试模[7]。在试验过程中，先将其表面清理干净，然后放入清洗过的卵石将试模填满，然后将配制好的自密实混凝土倒入试模，利用其重力作用自动填充到卵石之间的孔隙中，最后形成堆石混凝土立方体。试块成型24小时后拆模，然后利用自然条件养护至7 d与28 d龄期。为了进行对比研究，试验中制作数目和配比相同的自密实混凝土试样，一并进行试验。

2.3 试验方法

为了试验冻融循环对堆石混凝土力学性能的影响，将养护完毕的试样在-20℃下冻结12 h，冻结完成后在20℃下融化12 h为一个冻融循环。分别在25次、50次、75次和100次反复冻融循环之后，进行抗压强度和弹性模量测试。

为了测定堆石混凝土的力学性能，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)的相关要求，试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。因此，需要将上节养护完毕的试样进行切割，达到试验方法对试块尺寸的要求[8]。在数据处理过程中将三个试块的试验结果均值作为最终结果。在抗压强度的测试中，如果在测试过程中出现某个测量值与中值的差异度超过15%，则该组试验结果无效，需要重新进行试验。

关于弹性模量的试验，主要步骤如下：对切割完毕的试块进行测量，计算出其承压面积A；取三个龄期相同的试块，按照相关的要求，测定其轴心抗压强度。另取三个相同的试件进行弹性模量试验，按照相关规范的要求安装好弹性模量的测试仪。仪器安装完成之后进行预压，然后稳定加荷载到同龄期试件轴心抗压强度的1/3，重复预压至相邻两次千分表示数的差值在0.003 mm以内。在预压的过程中，应该保持试验机的变形仪表运转正常。

在预压完成之后进行正式试验，试验中先加荷载至应力0.5 MPa的初始荷载F0，持续30 s，分别读取千分表的示数，然后加载至控制荷载，持续30 s，并读取此时的千分表读数。卸荷并取下仪表，之后以同样的速度加荷至试块破坏，并读取其轴心抗压强度。在试验结束之后，按照如下公式计算试块的弹性模量：

(1)

式中：E为弹性模量值，MPa；Fa为1/3轴心抗压强度，N；F0为0.5 MPa时的荷载，N；A为试件的承压面积，mm2；L为试件两侧变形差值的平均值，mm；δ0测点标距，mm。

3 试验结果与分析

3.1 自密实混凝土试验结果与分析

试验中对经历不同次数冻融循环的自密实混凝土试块进行抗压强度试验，获得如表1所示的抗压强度和弹性模量。以没有经过冻融试件的抗压强度和弹性模量为基准，或者不同冻融次数下的相对抗压强度和相对弹性模量，见图1。由表1和图1可知，随着冻融循环次数的增加，自密实混凝土试块的抗压强度和弹性模量均呈现出不断减小的趋势。在冻融循环达到100次时，其抗压强度降低了27.60%，其弹性模量降低了约40.99%。这与相关文献中的研究成果基本一致。

表1 自密实混凝土试验结果

图1 自密实混凝土相对抗压强度和相对动弹模量变化曲线

3.2 堆石混凝土冻融损伤性能试验结果与分析

利用上节提出的方法对不同冻融循环次数后的堆石混凝土试件进行抗压强度试验，见表2。由表中的试验数据可知，堆石混凝土的抗压强度值随着冻融次数的增加而逐渐降低，且呈现出比较明显的线性变化规律。从其均值来看，由21.73 MPa逐渐降低至16.42 MPa，降低幅度约为24.44%。

表2 堆石混凝土抗压强度试验结果单位：MPa

根据试验结果，对各试件在不同冻融循环次数下的弹性模量进行计算，结果见表3。由表中的结果可以看出，随着冻融循环次数的增加，堆石混凝土的弹性模量值也呈现出逐渐降低的态势。从其均值来看，从38.47 GPa，逐渐降低至28.38 GPa，降低幅度约为26.23%。

表3 堆石混凝土弹性模量试验结果单位：GPa

以没有经过冻融试件的抗压强度值和弹性模量值为基准，对不同冻融次数下的相对抗压强度和动弹模量进行计算，结果见图2。由图2和图1的对比可知，在冻融循环作用下，堆石混凝土和自密实混凝土的抗压强度和弹性模量的变化特征基本一致随着冻融次数的不断增加，堆石混凝土的抗压强度和弹性模量均呈现出逐渐降低的变化规律，在100次冻融循环之后，降低幅度分别为24.44%和26.33%。与自密实混凝土的试验结果相比，堆石混凝土的降低幅度较小，这说明堆石混凝土和自密实混凝土相比，其抗冻性能更为优越。另一方面，堆石混凝土的抗压强度降幅与自密实混凝土更为接近，而弹性模量的降幅明显偏小。究其原因，可能是堆石混凝土的抗压强度主要由填筑的自密实混凝土决定，而弹性模量则由自密实混凝土和堆石料两者共同决定，因此会表现出上述差异。