聚合物混凝土在水利工程中的应用与检测

邱雯祺

（广州市瀚源建设工程质量检测有限公司，广东广州 510000）

大量的民用建筑、穿山断流的水利设施、各种军事建筑都需要用到混凝土材料。面对不同的用途和要求，传统的混凝土在部分性能方面稍显不足，添加不同的材料制作聚合物混凝土，成为当前建筑工程中的主要选择。在水利工程中，可供选择的聚合物混凝土种类相对较多，且不同的水利工程项目对混凝土的要求有一定差别，需要依靠检测手段对聚合物混凝土质量进行有效控制，确保水利工程项目的整体质量合格。

1 聚合物混凝土的特点与分类

1.1 聚合物混凝土的特点

聚合物混凝土的耐久性十分突出，碱金属离子可以被硅酸盐矿物粉末吸收，大量的硅酸盐粉末保留在地质聚合物中。整个吸收的过程持续时间较久，直至矿物粉末被全部消耗，极大地削弱碱性聚集体的反应。聚合物混凝土的生产过程污染少、能耗低，制备过程使用的材料和能源较少，基本不排放二氧化碳。具有杰出的力学性能，普通聚合物的1 d强度可以达到20～30 MPa，28 d强度可以达到40～60 MPa。

1.2 聚合物混凝土的分类

聚合物混凝土主要可分为聚合物水泥混凝土、树脂混凝土和聚合物浸渍混凝土等。聚合水泥混凝土是使用有机聚合材料和水泥作为胶凝材料制造的混凝土。树脂混凝土是完全由液态树脂作为胶凝剂的水泥质混凝土，使用的骨料与普通混凝土相同。浸渍聚合物的混凝土将有机单体渗透至混凝土中，通过加热或辐射辐照使其聚合、形成一个整体。

2 聚合物混凝土性能试验检测

2.1 力学性能检测

（1）抗压性检测。

聚合物混凝土的抗压性取决于组成混凝土的各种材料的强度以及材料之间的相互作用力。抗压性是评价混凝土力学性能最重要的标准。抗压试验使用计算机控制压力试验机，量程为2 000 kN，精度等级为1级。

将试块从标准固化储存室中取出，干燥后放置在湿度较低的房间，在室温下放置3 d，进行测试。测试前，需要测量试块大小和重量，要求试块边长≤1 mm；测试时，应保证测试块与压机之间的接触面清洁平坦。将试件放在压力机的下压板上，成型件的上表面不能用作承压面，调整试块的中心。测试机的充电过程通过计算机智能控制，只需要在测试开始前预先设置初始充电时间和充电速率。设置初始荷载的目的是调整球座，确保测试块和测试机间处于平衡状态。试验基础混凝土设计强度等级为C40，荷载率选择0.5 MPa/s。测试部件出现损坏时，应立即暂停测试，重新恢复油泵，并对旋钮进行复位，观察并记录测试部件的状况，从控制软件中读出测试数据，清洗损坏的部件和下一个测试块。

计算抗压性：

式中：A——承压面的面积（mm2）；F——试件破坏荷载（N）；fc——标准抗压性（MPa）。

（2）抗拉性能检测。

该测试使用与压缩性能测试相同的测试设备。试验中，试样的承压面和分隔面应垂直于试样的上表面。上下承压板和试样应垫有钢制缓冲块和木制缓冲块，缓冲块和垫块应与从试件起的承压表面中心线对齐，并垂直于顶面。在该测试中，使用较薄的钢制坐垫条，钢制坐垫条的长度比木质坐垫条稍长。三层胶合板制成的木质坐垫厚度取值4～5 mm，宽度取值（20±1）mm。GPC强度为C40，结合混凝土相关标准，加速率设定为0.07 MPa/s。

计算混凝土抗拉强度：

式中：ft——混凝土的抗拉强度（MPa）；F——试件的受损荷载（N）；A——试件劈裂面的面积（mm2）。

将每组样品测量值的算术平均值作为样品组的抗拉强度，精度为0.01 MPa。测量值与平均值之差超过15时，需要同时舍去测量值中的最高和最低值，将平均值作为最终的检测结果；有两个以上结果差异大于15时，测试结果无效。在该测试中，试件采用标准尺150 mm×150 mm×150 mm，无须考虑转换系数。

（3）抗折性能检测。

选用微机控制压力试验机，测量范围为0～300 kN，精度等级为1级。

将试块从固化储存室中取出放置3 d，再放置在测试设备中。测试设备中的样品架和装载头采用直径24 mm、长度比样品厚度大11 mm的硬钢圆柱体。支撑点是固定的和铰接的，其他支撑点为轴承。调节两个支架的位置，使试件之间的距离为300 mm；确保安装尺寸的偏差不超过0.4 mm，将测试件成型的表面放在侧面，使承受压力的表面与之垂直；局部可提供支撑、负载点和压力支撑，表面接触稳定且均匀。设定初始载荷和压力载荷，试验载荷率为0.08 MPa/s，测试后记录测试数据，对试验结果进行计算，若试件下方边缘断裂位置与两个集中载荷中间点相重叠。

计算抗折强度：

式中：fz——抗折强度（MPa）；L——支座跨度，试验取值310 mm；F——试件的受损荷载（N）；h和b——试件截面高度和试件截面宽度，试验中取值110 mm。

检测时要求分组进行，单组选定3个试件，测算结果与其算数平均值之间差距小于20%，采用均值为最终抗折强度结果，结果精确控制在0.01 MPa。

（4）静力受压弹性模量检测。

衡量材料变形性能的重要参数是弹性模量。从宏观角度分析，材料的可变形性可以通过弹性模量的大小反映；从微观角度分析，材料的可变形性是材料各成分分子之间结合强度的指标。混凝土是一种复合材料，许多因素均会影响其弹性模量。

清洁事先准备好试件以及上下支撑板；将安装夹紧框架和变形测量仪安装在试件的两侧，为保证变形测量仪和试件的中心位置平行且彼此对称；固定框架间的距离为150 mm。调整试件，使其位于底部压板的中部，设置校平载荷；预载荷居中，在压力控制软件中将参考应力的初始载荷值设置为0.5 MPa，保持恒定载荷60 s，并在20 s内记录每个测量点的变形读数，立即施加连续且均匀的载荷，直到张力达到轴向抗压性载荷值的1/3，保持载荷恒定60 s，并在20 s内记录应变读数；此测试中负载速度为0.5 MPa/s。

两个应变仪的应变读数之间的差值分别计算，两个应变读数均超过平均值的20时，将测试件重新对准再预加载。如果相位差不能减小至小于20，则测试无效。确认试件的对位符合要求后，以0.5 MPa/s的速率在0.5 MPa的参考应力下放电，使用相同的恒定载荷60 s；必须在60 s的恒定保持载荷下执行至少两次重复的预充电；最后一次预紧后，将负载保持在0.5 MPa的参考应力下60 s，并在30 s后记录每个测量点的应变读数。使用相同的加载速度以轴向抗压性的1/3加载，保持该负载60 s，并在30 s后记录每个测量点的应变读数；移开应变测量仪，以相同的速度加载，直到样品破裂，并记录失效载荷；试验完成后记录变形测量仪的读数、最大值的荷载。

计算弹性模量：

式中：Em——混凝土的弹性模量（MPa）；Fa——轴心抗压荷载（N）；F0——0.5 MPa时初始荷载（N）；A——试件受力面积（mm2）；L——测量标距（mm）；Δn——试件两侧变形平均值（mm），受压弹性模量结果精确至0.1 MPa；Ec——3个试件测值的算术平均值。

若单个试件的最终破坏强度Fc和轴心抗强度Fp之间差距大于25%时，需要对该试件检测结果进行排除，取另外两个试件检测结果的算数平均值为最终结果；有两个以上的试件违反以上的规定时，此试验无效。

2.2 结构的性能检测

破坏和断裂特性是混凝土综合性能的重要参考指标，需要检测混凝土的综合性能，分析其破坏和断裂的机理和相关参数，根据具体的数据判定混凝土性能。线性弹性断裂是对混凝土断裂机理最初的研究。试验结果表明，在载荷的影响下，主成分裂纹附近的分支区域会出现微裂纹，并表现出一定的非线性特性。断裂韧性测试方法包括直接拉伸法、紧凑拉伸法、楔形分割法和三点弯曲梁法。该测试参考《水工混凝土断裂试验规程》（DL/T 5332—2005），操作方法简单，测试结果稳定。精确的三点弯曲梁方法结合纤维尺寸的影响，使用非标准的100 mm×100 mm×400 mm小梁样品，测试前应对小梁预先制造初始裂缝。在GPC测试配对过程中，发现脱模前的混凝土略有膨胀。如最初的裂纹通过嵌入式楔形方法进行预制，难以从模具中去除楔形。本试验中，试件成型后采用割缝法进行预铸，对于初始裂纹，预铸裂纹的深度为30 mm。为了确保测试结果的准确性，将5个样本倒入每组比例中，将总共55个样本倒入11组中。

将两个支架之间的间隙设置为300 mm，将测试件的两端与支架之间的距离设置为50 mm，放置测试件并安装其他测试设备。必须保证试件放置位置处于支架的正中，同时需要保证试件纵轴始终与支架呈垂直状态，初始裂纹和加载平台要与板压力的中线保持一致，连接称重传感器、夹子引伸计和测试仪器，确认连接完成后打开控制软件，检查测试设备的状态是否正常，并将每个测量点的初始值重置为0。上压板和力传递装置即将接触时，启动加载装置并启动仪器获取信号。测试过程中，加载速率恒定为200 N/s。

3 结语

科学技术不断提高，水利工程建设的规模和质量要求也在不断提升，对工程中混凝土的耐久度、延展性等的需求愈加精细。传统的混凝土性能相对恒定，不能完全满足质量要求，需要在施工中进行严格控制，要求相关单位按照质量标准，对混凝土的力学和结构等方面的性能进行检测和控制。文章从聚合物混凝土的力学性能以及结构性能方面，提出具体的检测方方向和检测方法，对提高水利工程的性能有较好的促进作用。