现场浇筑大坝混凝土力学性能试验研究

李 洲

(东莞市正源工程质量检测有限公司，广东 东莞 523000)

0 引 言

与普通混凝土相比，低热水泥混凝土具有后期强度高、水化放热较低等优势，应用在筑坝工程中可以大大降低坝体裂缝出现的概率，有利于大坝长久的使用和维护，也促进了国内低热水泥混凝土筑坝技术的发展[1-2]。我国多个大坝在筑坝过程中都使用了低热水泥混凝土，并取得不错的效果[3]。低热水泥混凝土是近些年兴起的一种材料，强度方面可参考的试验数据并不像使用已久的中热水泥混凝土那么多，特别是全级配低热混凝土的数据更是少之又少。对于大坝而言，保证其结构的稳定性和安全性是首要任务，是重中之重，而筑坝材料混凝土的强度则是影响大坝结构稳定性和安全性的关键因素[4]。由于混凝土的实际强度也会受到养护条件、搅拌方式、气候环境等因素的影响，因此为了提供更加真实、全面的混凝土强度试验数据以及在筑坝前期有更加准确的评价，在施工现场直接浇筑成样，在测量同条件下的强度是十分有必要的。在工程中，对全级配混凝土的力学性能进行评价时普遍参考湿筛二级配混凝土制成的立方体标准试样的力学性能，但很多学者研究发现全级配混凝土的力学性能与湿筛混凝土的性能存在差异[5]。产生这种现象的原因是湿筛法将混合物里大骨料(粒径超过40 mm)剔除了，使粗骨料在混凝土中的体积大大减少[6]，相比之下提高了胶凝材料的占比，使得砂浆和骨料间的界面接触变少，削弱了界面缺陷；同时骨料被砂浆包围和润滑，使试样中的界面过渡区得到改善。Yang等[7]通过控制大骨料体积占比和大骨料粒径，研究其对全级配混凝土力学强度的影响，发现混凝土抗拉强度会随着骨料粒径的增大而减小。另外，导致湿筛和全级配混凝土试样强度存在差异的是尺寸效应[8]。

本研究通过全季节(春、夏、秋、冬)分4次在工程现场制作低热水泥湿筛二级配和全级配混凝土试样，进行不同龄期、不同季节混凝土的劈裂和抗压强度试验研究，并基于筑坝材料低热水泥湿筛和全级配混凝土力学性能的时变特性，对比两者之间强度差异，为实际工程筑坝材料混凝土的强度提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料和配合比

本文的研究对象是某地区的水库大坝。试验所用混凝土来自工程现场的拌和楼并直接从大坝施工现场运回实验室，混凝土坍落度范围30～50 mm，其中最大粒径的骨料为150 mm，是全级配混凝土。通过湿筛之后变为湿筛二级配混凝土，最大粒径的骨料为40 mm。水泥种类是嘉华牌P·LH 42.5的低热硅酸盐水泥，水胶比设为0.42，砂率为23%。粉煤灰掺量为35%，选用卓圣I级。1 m3全级配混凝土的理论配合比见表1。

表1 低热水泥全级配混凝土配合比 /kg·m-3

1.2 试验方案的拟定

由于混凝土在室内养护条件和在外界自然环境中养护条件区别较大，所以为了在室内尽可能真实模拟室外大坝混凝土的养护过程，正确全面地测出大坝混凝土的力学性能，拟定分为4次试验，分别对应4个季节的温度环境(春、夏、秋、冬)，在模拟的4个季节环境中制作湿筛二级配、低热水泥全级配混凝土试样。试样制作完成后，再开展不同养护时间下的轴心抗压、进行不同龄期试件的劈裂抗拉以及抗压强度试验。见表2。

表2 某大坝混凝土力学强度试验计划表

本次力学试验一共浇筑做好全级配、湿筛混凝土试样共85组，前者浇筑29组，后者浇筑56组。对于前者类型的试验，抗压强度的测量一组由3个试样立方体组成，每个试样边长为450 mm，劈裂抗拉强度所用的试样同样一组3个试样，尺寸与抗压试样样品相同。此外，要制作5组、20个长方体试样用于轴压试验，尺寸为450 mm×450 mm×900 mm(长×宽×高)。对于后者类型的试验，抗压强度的测量同样是一组3个试样立方体，每个试样边长为150 mm，劈裂试验相同。另外，要制作108个、18组长方体试样用于轴压试验，尺寸为150 mm×150 mm×300 mm(长×宽×高)。

1.3 试样方法和试样制作

本次试验中所用的全部试样都是在大坝工程现场制作而成，制作流程和标准严格按照国家试验标准进行。试验设备为液压伺服机，湿筛、全级配混凝土的力学试验对应的量程为2 000和10 000 kN。

2 分析试验结果

2.1 试验结果

见表3。

表3 湿筛、全级配混凝土弹性模量以及轴心抗压强度结果

2.2 抗压强度分析

图1为湿筛、全级配混凝土在各龄期、各季节的抗压强度试验结果。从图1可以看出，尽管制样季节不同，但湿筛、全级配混凝土抗压强度的变化规律没有太大差异，都表现为抗压强度在养护前期增长较快，但随着养护时间的变长，强度增长速率趋于平缓。虽然两种类型混凝土的抗压强度都达到了设计强度的要求(40 MPa)，但对于全级配混凝土，在养护180 d时达到设计强度值，而湿筛混凝土在养护时间90 d时就可以达到抗压设计值，说明后者的养护周期更短，实用性更强。同时对于湿筛混凝土而言，在夏季制成的试样抗压强度都高于其它季节，以7和180 d最为明显，说明高温度环境有利于混凝土强度的提高。通过图1(a)和图1(b)的对比发现，在龄期和季节都相同的情况下，湿筛混凝土的抗压强度都大于全级配的抗压强度，也表明了湿筛混凝土比全级配类型的性能更好。

图1 全级配和湿筛混凝土在不同季节下的抗压强度

2.3 劈裂强度分析

图2为湿筛、全级配混凝土在不同龄期和不同季节情况下的劈裂结果。从图2可以看出，龄期的增长会提高湿筛、全级配混凝土在不同季节下的劈裂强度，但这个增长速度会渐渐变缓。在相同季节下，湿筛混凝土的劈裂强度均比全级配要高，并随着龄期的增长，两者之间的差距也越来越大，这与抗压强度的表现相一致。对于湿筛和全级配混凝土，也表现出夏季制作的试样的劈裂强度最高，大于其他季节，而秋季制的试样劈裂强度最低。这也说明大坝浇筑时应避开秋季，最好在夏季进行施工，这对大坝后期抗劈裂强度和抗压强度的提升都是有利的。

图2 全级配和湿筛混凝土在不同季节下的劈裂强度

2.4 弹性模量和轴心抗压分析

表3为湿筛、全级配混凝土的弹性模量结果和轴心抗压强度。分析表3可知，对于轴压强度而言，当龄期和制样季节保持一致时，湿筛均大于全级配，表现出更好的性能。同样情况下，湿筛混凝土的弹性模量也表现出比全级配更大的现象。而随着龄期的增长，两种混凝土的各项指标(弹性模量、轴压强度)都呈现逐渐增大的规律，但增长的速度逐渐趋于缓慢。对于4个季节中所制成的湿筛样品，在所有龄期中大部分夏季的弹性模量和轴心抗压强度为最大，这一现象也与之前的劈裂、抗压试样的结果相一致。

3 结 论

本文为了更加全面、准确地研究低热水泥混凝土的力学强度，设置了不同龄期、不同季节下的全级配和湿筛混凝土的劈裂、抗压强度试验，结论如下：

1) 随着龄期的增长，湿筛和全级配的抗压强度都会得到不断提高，但时间越久，增长速率越慢；两者的抗压强度均能在龄期180 d时达到设计值40 MPa；在相同龄期和季节下，全级配混凝土的抗压能力要小于湿筛混凝土。

2) 随着龄期的增长，湿筛和全级配的劈裂强度也会得到不断提高，且全级配混凝土的劈裂强度要小于湿筛混凝土，两者差值会随着龄期的增长而变大，说明湿筛混凝土的力学性能要比全级配混凝土强。

3) 随着龄期的增长，两种混凝土的各项指标(弹性模量、轴压强度)与劈裂、抗压试验表现一致，均是湿筛大于全级配，且大部分夏季所制作试样的各项强度为最大。