不同龄期湿筛大坝混凝土力学性能研究

石 佳

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司,辽宁 抚顺 113000)

近年来,我国修建的高拱坝数量越来越多,最大坝高已达到世界水平,如拟建的白鹤滩拱坝289m和在建的锦屏一级拱坝305m。高拱坝对混凝土的耐久性、安全性和整体性要求更高,如何提高坝体抗裂安全系数以及避免温度裂缝已成为高拱坝建设亟待解决关键问题。然而,采用分封分块浇筑、预埋冷却水管系统、预冷骨料加冰拌合、高掺粉煤灰、中热水泥等常规的温控措施和施工技术,并不能从根本上避免裂缝的出现,有的裂缝甚至会造成较大的危害[1-3]。因此,仍需从配合比及原材料的源头进行创新研究。

由于气候环境、搅拌方式和养护条件等因素均会在一定程度上影响混凝土的实际强度,为了在筑坝前提有更加准确的评价以及提供更加真实可靠的试验数据,有必要在相同测量条件下测定现场浇筑成型试件的力学强度。实际工程中,主要利用湿筛二级配混凝土标准试件评定全级配混凝土的力学性能,但湿筛与全级配混凝土的力学性能通常具有一定差异[4-5]。这是因为湿筛法剔除了拌合物中粒径超过40mm的大骨料,大大降低了粗骨料的体积比例,整个体系中的胶材占比随之提高,进而使骨料与砂浆之间的界面接触减小,界面缺陷被削减;另外,砂浆更好地湿润和包裹骨料,有效改善了界面过渡区。王仲华等试验研究了湿筛混凝土标准试件和相同配比三峡大坝全级配混凝土(最大骨料粒径80mm)的力学强度,并确定两种混凝土的强度之比;冯炜等测试分析了三峡大坝混凝土配合比优化前后的界面强度,通过修正尺寸与损伤系数发现,轴拉试验测值与宏观强度相近,并且随着界面强度的增大而提高;管俊峰等使用楔入劈拉试验探究了大坝混凝土断裂韧度受不同龄期的影响,并提出现场浇筑试件尺寸与断裂韧度之间的关系[6-8]。因此,尺寸效应是导致全级配与湿筛混凝土强度差异的重要因素。

本研究选取春、夏、秋、冬全季节,现场浇筑成型低热水泥全级配和湿筛二级配混凝土试件,通过抗压和劈拉强度试验探究不同季节、不同龄期两种混凝土的强度差异,并进一步揭示两者的力学性能时变特征,以期为筑坝材料优选及大坝混凝土配合比优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 配合比设计

以辽宁省境内地区某水库大坝为研究对象,直接从施工现场的拌和楼提取试验所用全级配混凝土,在实验室测定拌合物坍落度处于40～60mm之间,最大骨料粒径150mm。经湿筛处理,将现场提取的拌合物转变成最大骨料粒径40mm的二级配混凝土。水胶比为0.40,粉煤灰掺量30%、砂率25%,试验配合比如表1所示。水泥使用大连特种水泥厂生产的P·LH42.5低热硅酸盐水泥,粉煤灰使用沈阳热电厂提供的Ⅰ级粉煤灰,砂、石骨料由大连庄沙砂石场提供。

表1 全级配大坝混凝土配比 kg/m3

1.2 试验方案

针对混凝土在外界自然环境与室内环境养护条件存在较大差异的情况,为最大程度地接近大坝混凝土在室外养护过程,准确测定其力学性能,本试验在春、夏、秋、冬全季节温度环境中制作低热水泥全级配及湿筛二级配混凝土试件,并依据《水工混凝土试验规程》测定不同龄期轴心抗压及劈裂抗拉强度,试验方案如表2所示。

表2 大坝混凝土试验方案

本试验共制作85组试件用于混凝土力学性能测试,其中湿筛二级配混凝土56组,全级配混凝土29组。全级配混凝土抗压、劈裂抗拉强度试验每组3个,各组为边长450mm的立方体,轴压强度测试试件每组4个,共5组,试件为900mm×450mm×450mm的长方体;湿筛二级配抗压、劈裂抗拉强度试验每组3个,试件尺寸150mm×150mm×150mm,轴压强度试验每组6个,共18组,试件为300mm×150mm×150mm的长方体。

在水库大坝施工现场,按照现行规范浇筑、振捣、成型、制作各组混凝土试件,使用10000kN和2000kN两种量程的液压伺服机测定全级配、湿筛二级配混凝土强度。

2 结果与分析

2.1 抗压强度试验

在不同季节、不同龄期全级配和湿筛二级配混凝土的抗压强度测试数据如图1所示。

(a)全级配 (b)湿筛二级配

由图1可知,虽然成型季节存在差异,但全级配和湿筛二级配混凝土的抗压强度变化趋势基本相同,养护前期抗压强度发展较快,龄期越长则各组强度增幅变缓。尽管全级配与湿筛二级配混凝土强度均满足40MPa的设计要求,但湿筛混凝土达到抗压强度设计值的养护时间为90d,而全级配混凝土达到设计强度值的养护时间为180d,表明湿筛二级配混凝土具有更短的养护周期,在实际工程中的实用性更好。另外,夏季制作的湿筛二级配混凝土高于其它季节的成型试件强度,并以7d、180d龄期最为显著,表明夏季高温可以在一定程度上提高湿筛混凝土强度。

通过对比分析可知,在相同季节和龄期条件下,全级配混凝土强度总体低于湿筛二级配混凝土,说明湿筛总体优于全级配混凝土性能。

2.2 劈裂强度试验

在不同季节、不同龄期全级配和湿筛二级配混凝土的劈裂强度测试数据如图2所示。

(b)全级配 (b)湿筛二级配

由图2可知,不同季节的全级配和湿筛二级配混凝土劈裂强度均随龄期的延长而增大,并且随时间的推移增长幅度逐渐平缓。季节相同情况下,湿筛二级配总体高于全级配混凝土劈裂强度,龄期越大两者的差距也逐渐增大,该变化特征与抗压强度基本一致。全级配与湿筛二级配混凝土劈裂强度也表现出夏季制作试件高于其它季节的特征,秋季浇筑成型试件的劈裂强度最小。因此,应尽可能避开秋季浇筑大坝混凝土,为保证大坝后期抗压与劈裂抗拉强度最好选择夏季浇筑施工。

2.3 轴心抗压强度与弹性模量

全级配和湿筛二级配混凝土轴心抗压强度、弹性模量测试结果如表3所示。

表3 大坝混凝土轴心抗压强度与弹性模量

从表3可以看出,在制作成型季节和龄期相同的情况下,湿筛二级配均高于全级配混凝土的轴压强度,湿筛混凝土的性能更优,弹性模量也表现出相同的变化特征[11-12]。两种试件的轴压强度、弹性模量均随着龄期的延长表现出增大,但变化幅度趋于平缓。对于春、夏、秋、冬不同季节,夏季制作的湿筛二级配混凝土试件的轴心抗压强度及弹性模量最大,该变化趋势与抗压、劈拉强度保持较好一致性。

3 结 论

文章通过抗压、劈拉强度试验探讨了全季节和多龄期下低热水泥湿筛二级配和全级配现场浇筑试件的力学性能,主要结论为:

1)全级配和湿筛二级配混凝土抗压强度均随着试件的延长而提高,但龄期越长其强度发展速度趋越慢;180d龄期时,全级配和湿筛二级配混凝土均能满足40MPa强度要求;制作季节与龄期相同情况下,湿筛二级配高于全级配混凝土抗压强度。

2)全级配和湿筛二级配混凝土劈裂强度均随着龄期的延长逐渐提高,且湿筛二级配大于全级配的劈裂强度,且随着龄期的延长两者的差值不断增大,表明湿筛二级配总体优于全级配的力学性能。

3)两种混凝土的轴压强度、弹性模量均随着龄期的延长表现出逐渐上升的变化趋势,并且湿筛二级配均高于全级配混凝土,夏季制作的混凝土强度高于其它季节。