基于等效龄期大坝混凝土层间粘结质量控制方法研究

2024-01-19代瑞娟山西工程技术学院山西阳泉045000

安徽建筑 2024年1期

代瑞娟（山西工程技术学院，山西阳泉 045000）

1 引言

大坝建设技术的发展可分为人工、机械化、自动化、数字化和智能化阶段。智能大坝提出了一种基于感知、分析和控制的闭环智能建设理念。智能大坝施工技术包括智能混凝土找平、混凝土振动、喷淋、预警（层间粘结性能和坝体温度）、水冷、维护、注浆等。我国大坝建设已从数字舞台步入智能时代。智能施工理论和系统已成功应用于西洛渡（285.5m）、乌东德（277.0m）、白鹤滩（279.0m）等超高拱坝的建设。

乌东德和白鹤滩大坝建设区属典型的干热河谷气候，极端天气（如高温、低湿度、强风和短时强降水）在大坝建设区经常发生。在强风和干热气候的耦合作用下，混凝土混合料浇筑过程中会出现混凝土的低渗漏和高蒸发影响水泥的水化过程和最终水化程度，且骨料因失水而导致表面混凝土白化和假凝固。失水会引起混凝土毛细负压值的急剧变化，进而引起混凝土的塑性开裂。在高温下，混凝土的早期渗出速率大于蒸发速率，这将导致混凝土表面形成一层漂浮的浆料。浮浆的高水灰比会使混凝土形成稀疏多孔的夹层弱区。如果上述问题不能得到有效解决，层间可能会出现渗流通道[1]。此外，还可能存在裂纹和防滑稳定性问题。

坝体混凝土的层间粘结质量控制方法应建立下部混凝土关键参数与层间性能之间的关系，以确定具体的施工节点。针对上述方法的不足，分别进行了不同温度下混凝土的层间劈裂抗拉强度、相对渗透系数和电通量试验。然后，建立了等效龄期与层间强度系数、相对渗透系数比、电通量比的关系。

2 试验材料与方法

2.1 原材料

水泥使用42.5R 级普通硅酸盐水泥，其28d抗压强度为52.5MPa，终凝时间为286min，水灰比为1.07。人造砂（玄武岩粉碎）的表观密度为2780kg/m3。粗骨料为被粉碎的玄武岩，粒径范围为5～20mm。此外，还使用了聚羧酸高效减水剂来保持混凝土的流动性，减水率约为19%。

2.2 试样准备

混凝土试样分三步浇筑。首先，浇筑下部混凝土（模具的一半高度）。然后，将标本置于环境室（温度为20°C、30°C 和40°C，相对湿度为30%）。6h后，将试样从环境室中取出，并浇筑上层混凝土。所有试样在脱模前置于室内环境（20±2°C，相对湿度50%）24h。脱模后，将试样放入标准固化室（20±2°C，相对湿度95%）养护28d 后测试混凝土的性能。

本文试验包含有三种类型的模具，立方体（150mm×150mm×150mm）、圆锥（上直径175mm、下直径185mm、高度150mm）和圆柱体（φ100mm×200mm）。劈裂抗拉强度试验采用立方体试样，圆锥试件用于相对渗透系数试验，圆柱试件用于电通量试验。不同试验制备3 个样品，试验取其平均值。将混凝土试件分为四组，分别为C0、T20、T30 和T40，C0 表示大体积混凝土，其他组是成层混凝土。

2.3 试验方法

2.3.1 混凝土劈裂抗拉强度试验

混凝土的劈裂抗拉强度试验按《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2017）进行[2]。首先，将试样放置在压力试验机下压力板的中心，然后将垫板放置在上下压板与试样之间（垫板的放置方向与层水平，如图1 所示）。加载速率为0.04～0.06MPa/s。

图1 混凝土劈裂抗拉强度试验

2.3.2 混凝土相对渗透率试验

混凝土相对渗透率试验按《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2017）进行。试验的主要目的是确定混凝土在恒定水压下的渗水高度，计算相对渗透系数。首先，将标准固化28d 后的试样置于防渗试验机中，然后加载0.8MPa 的稳定压力值并保持24h，最后，沿纵向断面分割试样，记录渗流高度。

2.3.3 耐氯离子渗透测试（电通量法）

混凝土氯离子快速渗透试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）进行[3]。直流通量法是混凝土抗氯离子渗透的标准测试方法。首先，在电极之间施加60V 直流电，并在测试开始时将第1min作为初始电流，然后每30min 记录一次试验数据，试验持续6h。电通量测试方法如图2 所示。氯离子在直流电压的作用下通过混凝土试样移动到正极。测量通过混凝土的电荷量，这可以间接反映混凝土抵抗氯离子渗透的能力。

图2 电通测试装置示意图

3 结果与讨论

3.1 劈裂抗拉强度

图3 为不同温度下混凝土层间劈裂抗拉强度的变化。首先，层间力学性能随温度的升高而降低。C0 的劈裂抗拉强度为2.05MPa。层状混凝土在20°C、30°C 和40°C 时的层间劈裂抗拉强度分别为1.63MPa（T20）、1.18MPa（T30）和0.83MPa（T40），分别比大体积混凝土（C0）低21%、44%和56%，进一步表明高温对混凝土的层间劈裂抗拉强度有不利影响。这种现象主要是由混凝土的化学反应速率引起的。混凝土的化学反应在固化开始阶段进展较快，但在后期发展缓慢，因此发现较高温度不利于混凝土强度增长。

图3 劈裂抗拉强度

3.2 相对渗透率系数

图4为不同温度下混凝土相对渗透系数的变化。成层混凝土的相对渗透系数大于大体积混凝土。此外，随着温度的升高，混凝土的相对渗透系数呈上升趋势。同时，与C0 相比，T20、T30 和T40 的相对渗透系数分别为大体积混凝土的1300、1680 和2320 倍。一般情况下，层间不透水性随温度升高而逐渐变差，造成这种现象的主要原因可能是温度的升高加速了混凝土中水分的蒸发，缺水降低了胶凝材料的水化程度，使下部混凝土的孔隙结构粗糙，有害孔隙的增加和相互连接最终导致相对渗透系数的增加。同时水泥浆中引起火山灰反应，减少了鞘石、水合硅酸钙、硅酸盐和方解石化合物中的水量，从而增加孔隙率，进一步导致相对渗透率系数的增加。

图4 相对渗透率系数

3.3 抗氯离子渗透

电通量测试结果如图5 所示。可以明显观察到成层混凝土（T20、T30 和T40）的电通量高于大体积混凝土（C0）。此外，电通量随着温度的升高而增加。成层混凝土在20°C、30°C和40°C（T20、T30和T40）下的电通量分别比大体积混凝土（C0）高10%、26%和30%，进一步表明层间对氯离子渗透的抵抗力随着温度的升高而变差。

图5 电通量测试结果

3.4 等效龄期层间粘结质量关系

3.4.1 等效龄期与强度系数的关系

混凝土的强度系数表达式为：

式中，F为层间劈裂抗拉强度；F0为大体积混凝土强度；As为强度系数。

由于大体积混凝土没有层间间隔，因此其等效龄期为0、强度系数为1。而成层混凝土按照式（1）进行计算，计算结果如表1 所示，并根据计算结果绘制混凝土龄期与强度系数的关系曲线如图6所示。图中黄色预警节点为低级警告，代表混凝土等效龄期与实际不符，应增加水量；橙色预警节点为中级警告，代表混凝土温度较高，应盖隔热材料；红色预警节点为高级警告，代表混凝土温度急需降温，应对混凝土进行冷处理。

表1 成层混凝土计算结果

图6 等效龄期与强度系数关系

混凝土强度系数与等效龄期呈线性负相关，相关系数为0.986。根据等效龄期与强度系数的关系，强度系数可分别控制在0.8、0.7 和0.6，对应的等效龄期4.7h、7.1h 和9.7h。这表明，如果将层间劈裂抗拉强度控制在大体积混凝土强度的80%、70%或60%以内，则下层混凝土的龄期应分别控制在4.7h、7.1h或9.7h 以内。如果等效龄期超过相应的控制值，则层间结合强度将不符合控制要求。

3.4.2 等效龄期与相对渗透系数比的关系

相对渗透系数比值表达式为：

式中，Kr是成层混凝土的相对渗透系数；Kr0是大体积混凝土的相对渗透系数；Krr是相对渗透系数比。

根据公式（2）可进一步计算成层混凝土等效龄期与相对渗透系数关系，计算结果如表2 所示。并根据计算结果绘制混凝土龄期与相对渗透系数的关系曲线如图7所示。

表2 计算结果

图7 等效龄期与相对渗透系数关系

根据等效龄期与相对渗透系数比值的关系，如图7 所示，相对渗透系数比值可分别控制在500、1000、1500，对应的等效龄期分别为2.3h、5.4h 和8.6h。这表明，如果将层间相对渗透系数控制为构件混凝土相对渗透系数的500 倍、1000 倍或1500 倍，则下层混凝土的等效龄期应分别控制在2.3h、5.4h 或8.6h以内。

3.4.3 等效龄期与电通量的关系

测试混凝土的氯离子渗透阻力有两种方法，分别是快速氯离子迁移系数法和电通量法。电通量是评估混凝土对氯离子渗透的抵抗力参数。氯离子在电压的作用下会通过混凝土试样移动到正极。因此，混凝土的氯化物渗透阻力可以通过特定时间内混凝土的电荷间接反映。单位时间内通过混凝土的电荷越多，混凝土的氯化物渗透阻力越差。电通量表达式为：

式中，C为成层混凝土的电通量；C0为大体积混凝土的电通量；Cr为电通量比。

根据公式（3）可进一步计算成层混凝土等效龄期与电通量的关系，计算结果如表3 所示，并根据计算结果绘制混凝土龄期与电通量的关系曲线如图8 所示。

表3 计算结果

图8 等效龄期与电通比关系

根据等效龄期与电通量比的关系（见图8），电通量比可分别控制在1.1、1.2和1.3，对应的等效龄期分别为4.6h、9.6h 和13.7h。这表明，如果将成层混凝土的电通量控制在大体积混凝土电通量的1.1 倍、1.2 倍或1.3 倍，则下层混凝土的龄期应分别控制在4.6h、9.6h 或13.7h以内。