全級(jí)配與濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度比值問題的探討

陳文耀,鄭 丹

(1.中國(guó)水利水電 第三工程局,西安 710016;2.中國(guó)三峽開發(fā)總公司,湖北 宜昌 433000)

為了減小混凝土的溫度應(yīng)力,確保大壩的安全可靠,必須降低混凝土的水化熱溫升,在滿足強(qiáng)度及工作性能的前提下,水工混凝土采用最大骨料粒徑為80mm或 150mm的三、四級(jí)配混凝土。在進(jìn)行三、四級(jí)配混凝土配合比試驗(yàn)和質(zhì)量控制時(shí),通常采用濕篩法剔除拌合物中超過 40mm的大骨料,成型150mm立方體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)齡期進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),并以此結(jié)果進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)定。大壩等混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)也以 150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度為準(zhǔn)。由于試件尺寸效應(yīng)、骨料粒徑的影響,150mm立方體小試件并不能準(zhǔn)確反映壩體全級(jí)配混凝土的真實(shí)強(qiáng)度。美國(guó)墾務(wù)局[1]率先在胡佛壩開展了全級(jí)配混凝土試驗(yàn)研究工作,揭示了全級(jí)配混凝土性能與標(biāo)準(zhǔn)試件性能的差異。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院[2]相繼也開展了全級(jí)配混凝土試驗(yàn)研究工作,引起了國(guó)內(nèi)對(duì)全級(jí)配混凝土試驗(yàn)研究的高度重視。二灘工程、東江工程等大型水利水電工程均開展了全級(jí)配混凝土試驗(yàn)研究工作。

早期的全級(jí)配混凝土試驗(yàn)研究成果表明,全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度小于濕篩混凝土,兩者的抗拉強(qiáng)度比值大約為0.5～0.7,抗壓強(qiáng)度比值為0.7～0.9[1,2]。但近年來有些研究單位的試驗(yàn)成果與早期結(jié)果差異較大,全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度和濕篩混凝土相當(dāng),有的甚至高于濕篩混凝土。本文將就這一問題進(jìn)行探討,分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,并提出了對(duì)全級(jí)配混凝土試驗(yàn)方法改進(jìn)的建議。

1 現(xiàn)有研究成果回顧

多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明,全級(jí)配混凝土與濕篩混凝土的抗壓強(qiáng)度比值為0.7～0.9。美國(guó)墾務(wù)局的研究成果[3]表明:對(duì)于富拌合物來說,直徑為457mm及610mm的圓柱體強(qiáng)度約為152mm圓柱體強(qiáng)度的85%,而對(duì)于貧拌合物(膠凝材料用量 167 kg/m3)則為93%。某工程[2]四級(jí)配混凝土膠凝材料用量179～192 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度12.0～20.1MPa),450mm立方體與 150mm立方體 28 d抗壓強(qiáng)度比平均為0.80。東江工程[4]?450mm×450mm圓柱體與 150mm立方體 28 d抗壓強(qiáng)度比平均為0.77(標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度18.0～31.0MPa)。銅街子工程[5]?450mm×900mm圓柱體與 ?150mm×300mm圓柱體抗壓強(qiáng)度比值為0.72～0.82(標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度13.2～25.6MPa)。王仲華所做的三峽全級(jí)配混凝土大試件與標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度比為0.90[6](標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度18.5～46.9MPa)。

中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司試驗(yàn)中心采用三峽工程大壩混凝土配合比進(jìn)行的全級(jí)配混凝土強(qiáng)度性能試驗(yàn)研究中出現(xiàn)大試件強(qiáng)度高于小試件強(qiáng)度的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度范圍 28 d,90 d分別為16.0～41.8MPa,24.2～52.6MPa,而 450mm立方體與 150mm立方體 28 d和90 d抗壓強(qiáng)度比值分別為1.11和1.01;?450mm×900mm圓柱體與?150mm×300mm圓柱體 28 d和90 d抗壓強(qiáng)度比值分別為1.01和0.95。文獻(xiàn)[7]也有類似的現(xiàn)象出現(xiàn),單摻木鈣時(shí),大、小試件抗壓強(qiáng)度比值為0.88和0.81;木鈣與引氣劑聯(lián)摻,當(dāng)含氣量大于3%時(shí),大試件混凝土的強(qiáng)度要高于小試件,且兩者比值隨齡期增長(zhǎng)而減小,當(dāng)齡期為182 d時(shí),兩者比值接近1.0。大、小試件比值在早齡期高時(shí)于1,后齡期時(shí)接近于1的現(xiàn)象在近年來的研究中也時(shí)有出現(xiàn),只是文獻(xiàn)中反映出來的較少。

2 全級(jí)配與濕篩混凝土強(qiáng)度差異的機(jī)理分析

一般認(rèn)為,全級(jí)配混凝土大試件強(qiáng)度小于濕篩混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的原因主要是[1,2]:

(1)混凝土試件尺寸不同,大試件中裂紋缺陷更大,使得強(qiáng)度較低。

(2)混凝土中粗骨料的粒徑和含量不同,混凝土中初始微裂紋的大小和數(shù)量不同,全級(jí)配大試件的初始微裂紋更大,強(qiáng)度較低。

(3)混凝土破壞形態(tài)不同,全級(jí)配大試件混凝土的破壞絕大多數(shù)發(fā)生在粗骨料和水泥砂漿的界面,但濕篩混凝土的破壞部分表現(xiàn)為骨料的破壞,強(qiáng)度較高。

從細(xì)觀機(jī)理分析,混凝土的破壞是由微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及串接最后形成宏觀裂紋而引起的[3,8]。因此,混凝土強(qiáng)度大小主要由骨料和砂漿界面的強(qiáng)度以及混凝土內(nèi)控制性裂紋的大小決定的。對(duì)于全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土而言,由于拌合物性能基本一致,因此造成二者強(qiáng)度差異的關(guān)鍵因素是其控制性裂紋的大小。因此為分析全級(jí)配與濕篩混凝土強(qiáng)度差異的機(jī)理,首先應(yīng)分析其破壞過程,混凝土受拉及受壓破壞時(shí)裂紋擴(kuò)展過程如圖1和圖2所示[3,9]。

當(dāng)混凝土未承受荷載時(shí),內(nèi)部微裂紋主要分布在骨料和砂漿的界面上;當(dāng)混凝土受拉破壞時(shí),裂紋首先擴(kuò)展,然后被具有更高強(qiáng)度的水泥砂漿所束縛而停止擴(kuò)展;當(dāng)外加荷載繼續(xù)增加,裂紋發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此混凝土受拉破壞時(shí)控制性裂紋的大小主要決定于骨料粒徑,這就使得全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度低于濕篩混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)混凝土受壓破壞時(shí),隨著外荷載逐漸增大,初始裂紋發(fā)生開裂并擴(kuò)展至整個(gè)界面,然后被具有更高強(qiáng)度的水泥砂漿所束縛而停止擴(kuò)展,如圖2(b)所示;當(dāng)外加荷載繼續(xù)增加,裂紋會(huì)發(fā)生彎折擴(kuò)展,擴(kuò)展后的翼型裂紋沿著曲線的方式繼續(xù)擴(kuò)展,最終擴(kuò)展至與外加壓應(yīng)力平行的方向,如圖2(c)所示;由于彎折裂紋的擴(kuò)展方向和外荷載方向平行,裂紋可以穩(wěn)定擴(kuò)展直至與相鄰的微裂紋發(fā)生串接導(dǎo)致破壞,若相鄰微裂紋較近,其強(qiáng)度則較低,反之亦然。因此混凝土受壓破壞時(shí)控制性裂紋的大小不僅僅與骨料粒徑有關(guān),同時(shí)也和骨料之間的間距有關(guān),由于大粒徑骨料較少,它們之間的間距比小粒徑骨料間距大。

正是因?yàn)槿绱?從理論上來說,全級(jí)配混凝土的抗壓強(qiáng)度與濕篩混凝土之間的差距要比抗拉強(qiáng)度的小。同時(shí)由于試驗(yàn)過程中混凝土原材料、配合比以及成型條件的影響,使得試驗(yàn)結(jié)果中全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度和濕篩混凝土更加接近。

圖1 混凝土受拉破壞裂紋擴(kuò)展過程Fig.1 Crack propagation process of concrete under tension

圖2 混凝土受壓破壞裂紋擴(kuò)展過程Fig.2 Crack propagation process of concrete under compression

3 試驗(yàn)條件的影響

3.1 原材料條件的變化

近年來,混凝土中的減水劑由以木鈣、糖蜜等普通減水劑為主,逐漸改變?yōu)橐暂料禍p水劑為主。摻合料也由不摻或小摻量改變?yōu)榇髶搅?粉煤灰由Ⅱ、Ⅲ級(jí)灰提高到Ⅰ、Ⅱ級(jí)灰。這一系列的變化使得膠凝材料的分散性和混凝土易密性得到改善,因而混凝土的密實(shí)性能也得以提高,而且摻合料對(duì)混凝土骨料界面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)的改善作用,對(duì)強(qiáng)度更低的全級(jí)配混凝土作用更為顯著些。因此,原材料的變化使全級(jí)配混凝土大試件抗壓強(qiáng)度與濕篩混凝土比值呈提高趨勢(shì)。

3.2 配合比參數(shù)的變化

由于混凝土耐久性問題得到重視,以及高拱壩數(shù)量的增多,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)隨之相應(yīng)提高,混凝土水膠比由0.50～0.70降低到0.40～0.55。水工混凝土普遍摻用引氣劑,而混凝土含氣量也作為質(zhì)量控制的重點(diǎn)。在含氣量損失較小的條件下,全級(jí)配混凝土大試件中的含氣量小,使得大試件強(qiáng)度呈提高趨勢(shì);反而因小試件中的含氣量高則強(qiáng)度呈降低趨勢(shì),在水膠比較小的混凝土中,強(qiáng)度降低趨勢(shì)更加明顯。過去雖然也摻用引氣劑,含氣量控制不如現(xiàn)在嚴(yán)格。因此,配合比參數(shù)的變化減小了大、小試件強(qiáng)度的差異。

3.3 成型條件提高了大試件的強(qiáng)度

《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SD/T5150-2001和SL352-2006均新增了全級(jí)配混凝土試驗(yàn)方法。2種方法對(duì)試模的幾何尺寸、平整度和成型振搗工藝均給出了統(tǒng)一要求。要求試模為鋼模(或鋼木組合,基本不發(fā)生變形的試模),全級(jí)配大試件成型采用頻率大于10 000次/min的振搗棒振實(shí)。

過去在沒有統(tǒng)一試驗(yàn)方法的條件下,試模材料不統(tǒng)一,甚至部分試驗(yàn)有采用木模的現(xiàn)象,使得大試件平整度難以保證。有資料表明[10],對(duì)于100mm的立方體試模,當(dāng)平整度為-0.15mm時(shí),強(qiáng)度為10～30MPa的混凝土強(qiáng)度會(huì)降低4.9%～7.9%,強(qiáng)度為30～60MPa的混凝土強(qiáng)度會(huì)降低11.1%～20.4%。平整度不好的試件會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)誤差,這也許是過去大、小試件強(qiáng)度比很少超過0.85的原因之一。隨著試驗(yàn)技術(shù)手段的改進(jìn),目前各單位均采用平整度較好的試模,提高了大試件的平整度,因此大試件的抗壓強(qiáng)度有所提高。

同時(shí),為真實(shí)再現(xiàn)大壩混凝土的強(qiáng)度性能,試驗(yàn)中往往采用與壩體混凝土相同的配合比參數(shù)和拌合物性能。這對(duì)于大試件來說,由于模壁效應(yīng)的影響使得混凝土砂率顯得不足(在真實(shí)大壩混凝土中不存在此問題),為保證試件密實(shí),可能會(huì)出現(xiàn)過振現(xiàn)象。加之大試件采用高頻振搗器振實(shí)和模壁的約束作用,會(huì)大幅度降低全級(jí)配混凝土試件中的含氣量,這也使得大試件的抗壓強(qiáng)度有所提高。

為驗(yàn)證這一設(shè)想,采用了低頻震動(dòng)臺(tái)振實(shí)試件。大、小試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 震動(dòng)臺(tái)振實(shí)立方體試件的抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of a cubic specimen by vibration table

表1結(jié)果表明,采用相同的振搗方式,混凝土含氣量損失的程度基本相同時(shí),抗壓強(qiáng)度比值再現(xiàn)了試件的尺寸效應(yīng)。這從另一角度證實(shí)了含氣量對(duì)全級(jí)配混凝土大試件強(qiáng)度的影響。

4 結(jié)論和建議

全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果受到原材料和配合比條件變化、試模平整度以及成型方法等多種因素的影響,會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來一定誤差。其中原材料和配合比條件的變化是由技術(shù)進(jìn)步和壩體受力條件決定的,試模平整度也可以通過加工工藝得到改善。因此,高頻振搗是造成大試件強(qiáng)度偏高的重要原因,可從混凝土和易性和振搗方式角度進(jìn)行改進(jìn)。

為了提高全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,建議采取以下措施:適當(dāng)提高全級(jí)配混凝土砂率,減少模壁效應(yīng)對(duì)填充性的影響;適當(dāng)提高混凝土的坍落度,流動(dòng)性的提高可以減少過振現(xiàn)象;統(tǒng)一采用平板振搗器振實(shí)大、小試件,減輕高頻振搗器對(duì)大試件含氣量的影響;或在全級(jí)配大試件中鉆取與大試件長(zhǎng)徑比相同的圓柱體或切取與大試件形狀相同的立方體進(jìn)行小試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),以消除成型條件的影響。

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