不同養(yǎng)護(hù)條件下水工混凝土斷裂性能試驗(yàn)研究

江冬建

(都昌縣水利局，江西 九江 332600)

混凝土是水利工程建設(shè)中最常用的建筑材料之一，其力學(xué)性能一直受到各方的關(guān)注[1-2]，其中水工混凝土的斷裂性能研究起步相對較晚，但發(fā)展極為迅速，自從20世紀(jì)70年代以來，混凝土斷裂力學(xué)行為的研究一直從未中斷，取得了非常多的成果，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的便是基于雙K斷裂模型的試驗(yàn)規(guī)程，同時在向著細(xì)觀數(shù)值模擬方向發(fā)展[3-5]。然而，由于水利工程建設(shè)是一項(xiàng)長期工程，往往需要數(shù)年甚至十?dāng)?shù)年，混凝土的性能受晝夜交替或者氣候變化情況下的影響較大，目前關(guān)于養(yǎng)護(hù)條件對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、滲透性能及微觀結(jié)構(gòu)等的研究比較多[6-7]，但關(guān)于養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)濕度對水工混凝土斷裂性能的影響還比較鮮見，因此，有必要對不同養(yǎng)護(hù)條件下水工混凝土的斷裂性能展開專項(xiàng)研究。

本文以C18035強(qiáng)度等級大壩混凝土為研究對象，對其在不同養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)濕度下的斷裂性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對等效斷裂性能模型的效果進(jìn)行評價，以期能為掌握水工混凝土斷裂力學(xué)行為提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

主要原材料包括：P.LH42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度3.2g/cm3，初凝時間230min，終凝時間260min，28d水化熱為275kJ/kg，28d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8.8、49.2MPa。F類I級粉煤灰，細(xì)度為6.2%，需水量比為97%，含水量為0.1%，燒失量為2.78%。骨料為5～20mm的碎石和人工砂，均為石灰?guī)r材質(zhì)。引氣劑為GYQ-I型，減水劑為SBTJM?-Ⅱ緩凝II型。

1.2 配合比設(shè)計及試件制作

試驗(yàn)設(shè)計的水工混凝土強(qiáng)度等級為C18035，水膠比大小為0.5，粉煤灰摻量為34%，砂率為35%，具體配合比見表1。由于工程所使用骨料最大粒徑為20mm，而斷裂試驗(yàn)要求的試件韌度高度必須大于最大骨料粒徑的9倍，楔入劈拉試件厚度必須大于最大骨料粒徑的3倍，并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范，最終確定的試件尺寸為：韌度高度18cm(對應(yīng)的有效高度為30cm，厚度為12cm)，初始縫高比值為0.4。試件均采用成型鋼模板澆筑，預(yù)制裂縫均通過內(nèi)嵌鋼板生成，預(yù)制裂縫寬度均為3mm。

表1 試驗(yàn)水工混凝土配合比

1.3 養(yǎng)護(hù)方案

試驗(yàn)共設(shè)計5種養(yǎng)護(hù)條件：A組：養(yǎng)護(hù)溫度10℃，相對濕度98%；B組：養(yǎng)護(hù)溫度20℃，相對濕度98%；C組：養(yǎng)護(hù)溫度40℃，相對濕度98%；D組：養(yǎng)護(hù)溫度20℃，相對濕度30%；E組：養(yǎng)護(hù)溫度20℃，相對濕度60%。10℃模擬冬季氣溫，20℃模擬標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度，40℃模擬夏季氣溫，98%濕度模擬充分灑水養(yǎng)護(hù)條件，60%濕度模擬潮濕環(huán)境條件，30%濕度模擬干燥環(huán)境。每種養(yǎng)護(hù)條件下均進(jìn)行3、7、14、28d齡期下的斷裂試驗(yàn)，每種齡期下均進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。具體養(yǎng)護(hù)方案見表2。

表2 水工混凝土養(yǎng)護(hù)方案

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及過程

(1)按照試驗(yàn)配合比制作楔入劈拉試件，待成型后去除鋼模板；

(2)將試件放入SDH205P濕熱養(yǎng)護(hù)箱中，設(shè)置對應(yīng)的溫度和濕度，養(yǎng)護(hù)至對應(yīng)齡期；

(3)取出試件，并將其發(fā)到300kN的微機(jī)伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上；

(4)安裝BLR-1/3000kg型拉壓式傳感器、YYJ-4/10型夾式引伸計、DH3818Y動靜態(tài)應(yīng)變應(yīng)儀；

(5)調(diào)整試驗(yàn)機(jī)上、下壓板位置至平衡狀態(tài)；

(6)啟動試驗(yàn)機(jī)，在傳力裝置與楔入劈拉試件接觸之前開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直至試件發(fā)生斷裂破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 養(yǎng)護(hù)溫度的影響

不同養(yǎng)護(hù)溫度下水工混凝土的斷裂性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看到：水工混凝土的起裂韌度、名義韌度、失穩(wěn)韌度、斷裂能均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而逐漸增大，相同養(yǎng)護(hù)齡期下，養(yǎng)護(hù)溫度越高，韌度和斷裂能越大，這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，混凝土中的水化反應(yīng)越迅速，試件的強(qiáng)度性能越好；在養(yǎng)護(hù)溫度為40℃下時，14d齡期下的韌度與28d齡期下的韌度基本相等，因此可以考慮將40℃下對應(yīng)的韌度值作為水工混凝土的最終起裂/名義/失穩(wěn)韌度；在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度(20℃)下，雖然14d齡期的斷裂韌度與40℃時相差較大，但28d齡期的斷裂韌度與40℃時相差較小，這說明在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度主要集中在14～28d增長，且增長的幅度較大；在10℃溫度下時，即使養(yǎng)護(hù)28d后，起裂韌度、名義韌度、失穩(wěn)韌度標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時分別降低了36%、23.9%和19.6%，相比40℃養(yǎng)護(hù)時分別降低了38%、30.2%和25.6%。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度下，3、7、14、28d齡期下的斷裂能分別較10℃時提高23.3%、23.2%、49.6%和11.1%，分別較40℃時降低55.9%、39.2%、30.1%和23.4%。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土斷裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 養(yǎng)護(hù)濕度的影響

不同養(yǎng)護(hù)濕度下水工混凝土的斷裂性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看到：養(yǎng)護(hù)濕度對混凝土早期(0～7d)的斷裂性能影響較小，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期超過7d后，養(yǎng)護(hù)濕度對混凝土斷裂性能的影響逐漸顯現(xiàn)；在養(yǎng)護(hù)后期，相同養(yǎng)護(hù)齡期下，濕度越高，混凝土的斷裂性能越好；28d養(yǎng)護(hù)齡期下，30%濕度養(yǎng)護(hù)下混凝土的起裂韌度、名義韌度、失穩(wěn)韌度分別為0.46、0.77、0.95MPa·m0.5，60%濕度養(yǎng)護(hù)下混凝土的起裂韌度、名義韌度、失穩(wěn)韌度分別為0.495、0.76、1.01MPa·m0.5，相比30%濕度時分別提升7.1%、-1.3%和5.9%，在98%濕度養(yǎng)護(hù)下時，起裂韌度、名義韌度、失穩(wěn)韌度分別為0.625、0.88MPa·m0.5和1.12MPa·m0.5，較30%濕度時分別提升26.4%、12.5%和15.2%。養(yǎng)護(hù)濕度對混凝土斷裂能的影響較小，30%、60%和98%濕度下養(yǎng)護(hù)28d后，混凝土斷裂能分別為100N·m、108N·m和110N·m，潮濕環(huán)境和充分灑水養(yǎng)護(hù)條件小混凝土的斷裂能相差很小。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)濕度下混凝土斷裂試驗(yàn)結(jié)果

3 等效斷裂性能模型分析

試驗(yàn)的最終目的是要根據(jù)已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)對將來可能出現(xiàn)的不同養(yǎng)護(hù)條件下的斷裂性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，成熟度理論常被用于混凝土強(qiáng)度性能預(yù)測分析，常用的強(qiáng)度預(yù)測模型包括N-S時積公式和F-P等效齡期模型對不同養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土斷裂性能進(jìn)行預(yù)測，而F-P模型可以將不同養(yǎng)護(hù)條件下的斷裂性能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件等效齡期下的斷裂性能[8]。根據(jù)前文試驗(yàn)成果可知，養(yǎng)護(hù)溫度對于混凝土斷裂性能的影響程程度遠(yuǎn)大于養(yǎng)護(hù)濕度，因此，模型僅考慮養(yǎng)護(hù)溫度的影響，其基本計算式為：

(1)

式中,te—混凝土相應(yīng)養(yǎng)護(hù)條件下的等效齡期，d；T0—標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度，本文取20℃；Δt—混凝土在該養(yǎng)護(hù)條件下的養(yǎng)護(hù)齡期，d；E—活化能，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度時，取值為33500J/mol，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度時，取值為33500+1470(20-T)J/mol；R—?dú)怏w常量，取值為8.1344J/mol/K。

將A、B、C 3組的溫度和齡期代入公式(1)，分別計算得到對應(yīng)的等效養(yǎng)護(hù)齡期，然后再在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對應(yīng)養(yǎng)護(hù)時間下的斷裂試驗(yàn)，測得對應(yīng)的斷裂參數(shù)(由于在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，上文已經(jīng)測得，故而僅對A、C組進(jìn)行等效齡期下的斷裂性能參數(shù))，結(jié)果見表3。

表3 A、C兩組等效養(yǎng)護(hù)齡期下斷裂性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

將等效齡期和對應(yīng)的斷裂性能參數(shù)繪制到一張圖表中，并對其進(jìn)行擬合，即可得到不同養(yǎng)護(hù)溫度下水工混凝土斷裂性能參數(shù)預(yù)測模型，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知：利用F-P等效齡期模型計算得到的水工混凝土斷裂性能參數(shù)與等效齡期之間呈良好的冪函數(shù)型關(guān)系，且擬合關(guān)系系數(shù)R2>0.9，表明利用F-P等效齡期能夠準(zhǔn)確預(yù)測混凝土的斷裂性能參數(shù)，對于不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土斷裂性能的預(yù)測具有指導(dǎo)意義。

圖3 F-P等效齡期與斷裂性能參數(shù)擬合關(guān)系

4 結(jié)語

對水工混凝土不同養(yǎng)護(hù)條件下的斷裂性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土的斷裂性能逐漸提高，可以將40℃下對應(yīng)的韌度值作為水工混凝土的最終起裂/名義/失穩(wěn)韌度。

(2)相同養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)濕度的增大，混凝土的斷裂性能逐漸提升；養(yǎng)護(hù)溫度對混凝土斷裂性能的影響程度大于養(yǎng)護(hù)濕度。

(3)等效齡期與斷裂性能參數(shù)呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)性R2>0.9，可利用F-P等效齡期模型對不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土斷裂性能進(jìn)行預(yù)測。

(4)本文僅對單一因素影響下的混凝土斷裂性能進(jìn)行了分析，對于多種耦合下的影響還需要在將來做進(jìn)一步補(bǔ)充。