全级配与湿筛混凝土抗压强度比值问题的探讨

陈文耀,郑 丹

(1.中国水利水电 第三工程局,西安 710016;2.中国三峡开发总公司,湖北 宜昌 433000)

为了减小混凝土的温度应力,确保大坝的安全可靠,必须降低混凝土的水化热温升,在满足强度及工作性能的前提下,水工混凝土采用最大骨料粒径为80mm或 150mm的三、四级配混凝土。在进行三、四级配混凝土配合比试验和质量控制时,通常采用湿筛法剔除拌合物中超过 40mm的大骨料,成型150mm立方体试件标准养护到设计龄期进行强度试验,并以此结果进行混凝土配合比设计和质量评定。大坝等混凝土结构的强度设计也以 150mm立方体标准试件强度为准。由于试件尺寸效应、骨料粒径的影响,150mm立方体小试件并不能准确反映坝体全级配混凝土的真实强度。美国垦务局[1]率先在胡佛坝开展了全级配混凝土试验研究工作,揭示了全级配混凝土性能与标准试件性能的差异。中国水利水电科学研究院[2]相继也开展了全级配混凝土试验研究工作,引起了国内对全级配混凝土试验研究的高度重视。二滩工程、东江工程等大型水利水电工程均开展了全级配混凝土试验研究工作。

早期的全级配混凝土试验研究成果表明,全级配混凝土的强度小于湿筛混凝土,两者的抗拉强度比值大约为0.5～0.7,抗压强度比值为0.7～0.9[1,2]。但近年来有些研究单位的试验成果与早期结果差异较大,全级配混凝土抗压强度和湿筛混凝土相当,有的甚至高于湿筛混凝土。本文将就这一问题进行探讨,分析这一现象产生的原因,并提出了对全级配混凝土试验方法改进的建议。

1 现有研究成果回顾

多数试验结果表明,全级配混凝土与湿筛混凝土的抗压强度比值为0.7～0.9。美国垦务局的研究成果[3]表明:对于富拌合物来说,直径为457mm及610mm的圆柱体强度约为152mm圆柱体强度的85%,而对于贫拌合物(胶凝材料用量 167 kg/m3)则为93%。某工程[2]四级配混凝土胶凝材料用量179～192 kg/m3(标准试件强度12.0～20.1MPa),450mm立方体与 150mm立方体 28 d抗压强度比平均为0.80。东江工程[4]ø450mm×450mm圆柱体与 150mm立方体 28 d抗压强度比平均为0.77(标准试件强度18.0～31.0MPa)。铜街子工程[5]ø450mm×900mm圆柱体与 ø150mm×300mm圆柱体抗压强度比值为0.72～0.82(标准试件强度13.2～25.6MPa)。王仲华所做的三峡全级配混凝土大试件与标准试件抗压强度比为0.90[6](标准试件强度18.5～46.9MPa)。

中国长江三峡工程开发总公司试验中心采用三峡工程大坝混凝土配合比进行的全级配混凝土强度性能试验研究中出现大试件强度高于小试件强度的现象。试验结果表明,混凝土强度范围 28 d,90 d分别为16.0～41.8MPa,24.2～52.6MPa,而 450mm立方体与 150mm立方体 28 d和90 d抗压强度比值分别为1.11和1.01;ø450mm×900mm圆柱体与ø150mm×300mm圆柱体 28 d和90 d抗压强度比值分别为1.01和0.95。文献[7]也有类似的现象出现,单掺木钙时,大、小试件抗压强度比值为0.88和0.81;木钙与引气剂联掺,当含气量大于3%时,大试件混凝土的强度要高于小试件,且两者比值随龄期增长而减小,当龄期为182 d时,两者比值接近1.0。大、小试件比值在早龄期高时于1,后龄期时接近于1的现象在近年来的研究中也时有出现,只是文献中反映出来的较少。

2 全级配与湿筛混凝土强度差异的机理分析

一般认为,全级配混凝土大试件强度小于湿筛混凝土标准试件的原因主要是[1,2]:

(1)混凝土试件尺寸不同,大试件中裂纹缺陷更大,使得强度较低。

(2)混凝土中粗骨料的粒径和含量不同,混凝土中初始微裂纹的大小和数量不同,全级配大试件的初始微裂纹更大,强度较低。

(3)混凝土破坏形态不同,全级配大试件混凝土的破坏绝大多数发生在粗骨料和水泥砂浆的界面,但湿筛混凝土的破坏部分表现为骨料的破坏,强度较高。

从细观机理分析,混凝土的破坏是由微裂纹的产生、扩展以及串接最后形成宏观裂纹而引起的[3,8]。因此,混凝土强度大小主要由骨料和砂浆界面的强度以及混凝土内控制性裂纹的大小决定的。对于全级配混凝土和湿筛混凝土而言,由于拌合物性能基本一致,因此造成二者强度差异的关键因素是其控制性裂纹的大小。因此为分析全级配与湿筛混凝土强度差异的机理,首先应分析其破坏过程,混凝土受拉及受压破坏时裂纹扩展过程如图1和图2所示[3,9]。

当混凝土未承受荷载时,内部微裂纹主要分布在骨料和砂浆的界面上;当混凝土受拉破坏时,裂纹首先扩展,然后被具有更高强度的水泥砂浆所束缚而停止扩展;当外加荷载继续增加,裂纹发生失稳破坏。因此混凝土受拉破坏时控制性裂纹的大小主要决定于骨料粒径,这就使得全级配混凝土的强度低于湿筛混凝土的强度。当混凝土受压破坏时,随着外荷载逐渐增大,初始裂纹发生开裂并扩展至整个界面,然后被具有更高强度的水泥砂浆所束缚而停止扩展,如图2(b)所示;当外加荷载继续增加,裂纹会发生弯折扩展,扩展后的翼型裂纹沿着曲线的方式继续扩展,最终扩展至与外加压应力平行的方向,如图2(c)所示;由于弯折裂纹的扩展方向和外荷载方向平行,裂纹可以稳定扩展直至与相邻的微裂纹发生串接导致破坏,若相邻微裂纹较近,其强度则较低,反之亦然。因此混凝土受压破坏时控制性裂纹的大小不仅仅与骨料粒径有关,同时也和骨料之间的间距有关,由于大粒径骨料较少,它们之间的间距比小粒径骨料间距大。

正是因为如此,从理论上来说,全级配混凝土的抗压强度与湿筛混凝土之间的差距要比抗拉强度的小。同时由于试验过程中混凝土原材料、配合比以及成型条件的影响,使得试验结果中全级配混凝土抗压强度和湿筛混凝土更加接近。

图1 混凝土受拉破坏裂纹扩展过程Fig.1 Crack propagation process of concrete under tension

图2 混凝土受压破坏裂纹扩展过程Fig.2 Crack propagation process of concrete under compression

3 试验条件的影响

3.1 原材料条件的变化

近年来,混凝土中的减水剂由以木钙、糖蜜等普通减水剂为主,逐渐改变为以萘系减水剂为主。掺合料也由不掺或小掺量改变为大掺量,粉煤灰由Ⅱ、Ⅲ级灰提高到Ⅰ、Ⅱ级灰。这一系列的变化使得胶凝材料的分散性和混凝土易密性得到改善,因而混凝土的密实性能也得以提高,而且掺合料对混凝土骨料界面结构和孔结构的改善作用,对强度更低的全级配混凝土作用更为显著些。因此,原材料的变化使全级配混凝土大试件抗压强度与湿筛混凝土比值呈提高趋势。

3.2 配合比参数的变化

由于混凝土耐久性问题得到重视,以及高拱坝数量的增多,混凝土设计强度等级随之相应提高,混凝土水胶比由0.50～0.70降低到0.40～0.55。水工混凝土普遍掺用引气剂,而混凝土含气量也作为质量控制的重点。在含气量损失较小的条件下,全级配混凝土大试件中的含气量小,使得大试件强度呈提高趋势;反而因小试件中的含气量高则强度呈降低趋势,在水胶比较小的混凝土中,强度降低趋势更加明显。过去虽然也掺用引气剂,含气量控制不如现在严格。因此,配合比参数的变化减小了大、小试件强度的差异。

3.3 成型条件提高了大试件的强度

《水工混凝土试验规程》SD/T5150-2001和SL352-2006均新增了全级配混凝土试验方法。2种方法对试模的几何尺寸、平整度和成型振捣工艺均给出了统一要求。要求试模为钢模(或钢木组合,基本不发生变形的试模),全级配大试件成型采用频率大于10 000次/min的振捣棒振实。

过去在没有统一试验方法的条件下,试模材料不统一,甚至部分试验有采用木模的现象,使得大试件平整度难以保证。有资料表明[10],对于100mm的立方体试模,当平整度为-0.15mm时,强度为10～30MPa的混凝土强度会降低4.9%～7.9%,强度为30～60MPa的混凝土强度会降低11.1%～20.4%。平整度不好的试件会使试验结果产生负误差,这也许是过去大、小试件强度比很少超过0.85的原因之一。随着试验技术手段的改进,目前各单位均采用平整度较好的试模,提高了大试件的平整度,因此大试件的抗压强度有所提高。

同时,为真实再现大坝混凝土的强度性能,试验中往往采用与坝体混凝土相同的配合比参数和拌合物性能。这对于大试件来说,由于模壁效应的影响使得混凝土砂率显得不足(在真实大坝混凝土中不存在此问题),为保证试件密实,可能会出现过振现象。加之大试件采用高频振捣器振实和模壁的约束作用,会大幅度降低全级配混凝土试件中的含气量,这也使得大试件的抗压强度有所提高。

为验证这一设想,采用了低频震动台振实试件。大、小试件抗压强度试验结果见表1。

表1 震动台振实立方体试件的抗压强度Table 1 Compressive strength of a cubic specimen by vibration table

表1结果表明,采用相同的振捣方式,混凝土含气量损失的程度基本相同时,抗压强度比值再现了试件的尺寸效应。这从另一角度证实了含气量对全级配混凝土大试件强度的影响。

4 结论和建议

全级配混凝土抗压强度结果受到原材料和配合比条件变化、试模平整度以及成型方法等多种因素的影响,会对试验结果带来一定误差。其中原材料和配合比条件的变化是由技术进步和坝体受力条件决定的,试模平整度也可以通过加工工艺得到改善。因此,高频振捣是造成大试件强度偏高的重要原因,可从混凝土和易性和振捣方式角度进行改进。

为了提高全级配混凝土的强度试验结果的准确性,建议采取以下措施:适当提高全级配混凝土砂率,减少模壁效应对填充性的影响;适当提高混凝土的坍落度,流动性的提高可以减少过振现象;统一采用平板振捣器振实大、小试件,减轻高频振捣器对大试件含气量的影响;或在全级配大试件中钻取与大试件长径比相同的圆柱体或切取与大试件形状相同的立方体进行小试件抗压强度试验,以消除成型条件的影响。

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