全级配与湿筛混凝土抗压强度比值问题的探讨.pdf
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1、第 2 7卷 第 8期 2 0 1 0年 8月 长 江科学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 2 7 No 8 Au g 2 0 1 0 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 5 8 0 3 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7 1 0 0 1 6 ; 2 中国三峡开发总公司, 湖北 宜昌4 3 3 0 0 0
2、 ) 摘要: 从混凝土受拉受压的破坏机理出发分析了全级配混凝土与湿筛 昆 凝土抗拉 、 抗压强度的差异机理, 并考虑现 有试验方法的影响, 剖析了现有试验中全级配混凝土大、 小试件抗压强度 比值接近于 1 甚至超过 1的原因。由于 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。指出应该通过改进混凝土的成型方法, 使得全级配混凝土的试验结果更能反映真实大体积 混凝土的强度特性 。 关键词 : 水工混凝土 ; 全级配 ; 抗 压强 度 ; 尺寸效应 中图分类号 : T U 5 2 8 文献标识码 : A 为了减小混凝土的
3、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 8 0 m m或 1 5 0 m m 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 4 0 H i m的大骨料, 成型 1 5 0 m m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 1 5 0 mm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, 1 5 0 m m立方体小试件并不能
4、准确反映 坝体全级配混凝土 的真实强度。美 国垦务局 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 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 50 7 , 抗 压 强 度 比值 为 0 7 0 9l 】 , 2 3 。但近年来有些研究单位 的试验成果 与
5、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 表明 : 对于富拌合物来说 , 直径为 4 5 7 m i l l 及 6 1 0 m m的圆柱体 强度约为 1 5 2 m m 圆柱体强度的 8 5 , 而对于贫拌合 物( 胶凝材料用量 1 6 7 k g m ) 则为 9 3 。某工程 四级配混凝土胶凝材料用量 1 7
6、 91 9 2 k g m ( 标准试件强度1 2 02 0 1 MP a ) , 4 5 0 m m立方体与 1 5 0 m m立方体 2 8 d抗压强度 比 平均为0 8 0 。东江工程 5 0 m m4 5 0 mm圆柱 体与 1 5 0 m m立 方体 2 8 d抗压强度 比平均为0 7 7 ( 标准试件强 度1 8 03 1 0 MP a ) 。铜街子工程 5 0 m m 9 0 0 l n m圆柱体与 1 5 0 mm3 0 0 mm圆 柱体抗压 强度 比值 为0 7 20 8 2( 标准试 件强度 1 3 2 2 5 6 MP a ) 。王 仲 华 所做 的三 峡 全 级 配 混
7、凝 土大试件与标准试件抗压强度 比为0 9 0 l 6 ( 标准试 件强度1 8 5 4 6 9 MP a ) 。 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2 8 d , 9 0 d分 另 0 为1 6 0 4 1 8 M P a , 2 4 25 2 6 MP a , 而 4 5 0 n l m 立方体与 1 5 0 mm立方体 2 8 d和 9 0 d抗压强度 比 值分别为1 1 1 和1 0 1 ; o 4 5 0 mm9 0 0 lq q m圆柱体与 0
8、 1 5 0 m l n3 0 0 m l T l 圆柱体 2 8 d和 9 0 d抗压强度 比 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 9 2 1 作者简 介: 陈文耀( 1 9 5 5 一 ) 男 , 陕西安康 人, 教授级高级工程师, 主要从事水 工混凝土性 能研究 , ( 电活 ) o 7 1 7 6 7 6 4 0 7 8 ( 电子信箱 ) e h e n W e l 1 y a o c t g p c c o in e n 第8期 陈文耀 等 全级配与湿筛混凝土抗压强度比值问题的探讨 5 9 值分别为1 0 l 和0 9 5 。文献 7 也有类似的现象出 现 , 单掺木钙时 , 大 、
9、 小试件抗压强度 比值为0 8 8 和 0 8 1 ; 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 1 8 2 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 )混凝土试件尺寸不 同, 大试件 中裂纹缺陷 更大 , 使得强度较
10、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 , 。 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
11、关键因素是其控制性裂 纹的大小。凶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 。 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 图 1 混凝土受拉破坏 裂纹扩展过程 F i g 1 Cr a c k p r
12、o p a g a t i o n p r o c e s s o f c o nc r e t e un de r t e ns i o n 裂纹 ( a ) 初始阶段 ( b ) 裂纹I I 型扩展 ( c ) 裂纹弯折扩展 图 2 混凝土 受压破坏裂纹扩展过程 Fi g 2 Cr a c k pr o pa ga t i o n pr oc e s s o f c onc r e t e unde r c ompr e s s i o n 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
13、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 比小粒径骨料问距大。 正是因为如此 , 从理论上来说 , 全级配混凝土的 抗压
14、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 。 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 、 级灰提高到 I、 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
15、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 5 0 0 7 0 降低到0 4 0 0 5 5 。水工 6 0 长江科 学院院报 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
16、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 S D T 5 1 5 0 2 0 0 1和 S L 3 5 2 2 0 0 6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 1 0 0 0 0 m i n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
17、的现象 , 使得大试 件平整度难 以保证。有资料表 明 1 0 J , 对 于 1 0 0 m m 的立方体 试模 , 当平整 度为 一 0 1 5 m m时 , 强度为 1 03 0 MP a的混凝土强度会降低4 9 7 9 , 强 度为 3 06 0 MP a的混凝土 强度 会降低 1 1 1 2 0 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 8 5 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 ,
18、 试验 中往往采用与坝体 昆 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 T a b l e 1 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o
19、f a c u b i c s p e c i me n b y v i b r at i o n t ab l e mT k k g m 嚣虢琵 霍 大 粒 水 胶 灰 掺 砂 率 臀 , 筝 , 强 度 径 比 ( I3 ) 量 比 值 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
20、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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