堆石混凝土抗凍和抗?jié)B透性能試驗(yàn)研究

堆石混凝土抗凍和抗?jié)B透性能試驗(yàn)研究

堆石混凝土是清華大學(xué)提出的一種新型混凝土。它利用了自致密混凝土的高流動(dòng)、良好的抗分離性能和自流動(dòng)的特點(diǎn)。在粒徑大于500mm的自聚合體中，可以形成一定的空隙自聚合體中的自致密混凝土，并形成了完整、致密、高強(qiáng)度的新型混凝土。堆石混凝土具有水泥用量少、加熱加熱低、單價(jià)低、施工速度快等特點(diǎn)。堆石混凝土在結(jié)構(gòu)上具有較少的水泥用量、較小的月初溫度上升、較低的價(jià)格和較快的施工速度。它可以廣泛應(yīng)用于堆石混凝土拱、壩、尾根、港口、護(hù)岸等結(jié)構(gòu)形式中。此外，在施工工藝方面還取得了初步成功的經(jīng)驗(yàn)。近年來，在對(duì)混凝土大壩耐腐蝕性的研究中，通過測(cè)量制造和精煉混凝土的不同含量，計(jì)算了不同級(jí)別的滲透系數(shù)，并評(píng)估了壓力混凝土的滲透性。在混凝土壩高工程中，由于老混凝土的硬化、連接表面的各種缺陷和新混凝土硬化的體積收縮，使連接面成為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，抗彎、抗?jié)B。同時(shí)，在冷濕地區(qū)，由于舊混凝土的硬化和稀釋，使界面的形狀比材料主體的相應(yīng)強(qiáng)度低。修復(fù)后，一些新老混凝土的間隙發(fā)生了凍容破壞，嚴(yán)重影響了水庫的使用和安全。由于堆石混凝土是一種分層堆放和自致密混凝土層填充的結(jié)構(gòu)，因此存在水平連接面。這些連接面的施工裂縫是結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行過程中的一個(gè)脆弱環(huán)。因此，堆石混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性和抗?jié)B性直接影響到此類結(jié)構(gòu)的安全和可靠性，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗裂性非常重要。在冷容環(huán)的作用下，研究了樁的結(jié)構(gòu)性能和滲透性能，從而對(duì)這些結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性進(jìn)行了合理的評(píng)價(jià)。1抗沖壓試件的制備設(shè)計(jì)試模尺寸為1000mm×2000mm×1800mm,為了模擬泵送施工,設(shè)計(jì)了由鋼漏斗和塑料圓管組成的澆注裝置.試驗(yàn)時(shí),人為的將澆注過程分為三層,每層高度為600mm,采用塊石分層堆放,自密實(shí)混凝土分層澆注的方式,澆注完第一層后,馬上隨機(jī)堆放第二層塊石進(jìn)行澆注,第三層自密實(shí)混凝土在第二層澆注后隔兩天進(jìn)行,這樣使形成的堆石混凝土塊體在豎直方向分別為600mm和1200mm的位置形成熱縫和冷縫粘結(jié)面.對(duì)成型的堆石混凝土塊體首先切割成8個(gè)500mm×500mm×1800mm的試件(如圖1),然后選取后④號(hào)試件首先切割成150mm×500mm×500mm,使冷、熱縫粘結(jié)面位于截面中部(如圖2),然后再將每個(gè)沿豎向切割成150mm×150mm×150mm作為抗凍試驗(yàn)試樣(共18個(gè)).選取后②號(hào)試件首先切割成500mm×500mm×200mm的試件(如圖3),使冷、熱縫粘結(jié)面位于截面中部,然后再將每個(gè)切成200mm×200mm×150mm,最后打磨成上底為175mm,下底為185mm的圓臺(tái)體作為抗?jié)B試驗(yàn)試樣(共12個(gè)).2冷縫粘結(jié)面強(qiáng)度值的比較選取部分立方體試樣,按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82-85)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).采用慢凍法,一次凍融循環(huán)時(shí)間間隔為4h,連續(xù)循環(huán)100次后取出試樣進(jìn)行抗劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)使施工縫粘結(jié)面方向始終平行于受力方向,以質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率來衡量堆石混凝土材料的抗凍性能.試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示,由表可知:凍融循環(huán)作用下,冷縫粘結(jié)面的劈裂抗拉強(qiáng)度低于熱縫粘結(jié)面處的相應(yīng)強(qiáng)度,且強(qiáng)度損失率也較熱縫處大,而抗壓強(qiáng)度兩者相差較少.表明冷縫粘結(jié)面的抗凍性能總體弱于熱縫粘結(jié)面的抗凍性能.而對(duì)比試樣的強(qiáng)度值在冷、熱縫處兩者相差不大;同時(shí)從試樣破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)中的冷縫試樣多在縫處裂開,裂開面上含塊石較少,而且也多是沿著塊石與自密實(shí)混凝土的粘結(jié)面上斷開,斷開面較平整光滑.這可能是由于溫度的正負(fù)交替變化,使冷縫粘結(jié)面周邊產(chǎn)生交替的拉應(yīng)力大于熱縫粘結(jié)面處,該處最先超過界面粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生微裂縫而損傷,導(dǎo)致其上膠結(jié)力和機(jī)械咬合力等不斷下降.同時(shí)由于冷縫位置后澆自密實(shí)混凝土硬化過程中,體積收縮產(chǎn)生收縮應(yīng)力,該收縮應(yīng)力與凍融循環(huán)過程中交替的拉應(yīng)力疊加,當(dāng)超過粘結(jié)面的粘結(jié)應(yīng)力則開裂,粘結(jié)強(qiáng)度下降;在融化過程中水分又進(jìn)入這些開裂的縫隙,再次凍結(jié)時(shí),冰結(jié)體積進(jìn)一步膨脹,導(dǎo)致開裂面產(chǎn)生新的更大的拉應(yīng)力,粘結(jié)面進(jìn)一步受到損傷……,而熱縫粘結(jié)面處由于采用連續(xù)澆注的方式,不存在后澆自密實(shí)混凝土的收縮應(yīng)力,該處初始拉應(yīng)力小于相應(yīng)的冷縫粘結(jié)面處,故損傷程度也小.基于此,在施工過程中,可以在冷縫處人為的讓更多的塊石外露以形成嚙合面,增加機(jī)械咬合力和粘結(jié)力,對(duì)降低堆石混凝土在凍融循環(huán)過程中的損傷應(yīng)該是有利的.3抗?jié)B試驗(yàn)研究選取后②試件冷、熱縫位置打磨的圓臺(tái)體試樣(共兩組),每組分別取三個(gè)冷縫和三個(gè)熱縫試樣,按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82-85)進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn),試樣養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)前一天取出,晾至表面干,然后在其側(cè)面涂一層熔化的白蠟作為密封材料,隨即在壓力機(jī)上將試樣壓入經(jīng)烘箱預(yù)熱過的鋼套模中,稍冷卻后解除壓力,連同試樣套裝在抗?jié)B儀上進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)從水壓為0.1MPa開始,穩(wěn)定8h后每隔8h增加水壓0.1MPa,并且隨時(shí)注意觀察試件端面的滲水情況.3.1冷縫粘結(jié)面的滲流場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)第一組試樣加壓到0.6MPa時(shí),冷縫位置的三個(gè)試樣端面先后出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.為了測(cè)定熱縫位置的滲透能力,繼續(xù)加壓,當(dāng)加壓到1.0MPa時(shí),熱縫位置的一個(gè)試樣端面滲水;第二組試樣加壓到0.8MPa時(shí),同樣是冷縫位置的三個(gè)試樣端面先后出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.繼續(xù)加壓到0.9MPa時(shí),熱縫位置才有一個(gè)試樣滲水.同時(shí)在垂直于粘結(jié)面方向?qū)⑺性嚰闹虚g劈開,也可觀察到冷縫粘結(jié)面處的滲水較熱縫粘結(jié)面處嚴(yán)重.由此表明堆石混凝土的滲水主要還是發(fā)生在施工冷縫處的粘結(jié)面上,該粘結(jié)面是其滲水的主要通道,其滲透性大于施工熱縫處的滲透性.這主要是由于冷縫粘結(jié)面處后澆自密實(shí)混凝土硬化過程中體積收縮產(chǎn)生初始裂隙面和施工孔隙等,使之成為最初滲流的主要通道,同時(shí)由前面抗凍性研究可知,該處粘結(jié)面粘結(jié)應(yīng)力小于熱縫粘結(jié)面處,則滲透系數(shù)大,滲透水流在沿縫滲流時(shí)所受的沿程水力阻力小,或在不變的外加應(yīng)力作用下,流動(dòng)或滲透加速度會(huì)增大,滲透速度會(huì)明顯加快.故在實(shí)際施工中,結(jié)合對(duì)冷縫表面的一些處理(如讓更多的塊石外露以形成嚙合面和刻槽等),加強(qiáng)與下層混凝土的粘結(jié),應(yīng)該可以提高層間抗?jié)B性能.3.2鋪設(shè)熱縫粘結(jié)面時(shí)的測(cè)試方法由于塊石的形狀、大小、分布等的隨機(jī)性,致使施工過程中粘結(jié)面的特性不均勻,從而粘結(jié)面的滲流問題也變得復(fù)雜,在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上,通常假定粘結(jié)面為層流,其滲流水頭損失與滲流量成正比,符合立方定律,則等效水力隙寬e和平均滲透系數(shù)k可表示為;e=D6n?ρP?T???√(1)e=D6n?ρΡ?Τ(1)k=vJ=g?e212μ(2)k=vJ=g?e212μ(2)式中:n—粘結(jié)面空隙率,無試驗(yàn)條件時(shí),可取n=0.03;D—粘結(jié)面滲水平均高度,本次試驗(yàn)取150mm;μ—水流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù),在水溫10℃時(shí),取μ=0.0131cm/s;P—滲水時(shí)水壓力;g—重力加速度;ρ—水質(zhì)量密度;T—試驗(yàn)壓水時(shí)間.取六個(gè)冷縫試樣滲水時(shí)的平均水壓力為0.7MPa,達(dá)到該水壓力的試驗(yàn)壓水時(shí)間取48h,兩個(gè)熱縫試樣滲水時(shí)的平均水壓力為0.95MPa,相應(yīng)的試驗(yàn)壓水時(shí)間取72h,粘結(jié)面滲水平均高度取150mm,代入上式,求得冷縫粘結(jié)面的平均滲透系數(shù)和熱縫粘結(jié)面分別為2.087×10-8cm/s和1.025×10-8cm/s,該滲透系數(shù)基本在層流滲流范圍內(nèi),與假定基本相符合;而且由滲透系數(shù)也可知冷縫粘結(jié)面的滲透性大于熱縫粘結(jié)面的滲透性.應(yīng)當(dāng)指出,堆石混凝土粘結(jié)面處塊石的大小、形狀、分布等都具有隨機(jī)性,假定粘結(jié)面的滲流為層流有一定的近似性,上述平均滲透系數(shù)值僅作為參考.關(guān)于堆石混凝土粘結(jié)面的抗?jié)B特性,還有待更深入的研究.4堆石混凝土粘結(jié)面的滲流分析1)凍融循環(huán)作用下,冷縫粘結(jié)面的劈裂抗拉強(qiáng)度低于熱縫粘結(jié)面處的相應(yīng)強(qiáng)度,且強(qiáng)度損失率也較熱縫處大,表明冷縫粘結(jié)