堆石混凝土抗凍和抗滲透性能試驗研究

堆石混凝土是清華大學提出的一種新型混凝土。它利用了自致密混凝土的高流動、良好的抗分離性能和自流動的特點。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、單價低、施工速度快等特點。堆石混凝土在結構上具有較少的水泥用量、較小的月初溫度上升、較低的價格和較快的施工速度。它可以廣泛應用于堆石混凝土拱、壩、尾根、港口、護岸等結構形式中。此外，在施工工藝方面還取得了初步成功的經驗。近年來，在對混凝土大壩耐腐蝕性的研究中，通過測量制造和精煉混凝土的不同含量，計算了不同級別的滲透系數，并評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，使連接面成為一個薄弱環節，抗彎、抗滲。同時，在冷濕地區，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強度低。修復后，一些新老混凝土的間隙發生了凍容破壞，嚴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構，因此存在水平連接面。這些連接面的施工裂縫是結構安全運行過程中的一個脆弱環。因此，堆石混凝土結構的抗凍性和抗滲性直接影響到此類結構的安全和可靠性，對整個結構的穩定性和抗裂性非常重要。在冷容環的作用下，研究了樁的結構性能和滲透性能，從而對這些結構的安全性和耐久性進行了合理的評價。1抗沖壓試件的制備設計試模尺寸為1000mm×2000mm×1800mm,為了模擬泵送施工,設計了由鋼漏斗和塑料圓管組成的澆注裝置.試驗時,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,自密實混凝土分層澆注的方式,澆注完第一層后,馬上隨機堆放第二層塊石進行澆注,第三層自密實混凝土在第二層澆注后隔兩天進行,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面.對成型的堆石混凝土塊體首先切割成8個500mm×500mm×1800mm的試件(如圖1),然后選取后④號試件首先切割成150mm×500mm×500mm,使冷、熱縫粘結面位于截面中部(如圖2),然后再將每個沿豎向切割成150mm×150mm×150mm作為抗凍試驗試樣(共18個).選取后②號試件首先切割成500mm×500mm×200mm的試件(如圖3),使冷、熱縫粘結面位于截面中部,然后再將每個切成200mm×200mm×150mm,最后打磨成上底為175mm,下底為185mm的圓臺體作為抗滲試驗試樣(共12個).2冷縫粘結面強度值的比較選取部分立方體試樣,按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82-85)進行凍融循環試驗.采用慢凍法,一次凍融循環時間間隔為4h,連續循環100次后取出試樣進行抗劈裂強度和抗壓強度試驗,試驗時使施工縫粘結面方向始終平行于受力方向,以質量損失率和強度損失率來衡量堆石混凝土材料的抗凍性能.試驗結果如表1、表2所示,由表可知:凍融循環作用下,冷縫粘結面的劈裂抗拉強度低于熱縫粘結面處的相應強度,且強度損失率也較熱縫處大,而抗壓強度兩者相差較少.表明冷縫粘結面的抗凍性能總體弱于熱縫粘結面的抗凍性能.而對比試樣的強度值在冷、熱縫處兩者相差不大;同時從試樣破壞形態發現:試驗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混凝土的粘結面上斷開,斷開面較平整光滑.這可能是由于溫度的正負交替變化,使冷縫粘結面周邊產生交替的拉應力大于熱縫粘結面處,該處最先超過界面粘結強度產生微裂縫而損傷,導致其上膠結力和機械咬合力等不斷下降.同時由于冷縫位置后澆自密實混凝土硬化過程中,體積收縮產生收縮應力,該收縮應力與凍融循環過程中交替的拉應力疊加,當超過粘結面的粘結應力則開裂,粘結強度下降;在融化過程中水分又進入這些開裂的縫隙,再次凍結時,冰結體積進一步膨脹,導致開裂面產生新的更大的拉應力,粘結面進一步受到損傷……,而熱縫粘結面處由于采用連續澆注的方式,不存在后澆自密實混凝土的收縮應力,該處初始拉應力小于相應的冷縫粘結面處,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,增加機械咬合力和粘結力,對降低堆石混凝土在凍融循環過程中的損傷應該是有利的.3抗滲試驗研究選取后②試件冷、熱縫位置打磨的圓臺體試樣(共兩組),每組分別取三個冷縫和三個熱縫試樣,按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82-85)進行抗滲試驗,試樣養護至試驗前一天取出,晾至表面干,然后在其側面涂一層熔化的白蠟作為密封材料,隨即在壓力機上將試樣壓入經烘箱預熱過的鋼套模中,稍冷卻后解除壓力,連同試樣套裝在抗滲儀上進行試驗.試驗從水壓為0.1MPa開始,穩定8h后每隔8h增加水壓0.1MPa,并且隨時注意觀察試件端面的滲水情況.3.1冷縫粘結面的滲流場試驗中發現第一組試樣加壓到0.6MPa時,冷縫位置的三個試樣端面先后出現滲水現象.為了測定熱縫位置的滲透能力,繼續加壓,當加壓到1.0MPa時,熱縫位置的一個試樣端面滲水;第二組試樣加壓到0.8MPa時,同樣是冷縫位置的三個試樣端面先后出現滲水現象.繼續加壓到0.9MPa時,熱縫位置才有一個試樣滲水.同時在垂直于粘結面方向將所有試件從中間劈開,也可觀察到冷縫粘結面處的滲水較熱縫粘結面處嚴重.由此表明堆石混凝土的滲水主要還是發生在施工冷縫處的粘結面上,該粘結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面處后澆自密實混凝土硬化過程中體積收縮產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,同時由前面抗凍性研究可知,該處粘結面粘結應力小于熱縫粘結面處,則滲透系數大,滲透水流在沿縫滲流時所受的沿程水力阻力小,或在不變的外加應力作用下,流動或滲透加速度會增大,滲透速度會明顯加快.故在實際施工中,結合對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),加強與下層混凝土的粘結,應該可以提高層間抗滲性能.3.2鋪設熱縫粘結面時的測試方法由于塊石的形狀、大小、分布等的隨機性,致使施工過程中粘結面的特性不均勻,從而粘結面的滲流問題也變得復雜,在現有的理論基礎上,通常假定粘結面為層流,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—粘結面空隙率,無試驗條件時,可取n=0.03;D—粘結面滲水平均高度,本次試驗取150mm;μ—水流運動粘滯系數,在水溫10℃時,取μ=0.0131cm/s;P—滲水時水壓力;g—重力加速度;ρ—水質量密度;T—試驗壓水時間.取六個冷縫試樣滲水時的平均水壓力為0.7MPa,達到該水壓力的試驗壓水時間取48h,兩個熱縫試樣滲水時的平均水壓力為0.95MPa,相應的試驗壓水時間取72h,粘結面滲水平均高度取150mm,代入上式,求得冷縫粘結面的平均滲透系數和熱縫粘結面分別為2.087×10-8cm/s和1.025×10-8cm/s,該滲透系數基本在層流滲流范圍內,與假定基本相符合;而且由滲透系數也可知冷縫粘結面的滲透性大于熱縫粘結面的滲透性.應當指出,堆石混凝土粘結面處塊石的大小、形狀、分布等都具有隨機性,假定粘結面的滲流為層流有一定的近似性,上述平均滲透系數值僅作為參考.關于堆石混凝土粘結面的抗滲特性,還有待更深入的研究.4堆石混凝土粘結面的滲流分析1)凍融循環作用下,冷縫粘結面的劈裂抗拉強度低于熱縫粘結面處的相應強度,且強度損失率也較熱縫處大,表明冷縫粘結