基于工程试验的堆石混凝土力学性能研究_蔡红岩.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 050基于工程试验的堆石混凝土力学性能研究蔡红岩(肇庆市鼎湖区九坑河水库工程管理所，广东 肇庆 526070)摘要本文基于实际工程堆石坝混凝土应用研究项目，进行堆石混凝土力学试验，研究堆石混凝土各项力学性能，主要揭示其抗压、抗拉性能及弹性模量，分析堆石混凝土的相关材料性能规律及优于普通混凝土的方面，试验结果表明:堆石混凝土在抗压强度、抗拉强度及静力弹性模量等力学参数方面相较普通混凝土更为优异。相同强度等级情况下，堆石混凝土抗压强度和抗拉强度均大于自密实混凝土，整体弹性模量优于自密实混凝土，静力弹性模量是自密实混凝土弹性模量的 1 54 倍。试验结果可以为后续研究及设计工作提供参考。关键词堆石混凝土;抗压强度;劈裂抗拉强度;静力弹性模量;力学性能中图分类号TU528 56文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0147 02收稿日期2022 08 10作者简介蔡红岩(1986 )，男，广东郁南人，工程师，主要从事水利水电工程工作。0引言在水工领域，坝体建设质量是工程及运营工作中的关键点。早期坝体主要采用土石料进行建造，随着土工材料的研究和应用广泛发展，混凝土材料进入了水工结构领域，堆石混凝土技术是一种适应于大体积混凝土施工的现代混凝土工艺技术，其主要工艺流程为通过将当地材料进行初步处理，选择符合粒径要求的块石作为混凝土材料，进行自密实混凝土浇筑，通过其流动性使混凝土形成完整密实的结构，完成块石间的结合，其主要优点是就地取材，降低了运输成本和实现了材料的二次利用，体现了绿色环保的建设理念，同时，由于块石混凝土的水化热升温低，对于工程控制的要求可以降低。随着堆石混凝土技术的推广，其在各领域都有所应用，但相比于其他混凝土施工工艺技术，当前堆石混凝土的力学性能及其他行为特性仍处于研究阶段，堆石混凝土尚不明确的特性使其无法在工程领域实现进一步的应用。多年来国内外学者对此进行了众多的试验研究。黄绵松1 通过对堆石混凝土砌块进行相关力学性能试验，发现相同强度等级情况下，堆石混凝土强度高于自密实混凝土，原因是掺入的块石填料提升了混凝土整体的弹性模量;刘昊2 针对常规试验中试块尺寸与堆石混凝土块石尺寸不匹配的问题，改进了试块尺寸大小并进行了堆石混凝土立方体试块相关力学试验研究;李永秋3 进行了堆石混凝土立方体和棱柱体试块力学试验，对堆石混凝土抗压强度进行了相关研究;陈文辉4 通过开展力学试验，将堆石混凝土的抗压强度、抗拉强度及弹性模量与自密实混凝土进行了对比研究;众多学者对于不同尺寸堆石混凝土试块的力学研究工作5 7 表明，在相同强度等级下，堆石混凝土的性能与其尺寸具有一定关系，因而，堆石混凝土力学研究过程中试块尺寸的确定需要采用大量试验分析对比。本文依托某实际工程堆石混凝土应用研究项目，通过既有研究内容及常用混凝土力学试验方法，开展了对堆石混凝土的力学试验研究，主要针对其抗压性能、抗拉性能及弹性模量进行了相关研究，揭示了堆石混凝土的相关材料性能规律，分析比较了其与普通混凝土性能的差异之处，对堆石混凝土技术后续研究工作提供参考。1堆石混凝土抗压试验研究1 1试验方法采用混凝土立方体抗压强度测试作为研究方法，根据前述研究，选用尺寸为 270 mm 和 450 mm 不同强度标准值的立方体试块作为测试对象，研究不同尺寸情况下堆石混凝土立方体抗压强度影响，测试方法依据既有混凝土设计规范，其抗压强度按公式(1)计算:fcc=PA(1)式中:fcc为抗压强度，Mpa;P 为破坏荷载，N;A 为试件承压面积，mm2。2 2试验结果分析根据试验方案进行多组抗压强度试验，测试结果如图 1所示。图 1堆石混凝土立方体抗压强度测试图根据图 1 测试结果可知，堆石混凝土抗压强度分布在 20 41MPa，整体而言大尺寸试块测试强度低于小尺寸试块，尺寸效应较为明显，通过换算强度标准值，由结果可知相同强度等级下，堆石混凝土抗压强度高于自密实混凝土。表 1测试混凝土立方体抗压强度试块强度均值/MPa270mmFC 试块换算37 5自密实混凝土22 062堆石混凝土抗拉试验研究2 1试验方法抗拉强度采用劈裂抗拉强度作为测试指标，试验选用边长7412023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3450 mm 立方体试件作为测试对象，利用劈裂荷载值计算混凝土轴心抗拉强度，如图 2 所示，其抗拉强度按公式(2)计算:fts=2PA=0 637PA(2)式中:fts为劈裂抗拉强度，Mpa;P 为破坏荷载，N;A 为试件劈裂面面积，mm2。图 2混凝土劈裂抗拉试验2 2测试结果分析根据试验方案进行多组混凝土抗拉强度测试试验，测试结果如图 3 所示。图 3堆石混凝土立方体抗拉强度测试图根据测试结果可知，堆石混凝土抗拉强度分布在 1 7 4 8 MPa，根据多组数据计算所得强度均值为 3 2 MPa，就整体而言，其抗拉强度大于 2 5 MPa 试件占总测试样本的 70%以上，相同强度等级下，堆石混凝土抗拉强度是自密实混凝土抗拉强度的 1 65 倍，这表明堆石混凝土在抗拉强度方面的力学性能要高于一般混凝土。3堆石混凝土弹性模量研究3 1试验方法本实验利用万能试验机及位移传感器记录试块的力学及变形数据对堆石混凝土试块的静力弹性模量进行测试，测试过程如图 4 所示。参照水工混凝土试验规程，以三组试件测试结果均值作为试验结果，弹性模量按照公式(3)计算:Ec=P2 P1ALL(3)式中:Ec为静力抗压弹性模量，Mpa;P1为应力为0 5Mpa 时荷载，N;P2为 40%极限破坏荷载，N;L 为测量变形标距，mm;L 为应力从 0 5 MPa 增加至 40%破坏应力试件变形，mm;A 为试件受压面积，mm2。3 2测试结果分析根据上述试验方案进行了多组堆石混凝土块体和自密实混凝土块体弹性模量的测试，试验测试结果如表 2 所示。表 2混凝土试件弹性模量测试结果试块均值/GPaFC 静力弹性模量34 1SCC 静力弹性模量22 1由表 2 测试结果可知，FC 混凝土弹性模量是 SCC 混凝土弹性模量的 1 54 倍，相对而言，堆石混凝土模量较高，主要是由于堆石块体的弹性模量较高，对混凝土弹性模量具有一定的提高效应。堆石混凝土应力应变关系如图 5 所示，由关系曲线可知，在应力低于 7MPa 情况下，试块处于弹性状态，超过该值后绝大部分试块应力应变仍处于线性关系阶段，少数产生明显变形，这表明堆石混凝土破坏主要原因是脆性破坏。在实际工程中，不应对混凝土弹性模量设计过高，主要原因是过高的弹性模量会导致结构自身变形受阻，难以实现应力重分布，导致自身缺陷问题受到放大。图 4堆石混凝土弹性模量测试过程图 5堆石混凝土应力应变关系4结语针对上述对堆石混凝土开展的力学试验研究，得出以下几点结论:(1)相同强度等级情况下，堆石混凝土抗压强度和抗拉强度均大于自密实混凝土，表明堆石混凝土结构方面对强度的提升要高于自密实混凝土。(2)不同尺寸下的堆石混凝土的抗压强度有所不同，主要规律为随着尺寸的增大，抗压强度逐渐减小，表明其具有显著的尺寸效应。(3)试验所得堆石混凝土静力弹性模量是自密实混凝土弹性模量的 1 54 倍，高于自密实混凝土，其主要原因是堆石混凝土材料组成中的块石弹性模量较大，对混凝土整体弹性模量具有一定的提高作用。参考文献 1黄绵松，周虎，安雪晖，等 堆石混凝土综合性能的试验研究J 建筑材料学报 2008(02):206 211 2刘昊 堆石混凝土综合性能试验与温度应力研究D 清华大学 2010 3李永秋，辛建达 自密实大粒径堆石混凝土力学性能试验研究J 工程建设 2012 44(03):1 3+8 4陈文辉 高坝堆石混凝土综合性能及适用性研究J 水利规划与设计 2019(02):88 91 5石建军，张志恒，金峰，等 自密实堆石混凝土力学性能的试验研究J 岩石力学与工程学报 2007(S1):3231 3236 6朱忠锋 堆石混凝土徐变性能的试验研究D 北方工业大学2014 7宋文浚 围滩水电站自密实堆石混凝土劈裂抗拉性能试验分析J 山西水利科技 2011(03):81 83841第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月