關鍵詞: 塑性混凝土; 抗拉強度; 測試方法; 影響因素
摘要: 為了探討塑性混凝土抗拉強度的影響因素, 采用劈拉試驗方法測得塑性混凝土的抗拉強度, 在大量試驗的基礎上, 對各組成材料對塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響進行了詳細的分析, 得出各因素對塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響規律。研究結果表明, 減小水膠比及粘土和膨潤土的用量, 增加水泥用量, 適當摻加粉煤灰和外加劑, 可提高塑性混凝土的抗拉強度。
塑性混凝土是一種由水泥、水、粘土、膨潤土、石子、砂等原材料經攪拌、漿體澆筑、凝結而成的混合材料。為了改善塑性混凝土的特性并節約水泥, 有時還要摻加粉煤灰、外加劑。塑性混凝土原材料組成與普通混凝土的最大差異是膠凝材料組成不同, 塑性混凝土的膠凝材料除了水泥之外還有膨潤土、粘土等, 也可以同時摻入兩種材料。與普通混凝土相比,塑性混凝土具有彈性模量低、極限應變大、能適應較大變形、抗滲性能好等特點, 因此, 塑性混凝土被廣泛應用在大壩防滲墻結構、堤防防滲加固的連續墻中[1- 2]。
由于摻有較多的粘土和膨潤土, 塑性混凝土的強度一般較低, 其28 d 立方體抗壓強度一般不超過10 MPa, 抗拉強度更低, 一般為立方體抗壓強度的1/7~1/12。防滲墻屬于地下隱蔽工程, 處于三向受力狀態, 在周圍土體的作用下防滲墻在不具有很高強度的情況下就能保持良好的工作性能。在三向受力條件下塑性混凝土的強度有很大提高, 而且幾乎與圍壓呈直線增大。這就意味著隨著圍壓的增加, 塑性混凝土的強度增加了, 防滲墻的安全度得以提高[3]。但是, 塑性混凝土的抗拉強度又不能過低, 由于要有很大的抵抗變形能力和抗滲能力, 一定要有足夠的抗拉強度, 否則對防滲墻的變形能力和抗滲性均有不利影響。因此, 加強對塑性混凝土抗拉強度的試驗研究, 將會對實際工程中塑性混凝土的配合比設計及施工有重要的指導意義。本文將在大量試驗的基礎上, 對塑性混凝土劈裂抗拉強度的試驗方法以及塑性混凝土抗拉強度的影響因素進行探討。
1 塑性混凝土劈裂抗拉強度測試方法
1.1 試驗所用原材料
水泥采用鄭州市龍崗水泥廠生產的袋裝普通硅酸鹽32.5 MPa 強度等級水泥; 粘土采用三門峽槐扒黃河提水工程西段村水庫壩基右岸邊坡Q2 粉質粘土, 其顆粒分析數據及檢驗結果見表1、2。由表2 分析檢驗所得結果與文獻[4]可知,該土為粉質粘土。粘土經曬干、粉碎、磨細、過篩( 篩孔5 mm)后, 以泥漿的形式摻入; 砂子采用中粗砂, 含泥量3.4%, 細度模數3.2; 粗骨料為5~20 mm 的連續級配碎石; 粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰; 膨潤土為信陽華申膨潤土有限公司生產的鈣基膨潤土; 外加劑選用河南建苑混凝土外加劑有限公司生產的建4 引氣減水劑, 摻量為膠凝材料用量的0.7%。
1.2 塑性混凝土劈裂抗拉強度測試方法
劈裂抗拉試驗方法就是對水平放置的試件施加壓縮荷載, 使之發生劈裂破壞, 由這時的破壞荷載間接求出抗拉強度。塑性混凝土劈裂抗拉強度試驗按文獻[5]的方法進行, 試件為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體, 每組3 塊。由于塑性混凝土劈裂抗拉強度一般不會超過1 MPa, 因而試驗采用最大量程為20 kN 的壓力試驗機。試件養護到齡期后將表面擦拭干凈, 在試件成型時的頂面和底面中部劃出相互平行的直線, 準確定出劈裂面的位置。將試件放在壓力試驗機下壓板中心位置, 將2 根截面為5 mm×5 mm, 長約200 mm 的鋼制方墊條分別放置在試件上、下底面劃線處, 并在上墊條上面和下墊條下面分別墊以墊板。加荷速度應控制在0.02~0.04 MPa/s。取3 個試件測值的平均值乘以換算系數( 邊長為100 mm 的立方體試件取0.85) 作為該組試件的劈裂抗拉強度試驗結果。
2 塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響因素分析
影響塑性混凝土劈裂抗拉強度的因素有多方面。塑性混凝土是由水泥、粘土、膨潤土、石子、砂和水組成, 這些原材料的種類和用量、試件養護條件、試件養護齡期、粉煤灰和外加劑的摻入、試驗操作等, 均對塑性混凝土的抗拉強度有不同程度的影響。本文主要針對塑性混凝土的各種組成材料, 分析了其對劈裂抗拉強度的影響。
2.1 水膠比對塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響
水膠比是影響塑性混凝土劈裂抗拉強度的主要因素, 水膠比的影響實際上反映了用水量對塑性混凝土抗拉強度的影響。當骨料性能一定時, 塑性混凝土抗拉強度隨著膠凝體和骨料之間粘結強度的提高而提高, 膠凝體的孔隙率及孔隙結構特征是影響膠凝體強度的主要因素, 且主要受塑性混凝土拌和物水膠比的影響。塑性混凝土的劈裂抗拉強度隨著水膠比的增大而減小( 見表3) 。
2.2 水泥對塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響
膠凝體抗拉強度的高低決定著塑性混凝土的抗拉強度,提高水泥用量可適當提高膠凝體的劈裂抗拉強度, 相應地可提高塑性混凝土的抗拉強度( 見表4) 。當水泥和膨潤土摻量相同時, 使用高標號水泥將更有利于提高塑性混凝土的抗拉強度。
2.3 粘土和膨潤土對塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響
粘土是塑性混凝土的主要組分之一, 是由粘土礦物組成的, 其中影響最大的是蒙脫石和高嶺石。這些吸水性強的粘土礦物遇水膨脹, 會導致塑性混凝土的強度降低, 即所謂“塑性化”作用。塑性混凝土的凝結硬化過程是“塑化”與“固化”的統一發展過程, 隨著齡期的增長, “固化”也隨之增強。隨著水泥漿水化相的形成和發展, “水泥—土—水”相的“固化”作用增強, 使“土—水”體系的“塑化”作用相應降低, 混凝土強度逐漸發展。粘土量不是影響塑性混凝土抗拉強度的主要因素, 塑性混凝土抗拉強度隨粘土摻量的變化而變化的規律不太明顯。但通過大量試驗還是能看出, 隨著粘土摻量的增加,塑性混凝土的抗拉強度略有減小的趨勢( 見表5) 。
塑性混凝土中摻加膨潤土主要是用于改善其彈性模量,但隨著膨潤土的摻入, 塑性混凝土的強度有很大損失。用膨潤土取代全部粘土的塑性混凝土劈裂抗拉強度對比見表6。由表6 可以看出, 當粘土全部由膨潤土代替后, 塑性混凝土的28 d 劈裂抗拉強度有一定降低。
2.4 粉煤灰對塑性混凝土劈裂抗拉強度的影響
粉煤灰自身不具水硬活性, 必須依靠與水泥的水化產物Ca(OH)2 產生二次水化反應, 生成類似于水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等凝膠物質, 才能發揮自身的活性[6]。粉煤灰摻量對強度的貢獻主要取決于粉煤灰的品質( 如細度、化學成分、燒失量等) 。顆粒粗大、含碳量高、SiO2+Al2O3 含量低的粉煤灰摻入混凝土, 不但無助于混凝土強度的提高, 反而會降低混凝土的強度。保持其他原材料不變, 將30%的粘土用粉煤灰代替, 則塑性混凝土的劈裂抗拉強度較之基準塑性混凝土要高( 見表7) 。
2.5 外加劑對塑性混凝土強度的影響
在塑性混凝土中摻加不同的外加劑對其性能有不同的影響, 本試驗所用的外加劑為引氣型減水劑, 同時具有引氣劑和減水劑的作用。對于混凝土的強度來說, 減水劑好像一把雙刃劍, 使用得當, 可以提高混凝土強度, 改善混凝土性能; 如果使用不當, 則會使強度下降[7]。本試驗所用的建4 引氣減水劑摻量為膠凝材料質量的0.7%, 對塑性混凝土的劈裂抗拉強度有一定的提高( 見表8) 。
2.6 骨料對塑性混凝土強度的影響
骨料是塑性混凝土的重要組成部分, 在塑性混凝土中起著骨架和填充的作用, 其用量一般都占塑性混凝土體積的一半左右。骨料的強度、粒徑、表面特征、顆粒形狀、級配、有害雜質含量及含泥量對塑性混凝土強度都會造成影響[8]。由于塑性混凝土中摻有大量粘土, 其抗拉強度很低, 當塑性混凝土發生受拉破壞時, 骨料本身一般未破壞, 因而, 骨料本身的強度對塑性混凝土的抗拉強度影響不大。但使用較小粒徑的骨料, 則在塑性混凝土中骨料下部形成的孔隙較小、較少, 同時在界面區由于水泥石的硬化收縮產生的裂縫較小、較少,這些都對提高塑性混凝土的抗拉強度有利。
3 結語
塑性混凝土的抗拉強度較低, 因而用壓力試驗機測試塑性混凝土抗拉強度時一定要選擇適當的量程, 并且要注意加荷速度不能太快。本文在做了大量試驗的基礎上, 對影響塑性混凝土劈裂抗拉強度的各種因素進行了詳細分析, 得出的結論是: 為了提高塑性混凝土的抗拉強度, 要盡量減少用水量, 即采用較小的水膠比, 在保證彈性模量要求的前提下, 適當減少粘土和膨潤土用量、增加水泥用量, 并采用高標號水泥, 同時, 在條件允許的情況下, 可以考慮摻加粉煤灰和外加劑, 此外, 應控制骨料的級配、最大粒徑、含泥量等。本文的研究成果對今后塑性混凝土的設計、施工等具有一定的參考價值, 但由于受試驗條件的限制, 可能對影響塑性混凝土強度的某些方面未能考慮周全, 這將有待于在以后的研究中進一步完善。
參考文獻:
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