基于等效齡期大壩混凝土層間粘結質量控制方法研究

代瑞娟 （山西工程技術學院，山西 陽泉 045000）

1 引言

大壩建設技術的發展可分為人工、機械化、自動化、數字化和智能化階段。智能大壩提出了一種基于感知、分析和控制的閉環智能建設理念。智能大壩施工技術包括智能混凝土找平、混凝土振動、噴淋、預警（層間粘結性能和壩體溫度）、水冷、維護、注漿等。我國大壩建設已從數字舞臺步入智能時代。智能施工理論和系統已成功應用于西洛渡（285.5m）、烏東德（277.0m）、白鶴灘（279.0m）等超高拱壩的建設。

烏東德和白鶴灘大壩建設區屬典型的干熱河谷氣候，極端天氣（如高溫、低濕度、強風和短時強降水）在大壩建設區經常發生。在強風和干熱氣候的耦合作用下，混凝土混合料澆筑過程中會出現混凝土的低滲漏和高蒸發影響水泥的水化過程和最終水化程度，且骨料因失水而導致表面混凝土白化和假凝固。失水會引起混凝土毛細負壓值的急劇變化，進而引起混凝土的塑性開裂。在高溫下，混凝土的早期滲出速率大于蒸發速率，這將導致混凝土表面形成一層漂浮的漿料。浮漿的高水灰比會使混凝土形成稀疏多孔的夾層弱區。如果上述問題不能得到有效解決，層間可能會出現滲流通道[1]。此外，還可能存在裂紋和防滑穩定性問題。

壩體混凝土的層間粘結質量控制方法應建立下部混凝土關鍵參數與層間性能之間的關系，以確定具體的施工節點。針對上述方法的不足，分別進行了不同溫度下混凝土的層間劈裂抗拉強度、相對滲透系數和電通量試驗。然后，建立了等效齡期與層間強度系數、相對滲透系數比、電通量比的關系。

2 試驗材料與方法

2.1 原材料

水泥使用42.5R 級普通硅酸鹽水泥，其28d抗壓強度為52.5MPa，終凝時間為286min，水灰比為1.07。人造砂（玄武巖粉碎）的表觀密度為2780kg/m3。粗骨料為被粉碎的玄武巖，粒徑范圍為5～20mm。此外，還使用了聚羧酸高效減水劑來保持混凝土的流動性，減水率約為19%。

2.2 試樣準備

混凝土試樣分三步澆筑。首先，澆筑下部混凝土（模具的一半高度）。然后，將標本置于環境室（溫度為20°C、30°C 和40°C，相對濕度為30%）。6h后，將試樣從環境室中取出，并澆筑上層混凝土。所有試樣在脫模前置于室內環境（20±2°C，相對濕度50%）24h。脫模后，將試樣放入標準固化室（20±2°C，相對濕度95%）養護28d 后測試混凝土的性能。

本文試驗包含有三種類型的模具，立方體（150mm×150mm×150mm）、圓錐（上直徑175mm、下直徑185mm、高度150mm）和圓柱體（φ100mm×200mm）。劈裂抗拉強度試驗采用立方體試樣，圓錐試件用于相對滲透系數試驗，圓柱試件用于電通量試驗。不同試驗制備3 個樣品，試驗取其平均值。將混凝土試件分為四組，分別為C0、T20、T30 和T40，C0 表示大體積混凝土，其他組是成層混凝土。

2.3 試驗方法

2.3.1 混凝土劈裂抗拉強度試驗

混凝土的劈裂抗拉強度試驗按《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2017）進行[2]。首先，將試樣放置在壓力試驗機下壓力板的中心，然后將墊板放置在上下壓板與試樣之間（墊板的放置方向與層水平，如圖1 所示）。加載速率為0.04～0.06MPa/s。

圖1 混凝土劈裂抗拉強度試驗

2.3.2 混凝土相對滲透率試驗

混凝土相對滲透率試驗按《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2017）進行。試驗的主要目的是確定混凝土在恒定水壓下的滲水高度，計算相對滲透系數。首先，將標準固化28d 后的試樣置于防滲試驗機中，然后加載0.8MPa 的穩定壓力值并保持24h，最后，沿縱向斷面分割試樣，記錄滲流高度。

2.3.3 耐氯離子滲透測試（電通量法）

混凝土氯離子快速滲透試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）進行[3]。直流通量法是混凝土抗氯離子滲透的標準測試方法。首先，在電極之間施加60V 直流電，并在測試開始時將第1min作為初始電流，然后每30min 記錄一次試驗數據，試驗持續6h。電通量測試方法如圖2 所示。氯離子在直流電壓的作用下通過混凝土試樣移動到正極。測量通過混凝土的電荷量，這可以間接反映混凝土抵抗氯離子滲透的能力。

圖2 電通測試裝置示意圖

3 結果與討論

3.1 劈裂抗拉強度

圖3 為不同溫度下混凝土層間劈裂抗拉強度的變化。首先，層間力學性能隨溫度的升高而降低。C0 的劈裂抗拉強度為2.05MPa。層狀混凝土在20°C、30°C 和40°C 時的層間劈裂抗拉強度分別為1.63MPa（T20）、1.18MPa（T30）和0.83MPa（T40），分別比大體積混凝土（C0）低21%、44%和56%，進一步表明高溫對混凝土的層間劈裂抗拉強度有不利影響。這種現象主要是由混凝土的化學反應速率引起的?；炷恋幕瘜W反應在固化開始階段進展較快，但在后期發展緩慢，因此發現較高溫度不利于混凝土強度增長。

圖3 劈裂抗拉強度

3.2 相對滲透率系數

圖4為不同溫度下混凝土相對滲透系數的變化。成層混凝土的相對滲透系數大于大體積混凝土。此外，隨著溫度的升高，混凝土的相對滲透系數呈上升趨勢。同時，與C0 相比，T20、T30 和T40 的相對滲透系數分別為大體積混凝土的1300、1680 和2320 倍。一般情況下，層間不透水性隨溫度升高而逐漸變差，造成這種現象的主要原因可能是溫度的升高加速了混凝土中水分的蒸發，缺水降低了膠凝材料的水化程度，使下部混凝土的孔隙結構粗糙，有害孔隙的增加和相互連接最終導致相對滲透系數的增加。同時水泥漿中引起火山灰反應，減少了鞘石、水合硅酸鈣、硅酸鹽和方解石化合物中的水量，從而增加孔隙率，進一步導致相對滲透率系數的增加。

圖4 相對滲透率系數

3.3 抗氯離子滲透

電通量測試結果如圖5 所示?？梢悦黠@觀察到成層混凝土（T20、T30 和T40）的電通量高于大體積混凝土（C0）。此外，電通量隨著溫度的升高而增加。成層混凝土在20°C、30°C和40°C（T20、T30和T40）下的電通量分別比大體積混凝土（C0）高10%、26%和30%，進一步表明層間對氯離子滲透的抵抗力隨著溫度的升高而變差。

圖5 電通量測試結果

3.4 等效齡期層間粘結質量關系

3.4.1 等效齡期與強度系數的關系

混凝土的強度系數表達式為：

式中，F為層間劈裂抗拉強度；F0為大體積混凝土強度；As為強度系數。

由于大體積混凝土沒有層間間隔，因此其等效齡期為0、強度系數為1。而成層混凝土按照式（1）進行計算，計算結果如表1 所示，并根據計算結果繪制混凝土齡期與強度系數的關系曲線如圖6所示。圖中黃色預警節點為低級警告，代表混凝土等效齡期與實際不符，應增加水量；橙色預警節點為中級警告，代表混凝土溫度較高，應蓋隔熱材料；紅色預警節點為高級警告，代表混凝土溫度急需降溫，應對混凝土進行冷處理。

表1 成層混凝土計算結果

圖6 等效齡期與強度系數關系

混凝土強度系數與等效齡期呈線性負相關，相關系數為0.986。根據等效齡期與強度系數的關系，強度系數可分別控制在0.8、0.7 和0.6，對應的等效齡期4.7h、7.1h 和9.7h。這表明，如果將層間劈裂抗拉強度控制在大體積混凝土強度的80%、70%或60%以內，則下層混凝土的齡期應分別控制在4.7h、7.1h或9.7h 以內。如果等效齡期超過相應的控制值，則層間結合強度將不符合控制要求。

3.4.2 等效齡期與相對滲透系數比的關系

相對滲透系數比值表達式為：

式中，Kr是成層混凝土的相對滲透系數；Kr0是大體積混凝土的相對滲透系數；Krr是相對滲透系數比。

根據公式（2）可進一步計算成層混凝土等效齡期與相對滲透系數關系，計算結果如表2 所示。并根據計算結果繪制混凝土齡期與相對滲透系數的關系曲線如圖7所示。

表2 計算結果

圖7 等效齡期與相對滲透系數關系

根據等效齡期與相對滲透系數比值的關系，如圖7 所示，相對滲透系數比值可分別控制在500、1000、1500，對應的等效齡期分別為2.3h、5.4h 和8.6h。這表明，如果將層間相對滲透系數控制為構件混凝土相對滲透系數的500 倍、1000 倍或1500 倍，則下層混凝土的等效齡期應分別控制在2.3h、5.4h 或8.6h以內。

3.4.3 等效齡期與電通量的關系

測試混凝土的氯離子滲透阻力有兩種方法，分別是快速氯離子遷移系數法和電通量法。電通量是評估混凝土對氯離子滲透的抵抗力參數。氯離子在電壓的作用下會通過混凝土試樣移動到正極。因此，混凝土的氯化物滲透阻力可以通過特定時間內混凝土的電荷間接反映。單位時間內通過混凝土的電荷越多，混凝土的氯化物滲透阻力越差。電通量表達式為：

式中，C為成層混凝土的電通量；C0為大體積混凝土的電通量；Cr為電通量比。

根據公式（3）可進一步計算成層混凝土等效齡期與電通量的關系，計算結果如表3 所示，并根據計算結果繪制混凝土齡期與電通量的關系曲線如圖8 所示。

表3 計算結果

圖8 等效齡期與電通比關系

根據等效齡期與電通量比的關系（見圖8），電通量比可分別控制在1.1、1.2和1.3，對應的等效齡期分別為4.6h、9.6h 和13.7h。這表明，如果將成層混凝土的電通量控制在大體積混凝土電通量的1.1 倍、1.2 倍或1.3 倍，則下層混凝土的齡期應分別控制在4.6h、9.6h 或13.7h以內。

4 結論

基于不同溫度下混凝土的層間力學性能、抗滲性和氯離子滲透率的試驗結果，得出以下結論。

①提高環境溫度會降低混凝土的力學性能。相反，相對滲透率和電通量隨著溫度的升高而增加。結果表明，混凝土的力學性能、抗滲性和抗氯離子滲透性會隨著溫度的升高而變差。

②下部混凝土等效齡期與強度系數、相對滲透率系數和電通比具有良好的線性相關性。等效齡期與強度系數呈線性負相關，相關系數為0.986。等效齡期與相對滲透率系數比和電通量比呈線性正相關，相關系數分別為0.973 和0.924。

③層間粘結質量控制方法已應用于大壩建設過程中。該方法對層間粘接質量的控制是有效的。未來計劃將濕度和風速的影響因素引入等齡計算方程，以應對復雜環境條件下混凝土的層間粘結質量控制。