关键词: 塑性混凝土; 抗拉强度; 测试方法; 影响因素
摘要: 为了探讨塑性混凝土抗拉强度的影响因素, 采用劈拉试验方法测得塑性混凝土的抗拉强度, 在大量试验的基础上, 对各组成材料对塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响进行了详细的分析, 得出各因素对塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响规律。研究结果表明, 减小水胶比及粘土和膨润土的用量, 增加水泥用量, 适当掺加粉煤灰和外加剂, 可提高塑性混凝土的抗拉强度。
塑性混凝土是一种由水泥、水、粘土、膨润土、石子、砂等原材料经搅拌、浆体浇筑、凝结而成的混合材料。为了改善塑性混凝土的特性并节约水泥, 有时还要掺加粉煤灰、外加剂。塑性混凝土原材料组成与普通混凝土的最大差异是胶凝材料组成不同, 塑性混凝土的胶凝材料除了水泥之外还有膨润土、粘土等, 也可以同时掺入两种材料。与普通混凝土相比,塑性混凝土具有弹性模量低、极限应变大、能适应较大变形、抗渗性能好等特点, 因此, 塑性混凝土被广泛应用在大坝防渗墙结构、堤防防渗加固的连续墙中[1- 2]。
由于掺有较多的粘土和膨润土, 塑性混凝土的强度一般较低, 其28 d 立方体抗压强度一般不超过10 MPa, 抗拉强度更低, 一般为立方体抗压强度的1/7~1/12。防渗墙属于地下隐蔽工程, 处于三向受力状态, 在周围土体的作用下防渗墙在不具有很高强度的情况下就能保持良好的工作性能。在三向受力条件下塑性混凝土的强度有很大提高, 而且几乎与围压呈直线增大。这就意味着随着围压的增加, 塑性混凝土的强度增加了, 防渗墙的安全度得以提高[3]。但是, 塑性混凝土的抗拉强度又不能过低, 由于要有很大的抵抗变形能力和抗渗能力, 一定要有足够的抗拉强度, 否则对防渗墙的变形能力和抗渗性均有不利影响。因此, 加强对塑性混凝土抗拉强度的试验研究, 将会对实际工程中塑性混凝土的配合比设计及施工有重要的指导意义。本文将在大量试验的基础上, 对塑性混凝土劈裂抗拉强度的试验方法以及塑性混凝土抗拉强度的影响因素进行探讨。
1 塑性混凝土劈裂抗拉强度测试方法
1.1 试验所用原材料
水泥采用郑州市龙岗水泥厂生产的袋装普通硅酸盐32.5 MPa 强度等级水泥; 粘土采用三门峡槐扒黄河提水工程西段村水库坝基右岸边坡Q2 粉质粘土, 其颗粒分析数据及检验结果见表1、2。由表2 分析检验所得结果与文献[4]可知,该土为粉质粘土。粘土经晒干、粉碎、磨细、过筛( 筛孔5 mm)后, 以泥浆的形式掺入; 砂子采用中粗砂, 含泥量3.4%, 细度模数3.2; 粗骨料为5~20 mm 的连续级配碎石; 粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰; 膨润土为信阳华申膨润土有限公司生产的钙基膨润土; 外加剂选用河南建苑混凝土外加剂有限公司生产的建4 引气减水剂, 掺量为胶凝材料用量的0.7%。
1.2 塑性混凝土劈裂抗拉强度测试方法
劈裂抗拉试验方法就是对水平放置的试件施加压缩荷载, 使之发生劈裂破坏, 由这时的破坏荷载间接求出抗拉强度。塑性混凝土劈裂抗拉强度试验按文献[5]的方法进行, 试件为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体, 每组3 块。由于塑性混凝土劈裂抗拉强度一般不会超过1 MPa, 因而试验采用最大量程为20 kN 的压力试验机。试件养护到龄期后将表面擦拭干净, 在试件成型时的顶面和底面中部划出相互平行的直线, 准确定出劈裂面的位置。将试件放在压力试验机下压板中心位置, 将2 根截面为5 mm×5 mm, 长约200 mm 的钢制方垫条分别放置在试件上、下底面划线处, 并在上垫条上面和下垫条下面分别垫以垫板。加荷速度应控制在0.02~0.04 MPa/s。取3 个试件测值的平均值乘以换算系数( 边长为100 mm 的立方体试件取0.85) 作为该组试件的劈裂抗拉强度试验结果。
2 塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响因素分析
影响塑性混凝土劈裂抗拉强度的因素有多方面。塑性混凝土是由水泥、粘土、膨润土、石子、砂和水组成, 这些原材料的种类和用量、试件养护条件、试件养护龄期、粉煤灰和外加剂的掺入、试验操作等, 均对塑性混凝土的抗拉强度有不同程度的影响。本文主要针对塑性混凝土的各种组成材料, 分析了其对劈裂抗拉强度的影响。
2.1 水胶比对塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响
水胶比是影响塑性混凝土劈裂抗拉强度的主要因素, 水胶比的影响实际上反映了用水量对塑性混凝土抗拉强度的影响。当骨料性能一定时, 塑性混凝土抗拉强度随着胶凝体和骨料之间粘结强度的提高而提高, 胶凝体的孔隙率及孔隙结构特征是影响胶凝体强度的主要因素, 且主要受塑性混凝土拌和物水胶比的影响。塑性混凝土的劈裂抗拉强度随着水胶比的增大而减小( 见表3) 。
2.2 水泥对塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响
胶凝体抗拉强度的高低决定着塑性混凝土的抗拉强度,提高水泥用量可适当提高胶凝体的劈裂抗拉强度, 相应地可提高塑性混凝土的抗拉强度( 见表4) 。当水泥和膨润土掺量相同时, 使用高标号水泥将更有利于提高塑性混凝土的抗拉强度。
2.3 粘土和膨润土对塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响
粘土是塑性混凝土的主要组分之一, 是由粘土矿物组成的, 其中影响最大的是蒙脱石和高岭石。这些吸水性强的粘土矿物遇水膨胀, 会导致塑性混凝土的强度降低, 即所谓“塑性化”作用。塑性混凝土的凝结硬化过程是“塑化”与“固化”的统一发展过程, 随着龄期的增长, “固化”也随之增强。随着水泥浆水化相的形成和发展, “水泥—土—水”相的“固化”作用增强, 使“土—水”体系的“塑化”作用相应降低, 混凝土强度逐渐发展。粘土量不是影响塑性混凝土抗拉强度的主要因素, 塑性混凝土抗拉强度随粘土掺量的变化而变化的规律不太明显。但通过大量试验还是能看出, 随着粘土掺量的增加,塑性混凝土的抗拉强度略有减小的趋势( 见表5) 。
塑性混凝土中掺加膨润土主要是用于改善其弹性模量,但随着膨润土的掺入, 塑性混凝土的强度有很大损失。用膨润土取代全部粘土的塑性混凝土劈裂抗拉强度对比见表6。由表6 可以看出, 当粘土全部由膨润土代替后, 塑性混凝土的28 d 劈裂抗拉强度有一定降低。
2.4 粉煤灰对塑性混凝土劈裂抗拉强度的影响
粉煤灰自身不具水硬活性, 必须依靠与水泥的水化产物Ca(OH)2 产生二次水化反应, 生成类似于水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶物质, 才能发挥自身的活性[6]。粉煤灰掺量对强度的贡献主要取决于粉煤灰的品质( 如细度、化学成分、烧失量等) 。颗粒粗大、含碳量高、SiO2+Al2O3 含量低的粉煤灰掺入混凝土, 不但无助于混凝土强度的提高, 反而会降低混凝土的强度。保持其他原材料不变, 将30%的粘土用粉煤灰代替, 则塑性混凝土的劈裂抗拉强度较之基准塑性混凝土要高( 见表7) 。
2.5 外加剂对塑性混凝土强度的影响
在塑性混凝土中掺加不同的外加剂对其性能有不同的影响, 本试验所用的外加剂为引气型减水剂, 同时具有引气剂和减水剂的作用。对于混凝土的强度来说, 减水剂好像一把双刃剑, 使用得当, 可以提高混凝土强度, 改善混凝土性能; 如果使用不当, 则会使强度下降[7]。本试验所用的建4 引气减水剂掺量为胶凝材料质量的0.7%, 对塑性混凝土的劈裂抗拉强度有一定的提高( 见表8) 。
2.6 骨料对塑性混凝土强度的影响
骨料是塑性混凝土的重要组成部分, 在塑性混凝土中起着骨架和填充的作用, 其用量一般都占塑性混凝土体积的一半左右。骨料的强度、粒径、表面特征、颗粒形状、级配、有害杂质含量及含泥量对塑性混凝土强度都会造成影响[8]。由于塑性混凝土中掺有大量粘土, 其抗拉强度很低, 当塑性混凝土发生受拉破坏时, 骨料本身一般未破坏, 因而, 骨料本身的强度对塑性混凝土的抗拉强度影响不大。但使用较小粒径的骨料, 则在塑性混凝土中骨料下部形成的孔隙较小、较少, 同时在界面区由于水泥石的硬化收缩产生的裂缝较小、较少,这些都对提高塑性混凝土的抗拉强度有利。
3 结语
塑性混凝土的抗拉强度较低, 因而用压力试验机测试塑性混凝土抗拉强度时一定要选择适当的量程, 并且要注意加荷速度不能太快。本文在做了大量试验的基础上, 对影响塑性混凝土劈裂抗拉强度的各种因素进行了详细分析, 得出的结论是: 为了提高塑性混凝土的抗拉强度, 要尽量减少用水量, 即采用较小的水胶比, 在保证弹性模量要求的前提下, 适当减少粘土和膨润土用量、增加水泥用量, 并采用高标号水泥, 同时, 在条件允许的情况下, 可以考虑掺加粉煤灰和外加剂, 此外, 应控制骨料的级配、最大粒径、含泥量等。本文的研究成果对今后塑性混凝土的设计、施工等具有一定的参考价值, 但由于受试验条件的限制, 可能对影响塑性混凝土强度的某些方面未能考虑周全, 这将有待于在以后的研究中进一步完善。
参考文献:
[1] 李清富, 张鹏, 张保雷. 塑性混凝土弹性模量的试验研究[J]. 水力发电, 2005, 31( 3) : 30- 32.
[2] 曹洪亮, 张鹏, 李清富. 三门峡槐扒水库大坝塑性混凝土防渗墙施工[J]. 水力发电, 2006, 32( 9) : 28- 30.
[3] 程瑶, 张美霞. 塑性混凝土配合比试验研究及应用[J]. 长江科学院院报, 2002, 19( 5) : 62- 64.
[4] SL 237—021—1999, 土工试验规程[S].
[5] DL/T 5150—2001, 水工混凝土试验规程[S].
[6] 杨静, 覃维祖. 粉煤灰对高性能混凝土强度的影响[J]. 建筑材料学报, 1999, 2( 3) : 218- 222.
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[8] 杜庆檐. 骨料对混凝土强度影响的研究[J]. 云南建材, 1996,( 4) : 33- 34.
