柔性混凝土技術(shù)簡(jiǎn)介

1、 柔性混凝土的試驗(yàn)研究及其應(yīng)用柔性混凝土的研究最早應(yīng)用于各項(xiàng)水利水電工程、航道樞紐工程中建造的混凝土防滲墻。它是用粘土和膨潤(rùn)土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一種柔性結(jié)構(gòu)材料。它具有適應(yīng)結(jié)構(gòu)周?chē)馏w變形模量,能較好地適應(yīng)地基的變形,大大地減小結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力,避免結(jié)構(gòu)開(kāi)裂同時(shí)還能節(jié)約水泥的用量。我國(guó)公路工程建設(shè)中遇到的困難或事故，常與地基/土體的沉陷與變形相關(guān)。常規(guī)混凝土材料的脆性特征，不可避免地給工程結(jié)構(gòu)防裂的設(shè)計(jì)與施工增大了建設(shè)難度及相應(yīng)的工程造價(jià)。近年來(lái)，在混凝土中摻用聚合物纖維以防裂的技術(shù)措施越來(lái)越普遍。然而，在仔細(xì)對(duì)照摻用前后的混凝土性能后可以認(rèn)為：在經(jīng)濟(jì)的纖維用量范圍（體積比小于1%）

2、，纖維對(duì)混凝土硬化早期的防裂作用可以肯定；但對(duì)混凝土的基本脆性特征并無(wú)根本改變。因而在荷載作用下，它仍呈現(xiàn)脆斷特征。例如，挖填交界處的水泥混凝土路面斷板，普遍存在的水泥混凝土路面裂縫，橋涵上方的路面斷板，路徥兩側(cè)常年水位不對(duì)稱(chēng)或高路徥的不均勻沉降而導(dǎo)致的縱向裂縫等。水泥混凝土作為一種廉價(jià)材料，其資源在我國(guó)中東部地區(qū)分布較廣、運(yùn)距較短，是其它材料難以取代的主要建筑結(jié)構(gòu)材料。在路面/路基工程中，研究推廣應(yīng)用柔性混凝土具有重大的工程經(jīng)濟(jì)意義。在我國(guó)，柔性混凝土應(yīng)用于水利水電工程中已有50多年歷史。其最大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)例即三峽大壩的圍堰防滲墻工程（詳見(jiàn)附件）。而在遭遇97年特大洪水后，柔性混凝土又大規(guī)模

3、應(yīng)用于長(zhǎng)江防洪徥防滲墻工程。我們對(duì)柔性混凝土進(jìn)一步改性，在保持低彈性模量的變形能力基礎(chǔ)上,通過(guò)摻入水溶性聚合物和細(xì)磨礦渣而提高其抗彎強(qiáng)度:1.抗彎強(qiáng)度大于4.5Mpa;彈性模量小于1500Mpa;（重載道路）擴(kuò)大了它的適用范圍：路基不均勻沉降部位的水泥混凝土路面板;橋頭跳車(chē)部位的路基處治;軟巖邊坡的擋墻（噴混凝土）;具備良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì):1.每立方米混凝土成本低于普通混凝土2030%;2.顯著增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命而節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;減少結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)/維修,提高通車(chē)能力而增加過(guò)路費(fèi)收入;附件:柔性混凝土的抗拉特性試驗(yàn)研究張小平1，包承綱2，施斌1，石青4，王俊4（1南京大學(xué)地球科學(xué)系，江蘇南京；2長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北

4、武漢；3江蘇省第一建筑公司江蘇揚(yáng)州；4鎮(zhèn)江市建筑科學(xué)研究所，江蘇鎮(zhèn)江）1引言柔性混凝土是針對(duì)三峽二期圍堰工程防滲墻而開(kāi)發(fā)研制的一種新材料!二期圍堰的主要特點(diǎn)是：堰址水深達(dá)#$，約%&的堰高在水下施工，難度很大；堰址地質(zhì)條件復(fù)雜，堰體只能采用當(dāng)?shù)亻_(kāi)挖料即風(fēng)化砂作主要填料，水下拋填時(shí)結(jié)構(gòu)松散，難以密實(shí)，物理力學(xué)性質(zhì)差，圍堰的應(yīng)力變形狀況較差!鑒于二期圍堰的復(fù)雜性，如何選用防滲墻材料則是首要問(wèn)題!混凝土防滲墻在我國(guó)水電建設(shè)中的應(yīng)用有近百例，且有一定的工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)規(guī)范，但由于二期圍堰的填料性質(zhì)很差，普通的混凝土不能適應(yīng)堰體可能發(fā)生的較大的變形且施工難度大，造價(jià)高!塑性混凝土具有一定的強(qiáng)度和較小的彈性

5、模量，以及較大的極限拉應(yīng)變，從而使防滲墻墻體變形能適應(yīng)堰體的較大變形!與普通混凝土相比，塑性混凝土可節(jié)省大量的水泥，因而能大大降低工程造價(jià)!但是如果按傳統(tǒng)的塑性混凝土進(jìn)行研究，由于在三峽壩區(qū)天然河砂料源不足，且塑性混凝土配比成分多，給施工造成不便，同時(shí)增加了工程費(fèi)用!因此，利用當(dāng)?shù)貜U料風(fēng)化砂及石屑粉研制出新型防滲材料廢料柔性混凝土，性能與塑性混凝土類(lèi)似，且可就地取材，易建、易拆，有一定壽命，能適應(yīng)較大變形而不破壞非常適用于圍堰防滲墻體!它與傳統(tǒng)的塑性混凝土相比，由于利用了廢料更為節(jié)省投資，且有利于環(huán)境保護(hù)!柔性混凝土用作防滲墻材料，在高水頭作用下，發(fā)生彎曲變形，墻體的底部可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此，

6、研究柔性混凝土的抗拉性質(zhì)和抗彎特性對(duì)防滲墻的安全性評(píng)估非常重要!有關(guān)塑性混凝土在這方面的研究還很少見(jiàn)!本文通過(guò)極限拉伸試驗(yàn)、圍壓作用的拉伸試驗(yàn)和抗彎特性試驗(yàn)，研究了柔性混凝土的抗拉破壞性質(zhì)!2柔性混凝土的原材料組成柔性混凝土主要是由建筑開(kāi)挖廢料風(fēng)化砂和制造人工集料的棄渣石屑粉與水泥、膨潤(rùn)土、外加劑配制而成!由水泥、風(fēng)化砂、膨潤(rùn)土、外加劑和水配制的稱(chēng)為風(fēng)化砂柔性混凝土，由石屑粉代替風(fēng)化砂制成的稱(chēng)為石屑粉柔性混凝土!它們的力學(xué)性質(zhì)的最大特點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度和較低的彈性模量，模強(qiáng)比一般小于250,28d抗壓強(qiáng)度為4.65MPa左右，彈性模量約為1000MPa!其優(yōu)選的施工配合比及單軸抗壓力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表

7、1!風(fēng)化砂為三峽壩區(qū)花崗巖全風(fēng)化帶風(fēng)化料，其天然狀態(tài)的粒徑一般小于20mm，其中三25mm者約占1/3（這部分含量用P5表示）小于0.1mm的細(xì)粒料含量（俗稱(chēng)含泥量）通常W5%,不均勻系數(shù)為8-10.石屑粉為三峽壩區(qū)左岸古樹(shù)嶺人工集料加工系統(tǒng)生產(chǎn)碎石后剩下的大量石屑棄料，由于云母含量較高，不能用于混凝土建筑物！根據(jù)對(duì)古樹(shù)嶺棄料進(jìn)行實(shí)地查勘和樣品采集，對(duì)1I-kit*ftIt帝事卓If!-:-1-IMFu乞比罠比上悴崔St卜L血J0L.J-2L5L1酣soLJI.BJS用節(jié)皆It$AGDdmen：JT.II.呂血1U.44214A3J33211不同方位和不同高程的石屑棄料取樣檢測(cè)其細(xì)度模數(shù)，并確

8、定各項(xiàng)指標(biāo)為：細(xì)度模數(shù)M=3.02（平均值）；含石量為9.87%；石粉含量為10.87%；相對(duì)密度2.64；吸水率2.0%.膨潤(rùn)土粉系采用湖南澧縣生產(chǎn)的二級(jí)膨潤(rùn)土粉，其級(jí)配及物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2.所用水泥為425號(hào)礦渣硅酸鹽水泥.外加劑采用木鈣，用量為水泥的0.5%.3極限拉伸試驗(yàn)3.1試件形狀及試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)參照水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程（SD-105-52）,試件形狀為三翼型，試件長(zhǎng)600mm，兩端寬196mm，中間斷面為100mmX100mm，試驗(yàn)是在萬(wàn)能機(jī)上進(jìn)行的.3.2試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行風(fēng)化砂柔性混凝土（WSPC）和石屑粉柔性混凝土（WRPC）的極限拉伸試驗(yàn)，按照不同齡期做2組試驗(yàn)，一組為70d，

9、另一組為210d,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.和圖2.由圖1.和圖2可知，極限拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)為近似線(xiàn)性曲線(xiàn)，由試驗(yàn)得到的成果如表3所列，石屑粉柔性混凝土的抗壓強(qiáng)度小于風(fēng)化砂柔性混凝土，但它的抗拉強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變和抗拉彈性模數(shù)皆比風(fēng)化砂的大！WRPC的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比為0.134,WSPC的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比為0.198，說(shuō)明石屑粉柔性混凝土的抗拉性能較風(fēng)化砂柔性混凝土的好!圖2是I.A0.20.-9QBCL4I.DE.21.41Yld陰兀II富二疋K4!R,；VA4.-iiij32iadCKr：d-t沁1.n.1NIKU!r3iU.NL-i!：t-rM-BU!口!llJC.IIF.I%LSK

10、UL.L2LIJLlnLlK。用2IQ1.刑dbllMDJJI2曲ISL匾L&nLD*a.ifii風(fēng)化砂柔性混凝土7個(gè)月齡期的極限拉伸曲線(xiàn)，將其試驗(yàn)結(jié)果也列于表3中，由表中數(shù)據(jù)分析，對(duì)于風(fēng)化砂柔性混凝土，隨齡期的增長(zhǎng)抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度很大，由70d到210d抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)了58%，而抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了16.7%,而且極限拉應(yīng)變也有顯著的增長(zhǎng)，70d時(shí)為1.13X104，到210d時(shí)達(dá)到1.86X104，增長(zhǎng)了65%，抗拉彈性模數(shù)減小，這是柔性混凝土不同于普通混凝土的一個(gè)顯著特點(diǎn).普通混凝土的極限拉應(yīng)變?yōu)?.8X104-1.0X104,拉壓強(qiáng)度比約為0.1,可見(jiàn)柔性混凝土的極限拉應(yīng)變和拉壓強(qiáng)度比都明顯

11、大于混凝土.根據(jù)無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)得知，隨齡期的增長(zhǎng)，柔性混凝土的模強(qiáng)比減小,即柔性混凝土的相對(duì)塑性增強(qiáng)，而由拉伸試驗(yàn)得出，隨齡期的增長(zhǎng)，拉壓強(qiáng)度比增大，也說(shuō)明材料的塑性增強(qiáng)，因此，由壓縮和拉伸試驗(yàn)得到的結(jié)論是一致的，從另一方面證明了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.4有圍壓作用的拉伸試驗(yàn)研究4.1試驗(yàn)儀器的改裝有圍壓作用的拉伸試驗(yàn)由于受試驗(yàn)儀器的限制，在材料力學(xué)性質(zhì)的研究中還是薄弱環(huán)節(jié)，沒(méi)有現(xiàn)成的試驗(yàn)儀器.因此，為了研究柔性混凝土在圍壓作用下的抗拉性質(zhì)，筆者對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)儀進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠滿(mǎn)足圍壓作用下拉伸試驗(yàn)的要求/具體做法是：（1）對(duì)量力環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，將量力環(huán)上的受力桿上部與量力環(huán)接觸部位換

12、成用銷(xiāo)釘固定，下部改成螺絲，以便與試樣連接；（2）制作兩個(gè)圓形鐵夾具，用來(lái)固定試樣的兩端；（3）制作兩個(gè)鐵夾具用來(lái)連接壓力室與試樣的底座.試驗(yàn)改裝見(jiàn)圖3.4.2圍壓作用下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)的安裝見(jiàn)圖3,試樣為圓柱狀，試件尺寸為6.18X14cm，加荷速率分別為0.18mm/min和0.036mm/min，圍壓分別為0,0.2，0.4，0.6MPa,試樣的破壞形式為拉斷破壞，如圖4所示.圍壓作用的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，圍壓的大小對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響很小，但對(duì)應(yīng)變的影響較大，在圍壓較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)變，且破壞時(shí)的拉應(yīng)變較小，從圖5（a）和圖5（b）中都可以看出，當(dāng)圍壓小于0.6MPa時(shí)

13、，破壞時(shí)的拉應(yīng)變隨圍壓的增大而增大，當(dāng)圍壓等于0.6MPa時(shí)，破壞時(shí)的拉應(yīng)變反而減小.圍壓對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小，但對(duì)拉應(yīng)變影響較大，因此，破壞判別應(yīng)使用抗拉強(qiáng)度，而不能用拉應(yīng)變.從圖5中還可看出，加荷速率不同時(shí)，破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度和拉應(yīng)變也不同，加荷速率為0.18mm/min時(shí)抗拉強(qiáng)度和拉應(yīng)變都較加荷速率為0.036mm/min時(shí)的大！5柔性混凝土的抗彎特性試驗(yàn)5.1試驗(yàn)方法試驗(yàn)采用簡(jiǎn)支梁三分點(diǎn)加荷法，如圖6所示，試件尺寸為10X10X50cm的小梁，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.在試件的上下表面各貼三個(gè)電阻應(yīng)變片，貼片位置見(jiàn)圖6中的黑點(diǎn)所示，點(diǎn)2,點(diǎn)6&是試件的中點(diǎn)，點(diǎn)1,點(diǎn)3,點(diǎn)4,點(diǎn)5距支座10cm

14、處，并安裝百分表測(cè)試樣的最大撓度.試樣分兩組，一組為從養(yǎng)護(hù)室內(nèi)取出風(fēng)干一周，另一組為潮濕狀態(tài).Paiiii-it!ii甘串nmtjiFhbiA勺輩泊芒4;ftw.trILll+nx5.2試驗(yàn)結(jié)果圖75是石屑粉柔性混凝土干樣和濕樣在點(diǎn)6&處的拉應(yīng)變與抗折力的關(guān)系曲線(xiàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表4,干樣的抗折強(qiáng)度為1.52MPa,濕樣的抗折強(qiáng)度為1.8MPa,濕樣的拉應(yīng)變?yōu)?.2X104,干樣的拉應(yīng)變?yōu)?.01X104,濕樣的拉應(yīng)變較干樣稍大些，最大撓跨比干樣為0.4%,濕樣為0.47%.圖8(a)、圖8(b)分別是風(fēng)化砂柔性混凝土濕樣和干樣的抗彎應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，在此，負(fù)應(yīng)變代表拉應(yīng)變，正應(yīng)變代表壓應(yīng)變，小梁的上

15、表面發(fā)生壓應(yīng)變，下表面發(fā)生拉應(yīng)變，由于對(duì)稱(chēng)性，點(diǎn)1,點(diǎn)3和點(diǎn)4,點(diǎn)5的應(yīng)變接近，兩條曲線(xiàn)幾乎重合，試驗(yàn)成果見(jiàn)表4.風(fēng)化砂柔性混凝土的最大拉應(yīng)變濕樣為2.15X104，干樣為1.96X104，抗折強(qiáng)度濕樣為1.44MPa,干樣為1.6MPa,最大撓跨比濕樣為0.61%,干樣為0.49%.另做一組齡期為360d的試驗(yàn)，見(jiàn)圖9,試驗(yàn)結(jié)果也列于表4中，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，隨齡期增長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都有明顯的增長(zhǎng)，尤其是風(fēng)化砂柔性混凝土360d的最大拉應(yīng)變?cè)黾语@著，達(dá)2.76X104，而石屑粉柔性混凝土為2.33X104，與28d時(shí)相比有些微的增加，說(shuō)明風(fēng)化砂柔性混凝土隨齡期的增長(zhǎng)其抗彎性能顯著增強(qiáng)，石屑

16、粉柔性混凝土也有一定程度的增強(qiáng)，兩者的撓跨比都有顯著的增加)總的來(lái)說(shuō)，風(fēng)化砂柔性混凝土較石屑粉柔性混凝土的抗彎性能好，最大拉應(yīng)變也較大)-A*6結(jié)論由極限拉伸試驗(yàn)得出柔性混凝土的抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、抗拉彈性模數(shù)以及拉壓強(qiáng)度比，隨齡期的增長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度、拉壓強(qiáng)度比和極限拉應(yīng)變顯著增大與普通混凝土相比,拉壓強(qiáng)度比、極限拉應(yīng)變明顯增大.通過(guò)圍壓作用的拉伸試驗(yàn)得出，圍壓對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較小，但對(duì)拉應(yīng)變影響較大，因此，當(dāng)發(fā)生拉裂破壞時(shí)，應(yīng)以抗拉強(qiáng)度作為破壞判別；應(yīng)變速率對(duì)抗拉強(qiáng)度和破壞拉應(yīng)變都有比較顯著的影響.由抗彎變形試驗(yàn)得到柔性混凝土的抗折強(qiáng)度、最大撓跨比和最大拉應(yīng)變，當(dāng)試樣潮濕時(shí)，其彎折破壞時(shí)的最大拉應(yīng)變、抗折強(qiáng)度和撓跨比都較干燥試樣的大，且隨齡期明顯增大；抗折抗壓強(qiáng)度比隨齡期增長(zhǎng)減小，但最大撓跨比增大應(yīng)至r.ii件.-閔I-；.IL1.r曲*打樂(lè)空m爐*I|.vIv.rt*-t4匚inrkik.-viu.rqrtttiff-rfl-1.-Hh-I;.Il;1-.nri/9E1:-isL.1L3MJAIJ4I6.