柔性混凝土技術(shù)簡介

1、 柔性混凝土的試驗研究及其應(yīng)用柔性混凝土的研究最早應(yīng)用于各項水利水電工程、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)周圍土體變形模量,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)開裂同時還能節(jié)約水泥的用量。我國公路工程建設(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)計與施工增大了建設(shè)難度及相應(yīng)的工程造價。近年來，在混凝土中摻用聚合物纖維以防裂的技術(shù)措施越來越普遍。然而，在仔細對照摻用前后的混凝土性能后可以認(rèn)為：在經(jīng)濟的纖維用量范圍（體積比小于1%）

2、，纖維對混凝土硬化早期的防裂作用可以肯定；但對混凝土的基本脆性特征并無根本改變。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)常年水位不對稱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材料，其資源在我國中東部地區(qū)分布較廣、運距較短，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)濟意義。在我國，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)用的實例即三峽大壩的圍堰防滲墻工程（詳見附件）。而在遭遇97年特大洪水后，柔性混凝土又大規(guī)模

3、應(yīng)用于長江防洪徥防滲墻工程。我們對柔性混凝土進一步改性，在保持低彈性模量的變形能力基礎(chǔ)上,通過摻入水溶性聚合物和細磨礦渣而提高其抗彎強度:1.抗彎強度大于4.5Mpa;彈性模量小于1500Mpa;（重載道路）擴大了它的適用范圍：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)濟優(yōu)勢:1.每立方米混凝土成本低于普通混凝土2030%;2.顯著增長結(jié)構(gòu)壽命而節(jié)省養(yǎng)護費用;減少結(jié)構(gòu)養(yǎng)護/維修,提高通車能力而增加過路費收入;附件:柔性混凝土的抗拉特性試驗研究張小平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長江科學(xué)院，湖北

4、武漢；3江蘇省第一建筑公司江蘇揚州；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三峽二期圍堰工程防滲墻而開發(fā)研制的一種新材料!二期圍堰的主要特點是：堰址水深達#$，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_挖料即風(fēng)化砂作主要填料，水下拋填時結(jié)構(gòu)松散，難以密實，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題!混凝土防滲墻在我國水電建設(shè)中的應(yīng)用有近百例，且有一定的工程經(jīng)驗及設(shè)計規(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，造價高!塑性混凝土具有一定的強度和較小的彈性

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!但是如果按傳統(tǒng)的塑性混凝土進行研究，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，同時增加了工程費用!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!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)和抗彎特性對防滲墻的安全性評估非常重要!有關(guān)塑性混凝土在這方面的研究還很少見!本文通過極限拉伸試驗、圍壓作用的拉伸試驗和抗彎特性試驗，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、膨潤土、外加劑配制而成!由水泥、風(fēng)化砂、膨潤土、外加劑和水配制的稱為風(fēng)化砂柔性混凝土，由石屑粉代替風(fēng)化砂制成的稱為石屑粉柔性混凝土!它們的力學(xué)性質(zhì)的最大特點是具有較高的強度和較低的彈性模量，模強比一般小于250,28d抗壓強度為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的細粒料含量（俗稱含泥量）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)對古樹嶺棄料進行實地查勘和樣品采集，對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其細度模數(shù)，并確

8、定各項指標(biāo)為：細度模數(shù)M=3.02（平均值）；含石量為9.87%；石粉含量為10.87%；相對密度2.64；吸水率2.0%.膨潤土粉系采用湖南澧縣生產(chǎn)的二級膨潤土粉，其級配及物理性質(zhì)指標(biāo)見表2.所用水泥為425號礦渣硅酸鹽水泥.外加劑采用木鈣，用量為水泥的0.5%.3極限拉伸試驗3.1試件形狀及試驗設(shè)備試驗參照水工混凝土試驗規(guī)程（SD-105-52）,試件形狀為三翼型，試件長600mm，兩端寬196mm，中間斷面為100mmX100mm，試驗是在萬能機上進行的.3.2試驗結(jié)果分別進行風(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，按照不同齡期做2組試驗，一組為70d，

9、另一組為210d,試驗結(jié)果見圖1.和圖2.由圖1.和圖2可知，極限拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線為近似線性曲線，由試驗得到的成果如表3所列，石屑粉柔性混凝土的抗壓強度小于風(fēng)化砂柔性混凝土，但它的抗拉強度、極限拉伸應(yīng)變和抗拉彈性模數(shù)皆比風(fēng)化砂的大！WRPC的抗拉強度與抗壓強度之比為0.134,WSPC的抗拉強度與抗壓強度之比為0.198，說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個月齡期的極限拉伸曲線，將其試驗結(jié)果也列于表3中，由表中數(shù)據(jù)分析，對于風(fēng)化砂柔性混凝土，隨齡期的增長抗拉強度的增長幅度很大，由70d到210d抗拉強度增長了58%，而抗壓強度增長了16.7%,而且極限拉應(yīng)變也有顯著的增長，70d時為1.13X104，到210d時達到1.86X104，增長了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顯著特點.普通混凝土的極限拉應(yīng)變?yōu)?.8X104-1.0X104,拉壓強度比約為0.1,可見柔性混凝土的極限拉應(yīng)變和拉壓強度比都明顯

11、大于混凝土.根據(jù)無側(cè)限壓縮試驗和三軸壓縮試驗得知，隨齡期的增長，柔性混凝土的模強比減小,即柔性混凝土的相對塑性增強，而由拉伸試驗得出，隨齡期的增長，拉壓強度比增大，也說明材料的塑性增強，因此，由壓縮和拉伸試驗得到的結(jié)論是一致的，從另一方面證明了試驗結(jié)果的可靠性.4有圍壓作用的拉伸試驗研究4.1試驗儀器的改裝有圍壓作用的拉伸試驗由于受試驗儀器的限制，在材料力學(xué)性質(zhì)的研究中還是薄弱環(huán)節(jié)，沒有現(xiàn)成的試驗儀器.因此，為了研究柔性混凝土在圍壓作用下的抗拉性質(zhì)，筆者對三軸壓縮試驗儀進行了改進，使其能夠滿足圍壓作用下拉伸試驗的要求/具體做法是：（1）對量力環(huán)進行改進，將量力環(huán)上的受力桿上部與量力環(huán)接觸部位換

12、成用銷釘固定，下部改成螺絲，以便與試樣連接；（2）制作兩個圓形鐵夾具，用來固定試樣的兩端；（3）制作兩個鐵夾具用來連接壓力室與試樣的底座.試驗改裝見圖3.4.2圍壓作用下的拉伸試驗結(jié)果試驗的安裝見圖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結(jié)果見圖5.由試驗結(jié)果可以看出，圍壓的大小對抗拉強度的影響很小，但對應(yīng)變的影響較大，在圍壓較大時會出現(xiàn)壓應(yīng)變，且破壞時的拉應(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

13、，破壞時的拉應(yīng)變隨圍壓的增大而增大，當(dāng)圍壓等于0.6MPa時，破壞時的拉應(yīng)變反而減小.圍壓對抗拉強度的影響較小，但對拉應(yīng)變影響較大，因此，破壞判別應(yīng)使用抗拉強度，而不能用拉應(yīng)變.從圖5中還可看出，加荷速率不同時，破壞時的抗拉強度和拉應(yīng)變也不同，加荷速率為0.18mm/min時抗拉強度和拉應(yīng)變都較加荷速率為0.036mm/min時的大！5柔性混凝土的抗彎特性試驗5.1試驗方法試驗采用簡支梁三分點加荷法，如圖6所示，試件尺寸為10X10X50cm的小梁，在萬能試驗機上進行.在試件的上下表面各貼三個電阻應(yīng)變片，貼片位置見圖6中的黑點所示，點2,點6&是試件的中點，點1,點3,點4,點5距支座10cm

14、處，并安裝百分表測試樣的最大撓度.試樣分兩組，一組為從養(yǎng)護室內(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試驗結(jié)果圖75是石屑粉柔性混凝土干樣和濕樣在點6&處的拉應(yīng)變與抗折力的關(guān)系曲線，試驗成果見表4,干樣的抗折強度為1.52MPa,濕樣的抗折強度為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，在此，負應(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，由于對稱性，點1,點3和點4,點5的應(yīng)變接近，兩條曲線幾乎重合，試驗成果見表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，見圖9,試驗結(jié)果也列于表4中，經(jīng)過對比分析，隨齡期增長，抗壓強度、抗折強度都有明顯的增長，尤其是風(fēng)化砂柔性混凝土360d的最大拉應(yīng)變增加顯著，達2.76X104，而石屑粉柔性混凝土為2.33X104，與28d時相比有些微的增加，說明風(fēng)化砂柔性混凝土隨齡期的增長其抗彎性能顯著增強，石屑

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