碾压混凝土坝现场层间间隔允许时间测定仪器和方法的研究.pdf

碾压混凝土坝现场层间间隔 允许时间测定仪器和方法的研究 姜福田 ( 中国水利水电科学研究院) [ 摘要]本文从碾压混凝土层面胶砂凝结状况与贯入阻力关系入手，从碾压混 凝土层面力学和渗透特性与历时关系，联系到贯入阻力与层面特性的关系，进而 提出贯入阻力控制值新理念为准确测定贯入阻力，研制了高精度贯入阻力仪和 现场仓面使用的手持式贯入阻力仪对现场测定贯入阻力值的方法和判定层面直 接铺筑允许时间进行了论述和规定再深入至现场层面质量检测，构成一套较完 整的层面质量控制方法 1 引言 碾压混凝土坝设计和施工应关心大坝层面处现场特性，而不是本体( 碾压混凝土自 身) 的抗拉或抗剪强度层面处的抗拉强度和抗剪强度，在碾压混凝土坝设计中起主导作 用，尤其是在地震高发区 我国1 9 9 4 年制定的S L5 3 —9 4 《水工碾压混凝土施工规范》规定：“连续上升铺筑的碾 压混凝土，层间间隔允许时间，应控制在混凝土初凝时间以内”因为对碾压混凝土初凝时 间的含义尚不明确，而且就是在初凝时间前铺筑上层碾压混凝土，层面处力学性质是如何 变化也不清楚所以，2 0 0 0 年发布D L ／T5 1 1 2 —2 0 0 0 《水工碾压混凝土施工规范》，不再提 初凝时间，而提出：直接铺筑允许时间，垫层铺筑允许时间和冷缝。

如何确定这些时间，规 范比较笼统，只提到综合考虑各种因素，经试验确定 ‘ 本文是对施工规范的补充和细化，从碾压混凝土层面处力学和渗透性能与历时的关系， 找出贯入力与层面胶结特性的关系在新修订的《水工混凝土试验规程》中提出了“碾压 混凝土拌和物仓面贯入阻力检测”方法 2 层面结构与贯入阻力 2 ．1 振动液化与层面 振动碾施振于碾压层，随着碾压遍数增加逐步液化，胶砂上浮，形成层面，浆层厚度 约3 ～5 m m ( 1 ) 浆层凝结前期在其上铺筑碾压混凝土，再次被碾压时，由于液化作用上层碾压混凝 土中的骨料下沉，与层面接触，有较好的胶结、嵌固和啮合作用所以本体与层面有较好 5Z 4 的连续性 ( 2 ) 浆层凝结后期，在垂直振动力作用下，不可能使骨料沉入到浆层中和发生胶结、嵌 固和啮合作用，因此本体与层面连续性较差 2 ．2 碾压混凝土胶砂的凝结与贯人阻力 大量试验表明，混凝土的凝结表现在加水后水泥胶凝体由凝聚结构向结晶网状结构转 变时有一个突变这一理化现象被多种物理量测定表现出来如用超声波测定混凝土中波 速，当水泥凝胶开始变结晶时，声速有一突变跳跃；用热学法测定混凝土水化温升速率，在 水化过程中温升速率同样有一突变跳跃；用两个电极板测定一段混凝土电流时，同样存在 一个突变点；用测针测定贯入阻力也存在一个突变点。

因此，可以从众多的物理参数测定 方法中采用一种测试方法来测定碾压混凝土的凝结过程经比较，选用贯入阻力法 碾压混凝土凝结时间测定方法是借用普通混凝土凝结时间测定的贯入阻力法，套用到 碾压混凝土中两者的区别：①普通混凝土初凝时间测针直径为1 1 ．2 m m ( 1 0 0 r a m 2 面积) ， 碾压混凝土初凝和终凝时间测定采用统一测针直径5 m m ( 2 0 m m 2 面积) ；②普通混凝土初 凝时间由贯入阻力为3 ．5 M P a 的点确定，而碾压混凝土初凝时间由贯入阻力与历时关系，直 线的拐点确定 由于测定碾压混凝土贯入阻力的测针直径变小( 面积相差5 倍) ，再将普通混凝土贯入 阻力仪( 分辨率为5 N ) 用于测定碾压混凝土贯入阻力，显然仪器精度是不够的为此，研 制了高精度贯入阻力仪测力部分采用电子测力传感器，力值显示采用L C D 数码显示，测 力精度为土1 ％，分辨率0 ．1 N 该仪器比普通混凝土贯入阻力仪分辨率高出5 0 倍因此， 可以准确地测定不同历时贯入阻力值，以显示碾压混凝土凝结状态的变化 J F T 一2 1 型1 0 0 0 N 高精度贯入阻力仪( 见图1 ) ，技术规格如下： 额定荷载 1 0 0 0 N 测力精度士1 ％ 分度值．0．1N 施力方式测针由导向丝杠平稳贯入 测力方法电测传感器和数码显示 用高精度贯入阻力仪测定1 2 个碾压混凝土配合比，贯入阻力与历时关系见图2 。

图1 的特征是：贯入阻力一历时关系由两段直线组成，水化初期贯入阻力值较低，增长速率也 较缓慢，至一定历时，直线出现一个拐点，直线斜率变陡，增长速率增加按常规，出现 拐点的历时称为初凝时间，贯入阻力达到2 8 M P a 的历时称为终凝时间 碾压混凝土初凝时间只是根据水泥胶凝材料水化，由凝胶变为结晶时物理量突变来确 定初凝时间，没有考虑层间亲合力，与层面力学特性和渗流特性变化没有直接联系，显然 用初凝时间来控制层面质量是不够的 普通混凝土初凝时间确定也不是找出拐点，而是通过现场对混凝土进行振捣试验，用 振捣棒插入混凝土中能出浆，拔出不留孔为准，此时砂浆的贯入阻力为3 ．5 M P a 因此，美 国A S T M C 4 0 3 规范规定，普通混凝土初凝时间相对应的贯入阻力值为3 ．5 M P a 5 1 5 萤 吾 置 蠢 024681 0 1 2 1 4 1 6 1 82 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 历时t ( h ) 图1J F T 一2 1 型1 0 0 0 N 高精度贯入阻力仪图2 贯入阻力与历时关系试验结果 3 贯入阻力与层面特性的关系 3 ．1层面外露时间与其力学和渗流特性的关系 碾压混凝土拌和出机后，经运送，摊铺到碾压结束形成层面，形成层面后再浇筑上层 碾压混凝土，不论间隔时间多少，都构成含层面碾压混凝土，其力学和抗渗性能都将降低。

3 ．1 ．1 与抗压强度的关系 由于立方体试件端面约束，试件破坏呈锥形试件中部留下一个未完全破坏的锥形体， 而层面就在此锥形体内，所以层面对抗压强度的影响与碾压混凝土本体相比，抗压强度降 5 1 6 图3 轴拉强度与历时关系试验结果 t —e 七} o 土轴 轴拉 凝土 降低 方程 ∞勰拍M毖加擂M M 他m 8 6 4 ：0 一摹—高丑越限辑需簟特垦『瑙鼎勰暴恒巡如 式中r ——剪应力，M P a ； C ’——黏聚力，M P a ； ，，——摩擦系数； 盯——法向应力，M P a 试验表明，对于给定的碾压混凝土，其层面上的黏聚力变化幅度要比抗滑摩阻力大许 多如果施工中采取合理的质量控制措施，抗滑摩阻力主要受碾压混凝土本身性能影响，而 层面间隔时间和状况对层面抗滑摩阻力的影响已处于次要地位黏聚力既受材料和配合比 影响，也受施工过程的影响，如层面间隔时间、层面处理方法等 澳大利亚卡舟古朗坝( C a d i a n g n l l o n gD a m ) 在坝体上钻取芯祥，进行直剪试验表明，芯 样粘聚力的变异系数为0 ．3 3 ，比摩擦系数的变异系数大8 3 ％ 综上所述，采用黏聚力反映层面状况对抗剪强度的影响更为直接。

在标准试验条件下， 层面外露时间对黏聚力有显著性影响，黏聚力与历时关系试验结果见图3 3 ．1 ．4与渗透性的关系 长江科学研究院和大广坝抗渗等级试验结果表明，层面间隔8 h 以后抗渗等级明显下 降，见表1 表1不同层面间隔时间抗渗等级试验结果 抗渗等级 层面间隔时间 层面状况 ( h ) 长科院大广坝 O 本体 W 8W 6 4 W 8 6 W 6 8 W 8 1 2不处理 W 4 1 6 W 6 2 4W 4 4 8 W 2 各工程渗透系数测试结果见表2 表2 表明，层面间隔时间不超过8 h ，不论室内成型 试件或是现场钻取芯样，渗透系数均达到1 0 叫c m ／s 数量级，满足国外重力坝坝高2 0 0 m 级 设计标准 表2各工程渗透系数测试结果 工程名称层面状况层面间隔时间( h )试样来源渗透系数( c m ／s ) 本体 0 1 ．4 ×1 0 —9 大广坝室内成型 不处理82 ．5 ×1 0 - 9 龙滩第二次 本体 O 1 ．5 ×1 0 —9 芯样 现场试验不处理 4 2 ．3 ×1 0 —9 4 ．5 室内成型 2 ．7 ×1 0 - 9 龙滩第三次 不处理 53 ．7 ×1 0 - 9 现场试验 4 ．5 芯样 6 ．5 ×1 0 —9 5 3 ．1 ×1 0 —9 5 】7 3 ．2 贯人阻力与层面特性的关系 层面胶砂的贯入阻力与层面特性的关系是通过贯入阻力与历时关系( 图1 ) ，轴拉强度 与历时关系( 图3 ) 和黏聚力与历时关系( 图4 ) 三者联系起来的。

随着历时增长，贯入阻 力增加，而轴拉强度，黏聚力和抗渗性能则降低，这是一个不争的事实从设计角度，可 以提出一个允许降低下限，在此限以上层面的各项性能是能够被大坝结构安全所接受的以 此下限作为层面质量控制标准 024 6 81 01 21 41 61 8 2 02 22 4 历时f ( 1 1 ) 图4 层面黏聚力与历时关系试验结果 现场仓面环境状况均影响层面砂浆的贯入阻力值，其表达式为 R s —f ( t 、T 、H 、V 、5 ) 式中R s ——贯入阻力，M P a ； ￡——历时，h ； T ——温度，℃； 日——环境相对湿度，％； y ——环境风速； S ——环境日照烈度 在标准试验条件下，? 、H 、y 和S 均为常量，图1 拐点前第一条直线可表示为 R s 一／’( ￡) 同理，由图2 和图3 ，在标准试验条件下， M —F 1 ( ￡) K = F 2 ( ￡) 式中M ——含层面轴拉强度与本体轴拉强度比，％； K ——含层面黏聚力与本体黏聚力比，％ 连续浇筑的碾压混凝土，如果坝体结构设计安全系数认可层面各项性能比本体降低 1 5 ％是可以接受的由图2 、M = F ￡) 和图3 、K = F 。

f ) 曲线上可以得到降低1 5 ％所 对应的历时t 两者选小者) 查图1 ，可得到贯入阻力R s 值，此值就是现场层面贯入 阻力控制值，超过此限值不允许连续浇筑，层面应进行处理 5Z 8 ∞如∞∞∞∞∞∞加m 0 一邑磁彗～R磔巢簟传唧～R曝舞恒巡 确定层面贯入阻力控制值的路线模型如下： 4 现场检控层面质量的方法 4 ．1 贯人阻力控制值的选定 层面贯入阻力控制值由以下两种方法确定 ( 1 ) 经验统计法：对中小型工程，当缺少完整试验资料时可采用经验统计法统计样本 取自上节各工程试验资料统计数据由图3 、图4 、表1 和表2 ，层面各项性能降低1 5 ％时， t 一8 h 查图2 ，当t o 一8 h 时，贯入阻力R s = 5 M P a ，贯入力P s = 5 ×2 0 - - - - 1 0 0 N ( 测针面积 为2 0 m m 2 ) ( 2 ) 实际测定法：对大中型重要工程，必须采用工程使用材料和结合工程实际工况，按 下述步骤确定层面贯入阻力控制值 1 ) 拌制施工配合比碾压混凝土，测定：①贯入阻力与历时关系；②不同历时，含层 面碾压混凝土轴拉强度，黏聚力C7 和渗透性与本体的关系。

2 ) 确定：①层面各项性能允许降低值；②层面贯入阻力控制值 为层面质量检控，研制了J F T 一1 1 型5 0 0 N 手持式贯入阻力仪见图5 ，其技术规格与 J F T 一2 1 型1 0 0 0 N 高精度贯入阻力仪相同 现场仓面的环境条件比室内标准试验条件复杂得多，气温、日光直射、风速变化加剧 了水分蒸发，表面遮盖、喷雾等一系列不定条件，均影响层面胶砂的贯入阻力值但是，不 论外界条件如何变化，同一碾压混凝土拌和物胶砂对外力的阻抗能力应该是基本一致的所 以，不同环境条件下具有相同贯入阻力值的层面胶砂，应有相同的层面胶结作用当实测 层面贯入阻力大于控制值时，就应该停止直接铺筑，进行层面处理 4 ．2 现场测定层面贯人阻力的方法 ( 1 ) 从运到施工现场的碾压混凝土拌和物中筛取胶砂试样4 0 L ( 2 ) 在平仓后的碾压混凝土层某一预定位置挖取面积4 0 c m ×4 0 c m。