清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084
收稿日期：2017-02-28
基金项目：国家"九七三"重点基础研究项目（2013CB035902）；国家自然科学基金项目（51279087，51339003）；清华大学自主科研项目（2014Z01004）
作者简介：许文彬(1988-), 男, 博士研究生
通信作者：李庆斌, 教授, E-mail:qingbinli@mail.tsinghua.edu.cn
摘要：水工混凝土在干燥多风环境下浇筑时，浇筑坯层层面将受到环境影响，层间劈拉强度也会随之减小。为了分析混凝土层间劈拉强度在环境影响下的性能变化及研究层面状态的判断方法，对不同水工混凝土材料在不同环境影响下的层间劈拉强度、下层混凝土内含水量进行了相关试验研究。研究结果表明：在干燥多风的环境影响下层间劈拉强度衰减会加剧，层间劈拉强度与下层含水量存在对应的函数关系，含水量可作为预测层间强度的指标。针对下层混凝土表面更易出现缺水等极端情况，提出了层面重塑方法，该方法可明显提高层间强度。
关键词：水工混凝土层间强度层面重塑含水量
Interlayer strength of hydraulic concrete and layer surface treatment improvementin Wudongde Dam
XU Wenbin, HU Yu, LI Qingbin
State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Concrete pouring layer surfaces are seriously affected by the environment when hydraulic concrete pours in dry, windy environments which affects the interlayer strength. The effect of the concrete interlayer surface is analyzed for various environmental conditions by measuring the interlayer splitting tensile strength and the water content of the first concrete layer. The results show that the interlayer strength is reduced by the environmental conditions with the interlayer strength related to the water content in the first layer. Therefore, the water content can be used to predict interlayer strength. A layer remodeling method is proposed to improve the interlayer strength based on the extreme situation of a water shortage on concrete surface of the first layer surface.
Key words: hydraulic concreteinterlayer strengthlayer remodelingwater content
乌东德、白鹤滩等位于中国西南部的高坝步入建设期，大坝建址处气象干燥、多风。环境的不同对混凝土各方面都有影响[1]，分坯层浇筑混凝土层间劈拉强度(后文简称层间强度)成为其中重要问题之一。以往的大坝工程中层间结合不良的问题时有发生，特别是碾压混凝土工程[2]。以龙滩大坝为例[3-4]，层间强度在热缝阶段表现较好，在冷缝阶段层面处理方法(冲毛、铺浆等)也能很好地解决层间强度降低问题[5]，但当层面状态处于温缝或者环境恶劣时，层间结合常常较差，工程应对措施也不足，从而引起工程损失[6]。要确保层间强度达到工程要求，需准确预测层间强度以及对应的下层混凝土状态，以指导现场施工。
近年来，国内外研究一般认为层间强度与下层混凝土的凝结过程直接相关[7-8]，于是采用初终凝时间判断层间强度变化，虽然应用中将环境因素也纳入数学回归模型[8]，但模型涉及的机理不全面或过于复杂导致了难以准确预测层间强度，因此2009年发布的《水工碾压混凝施工规范》[9]中也不再提初凝时间。国外常用的度积时法则更显粗略[10]。《水工碾压混凝施工规范》中层间间隔的允许时间一般通过综合考虑拌合物、天气、施工方法等一系列相关因素通过试验确定，缺少统一简洁的判断指标。
乌东德拱坝设计为300 m级特高拱坝，其地质条件复杂，气象条件更为不利。乌东德坝区为典型的干热河谷，地区的气候条件中最为突出的两个特点为：干燥、多风。据乌东德坝区气候观测统计，多年平均湿度为48%，全年湿度小于40%的天数为135天。坝址处常年风多风大，据坝区海子尾巴气象站统计，仅2013年前5个月，超过7级大风(13 m/s以上)的天数就有23天，占比约为15%，月平均风速在1~3 m/s之间。乌东德大坝所在的河谷为典型的V字型河谷，因而傍晚到夜间容易形成由山坡吹向谷地的山谷风，形成特有的大风。
在多风与干燥的同时影响下，大坝混凝土浇筑过程中会表现出泌水少、水分蒸发量大等问题，同时坯层表面过早凝结、可振可碾性降低，从而即使在短时间内进行连续浇筑也会引发混凝土坯层结合性态弱化、层间结合性能下降等问题，而这在贯入阻力实验中无法体现。乌东德大坝主体为常态混凝土，二道坝为碾压混凝土。因此，有必要开展特有工程环境下两种混凝土层面、层间性能的综合研究，获取不同季节、不同气候环境下的坯层间真实性能情况，以得到可直接描述层面状态与层间结合质量的方法来指导施工。
本研究综合考虑乌东德大坝工程环境特点，在试验室进行坯层间性能试验研究，按照现场气候情况气温设定为20 ℃，湿度设定为45%，风速考虑月平均较小风速2.5 m/s和月平均较大风速5 m/s两种情况。基于相关机理分析得出其含水量与层间结合强度之间的相关关系。最后，提出层面重塑方法来改善环境引起的层间强度衰减问题。
1 试验材料和方法研究中层间劈拉强度和层内水分试验部分材料为一级配小骨料白水泥混凝土材料。水泥采用河北产标号P.W42.5硅酸盐白水泥，初凝时间120 min。水泥化学组成中铁、锰元素含量较低(质量分数分别为0.3%、0.09%)，满足试验所需低顺磁性材料含量的要求。砂和石均为纯石英材质。试验对象为常态混凝土和碾压混凝土。常态混凝土试样中水泥:砂:石为3: 5:5，水灰比为0.45；碾压混凝土试样中水泥:砂:石为3:8:6，水灰比为0.45。层面重塑法试验研究中，参照工地现场采用一级配灰水泥混凝土，材料均为高拱坝建设工地所用材料，其中水泥为42.5硅酸盐灰水泥，骨料为一级配小骨料。材料配合比如表 1所示。白水泥与灰水泥在同样配比下混凝土的强度分别为28.9 MPa和30.9 MPa，结果显示两种混凝土相差不大。本试验采用一级配小骨料白水泥混凝土，力学性能与施工现场全级配混凝土有一定差异，但存在比例换算系数[11]。
表 1 一级配灰水泥混凝土配合比
| kg/m3 | ||||||
| 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 硅粉 | 砂 | 石 | 减水剂 |
| 154 | 304 | 140 | 23 | 767 | 1 126 | 2.94 |
表选项
环境控制箱为自主研发的步入式多环境耦合模拟系统，环境模拟箱空间大(6 700 mm×5 500 mm×2 800 mm)，系统具备多因素同时调节能力，能稳定保持空间环境中湿度、气温维持在设定值。
研究主要分为3部分：
1) 水工混凝土立方体试件层间劈拉强度试验。试件分为碾压混凝土、常态混凝土，从0到10 h每间隔1 h进行上层混凝土浇筑。对于层面环境状态，考虑4种情况, 分别为：层面用保鲜膜密封住、层面裸露在无风空气中、层面裸露在风速为2.5 m/s的空气中、层面裸露在风速为5 m/s的空气中。温度为20 ℃，湿度为45%。试样28天龄期时进行层间劈拉强度试验。
2) 第1部分试验设置的4种层面环境中下层混凝土材料含水量测量。将拌合物灌入到内直径5 cm、长6.5 cm的特制容器瓶中。成型后进行低场核磁共振测水分析，然后置于4种环境中进行层面养护。每1 h进行一次低场核磁共振测水分析。
3) 层面重塑法试验。测量混凝土在试验研究环境中(温度20 ℃，湿度45%)贯入阻力。然后，进行层面重塑试验，4种层面环境中对不同层间间隔时间的混凝土分成两组进行试验：一组层面不作特殊处理；另外一组在上层浇筑之前将下层层面下1个骨料粒径深度的混凝土人工破碎成散碎状，然后浇筑上层混凝土。养护28天后进行层间劈拉强度试验。
2 试验结果和分析2.1 水工混凝土层间劈拉强度图 1和2分别给出常态混凝土、碾压混凝土在不同环境下层间劈拉强度随间隔时间的变化，可见劈拉强度随着间隔时间变长而减小。试验中试样层面在间隔时间内暴露在4种不同的环境中，区别主要在层面密封保护与否、层面风速大小两个方面。4种环境下相同试样的层间劈拉强度不一致，从大到小分别为：密封情况、暴露在无风环境、暴露在2.5 m/s风速环境、暴露在5 m/s风速环境。此排序也符合蒸发量从小到大的规律。由此可知，随着水分蒸发越多，层间劈拉强度下降也越大，具有较强的相关性。
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| 图 1 常态混凝土层间劈拉强度(水灰比0.45，温度20 ℃，湿度45%) |
| 图选项 |
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| 图 2 碾压混凝土层间劈拉强度(水灰比0.45，温度20 ℃，湿度45%) |
| 图选项 |
两种混凝土层间劈拉强度随层间间隔时间的变化规律大体相近，但碾压混凝土层间劈拉强度随着间隔时间下降得更快。此规律与凝结过程相对应，碾压混凝土的凝结时间短，其层间劈拉强度也低。由于碾压混凝土干贫特性，其对有风环境更敏感，在有风环境下，层间劈拉强度下降速度增加得较大。
由此可见，层间劈拉强度的减小与混凝土中水分的减少有着很强的相关性。密封条件下，水分作为反应物，其含量变化反映了水化程度，进而反映层间劈拉强度。层面暴露在环境中时，层间劈拉强度也是因为蒸发失水而发生了额外的消减。甚至在不同材料中，含水量的区别决定了常态混凝土和碾压混凝土的相对性能，形成了其对环境的不同响应。因此，水分作为一个影响层间劈拉强度的因子，发挥极其重要的作用。
2.2 水工混凝土内水分状态本节进行对应的下层混凝土内含水量测量。试验采用纽迈公司的核磁共振仪器(NMI20-15V)，测量总含水量和相对含水量。
图 3和4为试样在不同环境养护下含水量随养护时间的变化过程。密封试样水分的减少主要来自水化反应消耗，由此可得混凝土水化进程。从图 3和4中表面密封组可以看出，水化进程经历了明显的加速期和减速期，与水化动力学中水化反应的几个过程阶段相互印证。当混凝土试样上表面裸露在环境中时，水分的减少会相应增加，这一部分主要来自于环境影响下的蒸发失水，特别是在有风的情况下。从图 3可以看出，在水分丢失剧烈的情况下，8 h之后水分减少已经很少了，这表明水分不再从混凝土中逃逸出去，而水分少也会导致水化速度提前进入到低速阶段，因而蒸发对水化也会产生相应的影响。对比两种混凝土可发现，在无蒸发或者蒸发较少时，两种混凝土水分变化量基本相近，表明在同样的水灰比下，含水量变化只与初始含水量密切相关。但是，当环境中存在风时，蒸发量增加后不同材料出现了区分，其中常态混凝土失水比最大，而碾压混凝土相对较小。其原因是常态混凝土成形后，内部成分流动性更好，因此密度小的水分能更快地迁移到表层，因而能更快补充蒸发需水，蒸发速率更快。
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| 图 3 常态混凝土试样内总含水量变化(水灰比0.45，温度20 ℃，湿度45%) |
| 图选项 |
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| 图 4 碾压混凝土试样内总含水量变化(水灰比0.45，温度20 ℃，湿度45%) |
| 图选项 |
2.3 水工混凝土层间强度与下层混凝土内含水量的关系由于影响层间强度的环境因素众多，风速、温度、湿度和辐射均会导致结合质量的变化，分别考虑每种因素的影响会使研究工作繁琐且适用性较差，因此本研究寻求内在单一因子，得到更为实用的强度预测方法。混凝土的层间强度一般认为来自两个部分[12]：胶凝材料之间的胶结力和新浇筑混凝土骨料嵌入下层混凝土产生的咬合力。这两个部分很大程度来自同样的作用——层间混凝土的水化反应。胶凝材料之间的胶结力主要是在水化生成胶凝材料时形成的，而骨料嵌入下层产生的强度增加是有限的，其中很大一部分来自于水泥水化后水化产物附着于骨料表面形成骨料-浆体之间的胶结力。因此，上层混凝土浇筑后形成的胶结作用对层间强度的贡献由后续能完成的水化反应决定。由反应动力学[13]得到
| ${\text{d}}s/{\text{d}}t = f\left( {T,{\text{RH}},v} \right)g\left( s \right).$ | (1) |
| $g\left( s \right) = {s_{\text{u}}}\left( {1 - s/{s_{\text{u}}}} \right).$ | (2) |
| $s/{s_{\text{u}}} = a\left( {1 - {{\text{e}}^{ - \int {f\left( {T,{\text{RH}},v} \right){\text{d}}t} }}} \right).$ | (3) |
| $F/{F_0} = a{{\text{e}}^{ - \int {f\left( {T,{\text{RH}},v} \right){\text{d}}t} }}$ | (4) |
| $ - \int {f\left( {T,{\text{RH}},v} \right){\text{d}}t} = b{\left( {\frac{w}{{{w_0}}}} \right)^c}.$ | (5) |
| $F/{F_0} = a{{\text{e}}^{b{{\left( {\frac{w}{{{w_0}}}} \right)}^c}}}.$ | (6) |
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| 图 5 混凝土层间强度与下层含水量关系 |
| 图选项 |
式(6) 显示，在水分系数较大时，水分系数减少的幅度小，但强度系数减少的幅度大，水分系数较小时，强度系数随其减少得相对较慢。这是因为在水分随时间单调递减的状态下，水分系数较大时，对应的下层混凝土龄期早，此时的成熟度较低，其强度随成熟度增长较快，同时水分的丢失带来的层面孔隙内应力增加得也快，层间胶结能力下降更快，层面的骨料嵌入阻力也增加得快，因而层间强度的损失越快。因而，含水量可作为层间强度的指标。
在施工中，各种环境因素均对层间结合性能产生影响，因此以往的层间强度判断方法需要对每一种环境因素进行分析探讨并跟踪监测，然后才能得出层间结合质量的判断。利用含水量和层间强度之间的关系，可以在实际工程中简单地采用监测下层含水量来进行层间结合质量的判断，这种监测判断方法更为简单，并且操作性更强。
2.4 讨论2.3节得出了下层混凝土的含水量与层间强度存在对应函数关系。在以往的认知中，通常将下层混凝土当成一个均匀体来讨论分析，但是实际中下层混凝土并不均匀，核磁共振测水试验可同时得到其沿深度方向的相对含水量。图 6a和图 6b分别以常态混凝土为例，提取了两种环境情况下表层混凝土(上表面下0~2 mm薄片)和内部混凝土(上表面下30~32 mm薄片)内水分系数进行对比分析的结果。可见，在干燥多风环境影响下，混凝土内外含水量存在一定的差异，表层水分系数总是要低于内部。由于分层浇筑混凝土时，下层混凝土总是表面暴露在环境中，环境对其影响也是从表面到内部依次递减，因此表层混凝土的性能总是要低于内部混凝土。但是，总体来说混凝土内外含水量变化基本相近，因而含水量与层间强度的关系依然存在。相比内部，在蒸发失水的情况下表层含水量更低而导致层间强度更低。因此，如果可以利用内部混凝土中的水分来缓解表层缺水问题，就可以得到层间强度的相应提高。
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| 图 6 混凝土表层和内部水分系数变化对比 |
| 图选项 |
3 重塑法提高混凝土层间强度重塑法的具体措施为浇筑上层混凝土之前将层面以下1倍骨料粒径深度的混凝土用耙形工具打散破碎，同时将破散的混凝土拌匀，然后摊铺上层混凝土，这样下层中更多的含水量高、离层面较远混凝土被翻转到层面中，此方法一方面可以缓减层面混凝土含水量过低的问题，另一方面也可以通过提高层间混凝土的物质混合程度来提高层间的相互咬合力。
图 7和8为层面重塑试验结果。图 7的试验试样层面进行了密封保护，两组试样层面分别为重塑和未重塑。结果显示，在初凝之前层面不重塑其强度也不会下降，这与目前的一般认知一致，同时期层面进行重塑也没有降低层间强度，甚至比不重塑组稍微高一点，这表明层面重塑没有导致层间强度下降的副作用，重塑后两层间融合得更好，强度也会稍微提高。层间间隔时间超过初凝后，层间强度开始下降，相对层面不重塑组，层面重塑组的层间强度提高20%左右。图 8显示的试验主要考虑了间歇期中的两种层面养护方式：进行遮盖保湿和直接裸露在空气中。结果显示，保湿组试样的层间强度在进行层面重塑之后提高较少，但是对于层面不加保护直接裸露在空气中的试样来说，层面重塑后的层间强度得到了显著提升。时间间隔增加后层间强度迅速下降，12 h间隔时间试样层面不重塑时层间强度仅为本体的60%左右，但进行了层面重塑后，层间强度达到了本体的85%，相比层面不重塑，层间强度提高了40%以上。
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| 图 7 密封情况下层面重塑对层间劈拉强度的影响 |
| 图选项 |
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| 图 8 两种层面养护方式下层面重塑对层间劈拉强度的影响(温度20 ℃，湿度45%，无风) |
| 图选项 |
本试验说明，层面重塑方法能够对层间强度产生一定的增强作用，特别是在下层混凝土表面含水状况恶劣的情况下，此方法对层间强度的提高更为显著。
4 结论本文通过试验和机理研究，得出以下结论：
1) 分层浇筑混凝土的层间强度随层间浇筑间隔时间增加而减少。干燥、多风环境对下层混凝土的影响主要体现为表面的蒸发失水，导致下层含水量减少、层面干燥，从而使得层间强度快速下降。
2) 下层含水量可反映层间化学胶结力、上层骨料嵌入能力，基于此可建立下层含水量与层间强度的相关关系——强度系数与水分系数呈指数相关。因而，分层浇筑混凝土下层混凝土的含水量可作为预测层间强度的指标，从而指导大坝分层浇筑混凝土施工。
3) 本研究提出层面重塑法，通过将下层层面含水状态较差的混凝土破散并与内部状态较好的混凝土拌匀，来缓解层面极端缺水情况的影响。此方法可以提高层间强度，特别是在干燥、多风环境下层面失水严重的情况下层间强度提高显著。此方法可在一定程度上缓解乌东德大坝工程中特有环境对坯层结合质量的影响。
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