藏木水電站人工和天然骨料對大壩混凝土試驗研究

鄧長軍,楊忠義

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木水電站人工和天然骨料對大壩混凝土試驗研究

鄧長軍,楊忠義

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

通過對不同骨料組合大壩混凝土試驗研究結(jié)果表明，使用天然骨料可以減少混凝土單位用水量，降低混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和絕熱溫升值，對溫控有利；但其強度性能、早期極限拉伸值、自生體積變形等稍低于人工骨料混凝土。

藏木水電站;組合骨料;性能;試驗;混凝土

0 前 言

在水工大體積混凝土中，骨料占混凝土的質(zhì)量約為75%～90%，骨料對混凝土性能及經(jīng)濟效益等都有較大影響，所以在水利水電工程中，使用合格且質(zhì)量優(yōu)良的骨料顯得尤為重要。混凝土所使用的骨料應(yīng)根據(jù)優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、就地取材等原則來選擇。藏木水電站裝機容量510 MW，擋水建筑物壩高為116 m的混凝土重力壩，各種混凝土總共約338萬m3，需要混凝土骨料約805萬t。由于工程壩基開挖量較大，棄料較多，為了充分利用開挖料，節(jié)約資源，擬把開挖出的花崗巖作為混凝土骨料，但其開挖量偏少。而工程附近有天然砂礫石料，儲量豐富，開采、加工成本相對較低，且在同一個地質(zhì)構(gòu)造帶上，巖性相

同。因此，為了節(jié)約資源，提高利用率，將花崗巖人工骨料和天然骨料組合進行對比試驗研究，為工程設(shè)計提供參考。其組合方案列于表1。

表1 大壩混凝土骨料組合方案

1 混凝土原材料

試驗采用的峨勝P·MH42.5水泥、平?jīng)觫蚣壏勖夯覚z測結(jié)果分別見表2、3。

表2 水泥、粉煤灰化學(xué)成分

表3 水泥、粉煤灰物理力學(xué)性能

2 組合骨料對拌合物性能的影響

試驗采用峨勝中熱水泥，摻30%Ⅱ級粉煤灰、緩凝高效減水劑和引氣劑?；炷撂涠瓤刂圃?～6 cm，含氣量控制在3%～5%，其試驗結(jié)果列于表4。由表4可見，同水膠比和砂率條件下，人工骨料混凝土單位用水量比天然骨料混凝土高11 kg/m3，相應(yīng)膠材用量增加22～24 kg/m3；而組合骨料則介于二者之間。

表4 大壩混凝土拌和物性能

3 組合骨料對混凝土強度性能的影響

硬化混凝土強度往往是評價混凝土質(zhì)量的重要依據(jù)，它與混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性等有密切的關(guān)系。一般來講，混凝土的強度主要包括抗壓強度、劈拉強度、軸心抗拉強度、抗剪強度、粘結(jié)強度等，本次試驗主要針對前三項進行，其試驗結(jié)果見表5。由表5和圖1、2可見，同水膠比條件下，人工骨料混凝土抗壓強度最高，天然骨料混凝土相對最低。混凝土劈拉強度和軸拉強度亦是呈現(xiàn)上述規(guī)律。

表5 大壩混凝土強度性能

圖1 水膠比為0.45時混凝土抗壓強度 圖2 水膠比為0.45時混凝土軸拉強度

4 組合骨料對變形性能的影響

混凝土彈性模量主要與骨料性能和用量關(guān)系密切，一般來講，骨料本身彈模越大、骨料用量越多，混凝土彈性模量也就越大。由表6試驗結(jié)果可見，同水膠比條件下，天然骨料混凝土彈性模量最高，人工骨料混凝土則最低。

極限拉伸是混凝土軸向受拉斷裂時在極限狀態(tài)下的應(yīng)變值。由于混凝土的抗拉強度略為抗壓強度的十二分之一，為了防止大壩混凝土產(chǎn)生裂紋，對混凝土極限拉伸值作出限定并以該值作為混凝土抗裂性指標(biāo)之一，也是溫控設(shè)計要求的基本參數(shù)。由表6試驗結(jié)果可見，28d人工骨料混凝土極限拉伸值高于天然骨料混凝土，而90d則大致相當(dāng)。

表6 大壩混凝土變形性能

混凝土的干縮對混凝土的結(jié)構(gòu)性能影響較大，在一般使用條件下，由于混凝土干縮變形而引起的應(yīng)力足以使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生變形以至裂縫，從而降低其強度和剛度，破壞混凝土微觀結(jié)構(gòu)，降低混凝土耐久性。通過對混凝土干縮變形觀測，可分析不同原材料對混凝土干縮的影響。由圖3可見，同條件下人工骨料混凝土干縮率高于天然骨料混凝土。

由圖4混凝土自生體積變形曲線可見，混凝土呈微膨脹狀態(tài)，且隨著試驗齡期的增加，混凝土自生體積變形出現(xiàn)下降趨勢；且同條件下人工骨料混凝

土自生體積變形值高于天然骨料混凝土。

混凝土在持續(xù)荷載作用下，隨時間增長的變形稱為徐變。徐變變形包括基本徐變和干燥徐變，當(dāng)與周圍介質(zhì)沒有濕度遷移時，混凝土徐變稱為基本徐變，由于干燥而引起的徐變稱為干燥徐變。此次試驗測定的徐變?yōu)榛拘熳?。影響徐變的主要因素：水泥石和骨料的體積含量、骨料品種、水泥品種及水灰比、外加劑、溫度與濕度、加荷齡期、持荷時間及應(yīng)力強度比等。由表7可見，同條件下人工骨料混凝土徐變度稍高于天然骨料混凝土。

5 組合骨料對耐久性能的影響

混凝土的耐久性，是混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用下長期保持強度性能和外觀完整性的能力。其主要包括抗凍融性能、抗?jié)B性能、抗碳化性能、抗環(huán)境水及氣候風(fēng)化等，在試驗中選擇有針對性的對主要耐久性指標(biāo)進行檢測。由表8試驗結(jié)果可見，同條件下不同骨料組合混凝土耐久性能大致相當(dāng)。

6 組合骨料對熱學(xué)性能的影響

混凝土熱學(xué)性能是大壩溫控設(shè)計的主要參數(shù)之一，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)(λ)反應(yīng)了混凝土的熱量擴散能力。λ越大，熱量擴散越快。混凝土骨料的礦物成分對導(dǎo)熱系數(shù)起作決定性的影響。由上表可以看出，人工骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)略高于天然骨料混凝土。混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)α同導(dǎo)熱系數(shù)一樣，主要由骨料的礦物成分決定，主要用于溫度場的計算。由表9可以看出，人工骨料混凝土導(dǎo)溫系數(shù)與天然骨料混凝土基本相當(dāng)。

混凝土比熱c反應(yīng)了升、降溫過程中單位溫度、單位重量的混凝土吸收或釋放熱量的多少。混凝土用水量對比熱起決定性影響，而骨料對比熱影響較小。由表9試驗結(jié)果可見，人工骨料和天然骨料混凝土比熱基本相當(dāng)。

圖3 水膠比為0.45時混凝土干縮曲線 圖4水膠比為0.45時混凝土自生體積變形

表7 大壩混凝土徐變試驗成果

表8 大壩混凝土耐久性能

表9 大壩混凝土熱學(xué)性能

混凝土的骨料品種對線膨脹系數(shù)起主要作用。在大壩溫控設(shè)計中，線膨脹系數(shù)對溫度應(yīng)力起決定性影響，是重要的設(shè)計參數(shù)。原則上應(yīng)盡量選用線膨脹系數(shù)低的骨料。由表9試驗結(jié)果可見，人工骨料和天然骨料混凝土線膨脹系數(shù)基本相同。

混凝土絕熱溫升是大壩混凝土的一個主要控制對象。原則上應(yīng)盡量采取措施降低絕熱溫升。通過大量摻粉煤灰、設(shè)計齡期延后等方法，降低水泥用量，從而降低混凝土的絕熱溫升?；炷两^熱溫升主要由水泥用量決定，與骨料品種關(guān)系不大。如果骨料物理力學(xué)性能較差，混凝土用水量增加，導(dǎo)致水泥用量增加，也會造成絕熱溫升提高。同條件下人工骨料混凝土絕熱溫升值高于天然骨料混凝土。

7 結(jié) 語

通過對不同骨料組合大壩混凝土試驗研究結(jié)果表明，使用天然骨料可以減少混凝土單位用水量，降低混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和絕熱溫升值，對溫控有利；但其強度性能、早期極限拉伸值、自生體積變形等稍低于人工骨料混凝土。因此，對有溫控要求部位混凝土建議采用天然骨料；而結(jié)構(gòu)混凝土則可采用人工骨料。

2016-08-23

鄧長軍(1977-)，男，四川廣安人，高級工程師，從事水工混凝土原材料及性能試驗研究工作。

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