組合骨料對全級配混凝土性能影響研究

陳治旭，張建峰，董 蕓

(1.貴州華電烏江水電工程項目管理有限公司，貴州 貴陽 550002；2.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010)

0 前 言

骨料是混凝土的重要組成部分，在水工混凝土中占混凝土材料總質量的90%左右，普通混凝土75%～80%[1-2]，因此，不同的骨料特性對水工混凝土性能的影響尤其顯著和重要，甚至會起決定性作用[3]。受附近料源的限制，水工混凝土中人工骨料的品種是多樣的，骨料的性質是影響水電工程質量和耐久性的關鍵因素之一，密切關系到大壩的安全與服役壽命[4-6]。水利水電工程由于混凝土方量大，往往就地取材，但隨著我國水電開發逐漸轉向金沙江、大渡河、雅礱江、瀾滄江等水系上游地區，當地骨料巖性和礦物組成復雜，導致骨料的特性相差較大，進而影響混凝土的質量。總的來說，灰巖強度適中、易于加工、骨料粒形好、熱學性能佳，是人工骨料中的首選，花崗巖也較理想，但玄武巖、石英巖等巖石強度高、彈模大、針片狀顆粒多、粒形稍差，砂巖則是彈性高、多孔吸水。但工程現場單一料源多少會有一定的缺陷，如何更好的利用現有骨料已經成為水電工程建設面臨的一個難點。組合骨料可以充分利用不同骨料的優勢，進而提升混凝土性能，本文通過研究不同巖性組合骨料對全級配混凝土性能的影響，為組合骨料在水工混凝土中的進一步應用提供支撐。

1 原材料

試驗用水泥為四川峨嵋P·O42.5中熱硅酸鹽水泥，粉煤灰由云南宣威電廠生產的F類Ⅰ級粉煤灰，外加劑分別為浙江龍游五強混凝土外加劑有限公司生產的ZB-1 A型緩凝高效減水劑和上海麥斯特建材有限公司生產的AIR 202型引氣劑，這幾種原材料均滿足相應標準的要求。

試驗使用了兩種巖性的細骨料，大理巖人工砂和砂巖人工砂，粗骨料為砂巖，表觀密度為2.70 g/cm3。砂子的品質檢驗結果見表1，顆粒分布見表2。

表1 人工砂的品質檢驗結果

表2 人工砂顆粒分布 %

試驗結果表明：大理巖砂粒徑小于0.16 mm及2.50～5.00 mm的顆粒較多；砂巖砂中粒徑大于2.5 mm的顆粒略多，級配曲線基本在中砂線范圍內。

2 全級配混凝土性能試驗研究

2.1 配合比及試件尺寸

對全砂巖骨料和組合骨料(大理巖砂+砂巖粗骨料)混凝土分別進行全級配混凝土性能試驗，試驗采用峨嵋中熱水泥，水膠比0.43，粉煤灰摻量35%，特大石、大石、中石、小石組合比例35∶25∶20∶20。全級配混凝土配合比和拌和物性能見表3。試驗結果表明，使用砂巖砂，大壩混凝土用水量為97 kg/m3，使用大理巖砂，大壩混凝土用水量為89 kg/m3，全砂巖骨料混凝土用水量比組合骨料混凝土用水量多8 kg/m3左右。此外，盡管組合骨料所使用的大理巖砂石粉含量很高，達到了29.8%，但全砂巖骨料混凝土的和易性比組合骨料混凝土差，且達到相同含氣量時，所需引氣劑摻量較多。

全級配混凝土的拌和、成型、養護及性能試驗均按《水工混凝土試驗規程》(DL/T5150—2017)的相關規定進行。全級配混凝土拌和成型同時，成型濕篩混凝土小試件作為陪伴試件，以比較全級配大尺寸混凝土與濕篩小試件混凝土之間的性能差異。配合比見表3。

表3 不同骨料組合全級配混凝土試驗配合比

2.2 力學性能

不同骨料組合全級配及濕篩混凝土的抗壓強度和抗拉強度見圖1，全級配混凝土抗拉強度試驗斷裂面情況圖2。

圖1 不同骨料組合全級配混凝土力學性能

由試驗結果可知：全砂巖骨料全級配混凝土各齡期的抗壓強度均略低于組合骨料全級配混凝土，與濕篩混凝土規律相同。兩種不同骨料組合的全級配混凝土，7 d齡期抗壓強度均略高于濕篩混凝土，28 d齡期及以后各齡期的抗壓強度則略低于濕篩混凝土，但全級配混凝土與濕篩混凝土各齡期的抗壓強度及抗壓強度增長率相差不大。與濕篩混凝土規律相同，全砂巖骨料全級配混凝土各齡期的抗拉強度略低于組合骨料全級配混凝土。全級配混凝土28 d齡期及以后各齡期的抗拉強度均明顯低于濕篩混凝土，這與全級配混凝土中大尺寸骨料引入的較多界面缺陷有關，從全級配混凝土軸拉試件斷裂面也可以看到，拉伸試驗試件破壞時，有較多大骨料被拉斷，也有部分大骨料被拔出。骨料占據混凝土體積比為2/3甚至更高，骨料的類型和尺寸是影響界面過渡區(ITZ)結構形成和隨后混凝土損傷過程的重要參數。界面粘結性能是混凝土抗拉強度的決定因素，骨料-水泥基質的界面的結合強度取決于三種不同的機理作用[7]，分別是：水泥水化產物與骨料表面粗糙度的機械咬合作用、水化產物在骨料表面的晶體取向性，以及水化水泥漿體和骨料之間因化學反應而產生的物理-化學粘結。

2.3 變形性能

不同骨料組合全級配混凝土的干縮試驗結果和自生體積變形試驗結果見圖3。從圖3可以看到，在其他條件相同時，組合骨料的全級配混凝土干縮率比全砂巖骨料的小，這主要是由于全砂巖骨料混凝土的單位用水量更大，膠材用量多，其干縮率也更大。

圖3 全級配混凝土變形性能變形隨時間變化的關系曲線

全砂巖骨料全級配混凝土和組合骨料全級配混凝土的自生體積變形均為收縮變形，且隨齡期增長收縮變形增大，到50d齡期左右趨于穩定，其自生體積變形趨勢保持一致，全級配全砂巖骨料混凝土與組合骨料混凝土360 d齡期自生體積收縮變形分別為30×10-6和22×10-6，360 d全砂巖骨料混凝土略高。這是由于石英砂巖與大理巖的物理特性不同，前者屬于沉積巖，由原生物碎屑組成，而后者屬于變質巖，由石灰巖重結晶而成，具有顆粒緊密的粒狀變晶結構；混凝土持荷收縮受細骨料影響明顯，而自收縮受粗骨料特性影響明顯[8-9]。

2.4 耐久性能

全級配混凝土抗滲性試驗參照《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150—2017)濕篩小尺寸混凝土相對滲透性試驗方法進行。從180d齡期的全級配混凝土試件(尺寸450 mm×450 mm×450 mm)中鉆取尺寸為φ100 mm×300 mm的芯樣，參照抗凍試驗方法對全級配混凝土芯樣進行快速凍融試驗，測定全級配混凝土的抗凍性能。不同骨料組合全級配混凝土耐久性試驗結果見表4，不同骨料組合全級配混凝土的相對滲透系數和平均滲水高度比較見圖4。

表4 全級配混凝土抗凍試驗結果

(a) 相對滲透系數

(b) 滲水高度圖4 全級配混凝土抗滲性能

試驗結果表明，全砂巖骨料全級配混凝土的滲透系數小于組合骨料全級配混凝土，抗滲性能較好。兩種骨料組合全級配混凝土的抗滲等級均大于W16，抗凍等級均大于F300。。經過300次凍融循環后，部分試件出現骨料脫落現象，其他試件表面光滑、完好，全砂巖骨料全級配混凝土芯樣的相對動彈性模量大于組合骨料混凝土，抗凍性能較好。但相對動彈性模量均接近60%，這是由于全級配混凝土內部的大尺寸骨料對全級配混凝土的抗凍性影響較大，由于骨料尺寸增大引起混凝土內部結構不均勻性增加，缺陷和薄弱環節增加，使凍融循環過程中，全級配混凝土內部過渡區微裂縫發展更快，損傷更嚴重。

3 結 論

1)組合骨料混凝土各齡期抗壓強度高于全砂巖骨料混凝土，到180d齡期，全砂巖骨料混凝土的抗拉強度與組合骨料混凝土相近。

2)全砂巖骨料混凝土的干燥收縮率高于組合骨料混凝土。但早期(14d前)組合骨料混凝土的干縮大于全砂巖骨料混凝土，這可能與5#大理巖砂石粉含量偏高有關，導致其混凝土用水量和膠材用量高。組合骨料與全砂巖骨料混凝土的自生體積變形差異不大。

3)全砂巖骨料和組合骨料混凝土的抗凍等級均大于F300，抗滲等級均大于W16，均能滿足設計要求。綜合全級配混凝土的試驗結果，全砂巖骨料混凝土的抗滲、抗凍性能略優于組合骨料全級配混凝土。

4)綜合全級配混凝土的力學、變形、耐久等性能試驗結果，組合骨料混凝土的綜合性能優于全砂巖骨料混凝土。

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