摻磷渣粉全級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)研究

石妍，李家正，楊華全

摻磷渣粉全級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)研究

石妍，李家正，楊華全

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢430010）

試驗(yàn)研究摻磷渣粉全級(jí)配混凝土的力學(xué)、變形及抗?jié)B性能，并與濕篩混凝土進(jìn)行對(duì)比，期望為理論研究和工程實(shí)踐提供參考。結(jié)論表明：全級(jí)配與濕篩混凝土試件抗壓強(qiáng)度差別不大，全級(jí)配混凝土的軸拉強(qiáng)度約為濕篩試件的60%～73%；全級(jí)配混凝土的軸拉強(qiáng)度小于劈拉強(qiáng)度。全級(jí)配混凝土的抗壓彈模比濕篩小試件高，大骨料的存在對(duì)泊松比影響不大，受影響最大的是極限拉伸性能。全級(jí)配及濕篩混凝土試件的28 d抗?jié)B等級(jí)都達(dá)到W10，但前者更能真實(shí)地反映大體積混凝土的抗?jié)B性。

磷渣粉；全級(jí)配混凝土；強(qiáng)度；變形；抗?jié)B性能

全級(jí)配混凝土即粗骨料混凝土，是最大粒徑為120～150 mm的大體積混凝土，粗骨料含量高達(dá)60%～70%［1］，全級(jí)配混凝土中膠凝材料含量、骨料含量及粒徑等，與濕篩混凝土完全不同，他們的力學(xué)、變形等性能差別也很大。因此早在20世紀(jì)70年代中期［2］，美國(guó)肯務(wù)局制定的混凝土重力壩和拱壩的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中就明確規(guī)定，大壩混凝土的強(qiáng)度、彈性模量等特性的測(cè)試，必須采用包括全部級(jí)配骨料的全級(jí)配混凝土，同時(shí)規(guī)定試件最小尺寸必須大于最大骨料粒徑的3倍，亦即在大壩設(shè)計(jì)時(shí)采用的混凝土特性參數(shù)，必須采用全級(jí)配混凝土大試件試驗(yàn)獲得。由于全級(jí)配混凝土試件體積大，需要大噸位的加載設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)備要求都很高，相應(yīng)試驗(yàn)成本也隨之升高，這方面的試驗(yàn)研究不太多。磷渣粉活性與礦渣不相上下，作為水泥混凝土摻和料在大壩中的應(yīng)用具有廣闊前景，但目前的開發(fā)和利用還處于起步階段，因此，本文基于摻磷渣粉的全級(jí)配混凝土試驗(yàn)，對(duì)成型養(yǎng)護(hù)方法及硬化性能進(jìn)行研究，期望為理論研究和工程實(shí)踐提供參考。

1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用原材料包括：42．5中熱硅酸鹽水泥，系貴州江電葛洲壩水泥廠生產(chǎn)；甕福黃磷廠生產(chǎn)的電爐磷渣（80μm篩篩余10%以內(nèi)）；Ⅱ級(jí)粉煤灰來(lái)自貴州凱里電廠；試驗(yàn)用砂為某工程爛泥溝砂石系統(tǒng)加工的灰?guī)r人工砂，碎石由某工程觀景料場(chǎng)灰?guī)r軋制而成，骨料的品質(zhì)符合DL／T 5144-2001的相關(guān)技術(shù)要求。摻磷渣粉混凝土全級(jí)配試驗(yàn)配合比見表1。

表1 全級(jí)配混凝土試驗(yàn)配合比Table 1 Mix of full-graded concrete

2 試驗(yàn)方法

全級(jí)配混凝土的試驗(yàn)方法按照DL／T5100-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。每個(gè)齡期成型1組，每組3個(gè)試件。強(qiáng)度試件尺寸為450 mm× 450 mm×450 mm，抗壓彈模及泊松比試件尺寸為Ф450 mm×900 mm，極限拉伸試件尺寸為450 mm ×450 mm×1 350 mm，抗?jié)B試件尺寸為Ф450 mm ×450 mm。

全級(jí)配混凝土大試件采用室外自然灑水養(yǎng)護(hù)，同時(shí)成型的濕篩小試件分別采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和平行養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)指養(yǎng)護(hù)溫度20℃±3℃，濕度95%；自然灑水養(yǎng)護(hù)指按武漢市室外溫度養(yǎng)護(hù)，灑水并覆蓋濕麻袋保濕，試件的成型時(shí)間為夏季，平均氣溫25℃～30℃，冬季室內(nèi)平均氣溫10℃～20℃。

全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度試件在20 000 kN的壓力試驗(yàn)機(jī)上觀測(cè)，劈拉強(qiáng)度及彈模在5 000 kN的壓力試驗(yàn)機(jī)上觀測(cè)，抗壓彈模的變形分別采用150，300 mm的應(yīng)變片及千分表進(jìn)行觀測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2，全級(jí)配與濕篩試件的抗壓強(qiáng)度比較見圖1?；炷量估瓘?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of concrete compressive strength

圖1 全級(jí)配與濕篩試件的抗壓強(qiáng)度比較圖Fig．1 Compressive strength contrast between full graded and wet-screened concretes

試驗(yàn)結(jié)果表明：①自然灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，全級(jí)配混凝土7 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度與濕篩混凝土基本相當(dāng)，28 d齡期和90 d齡期的抗壓強(qiáng)度比濕篩小試件略高，180 d齡期的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。②標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的濕篩試件，早期抗壓強(qiáng)度較低，但后期增長(zhǎng)快，最終強(qiáng)度最高。③全級(jí)配混凝土的抗拉強(qiáng)度約為濕篩混凝土的60%～73%；全級(jí)配混凝土軸拉強(qiáng)度小于劈拉強(qiáng)度；全級(jí)配的抗拉彈模稍大。

分析原因［3］，全級(jí)配混凝土與濕篩小試件立方體強(qiáng)度相當(dāng)或略高，并不違背尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，濕篩小試件由于砂漿含量高，含氣量大，對(duì)混凝土強(qiáng)度有降低作用，全級(jí)配試件雖然骨料粒徑較大，骨料含量較多，試件尺寸大，但混凝土中的含氣量較少，且粗骨料的骨架作用大，這些因素的相互影響最終導(dǎo)致全級(jí)配混凝土試件的強(qiáng)度并不比濕篩小試件低。

全級(jí)配混凝土大試件的抗拉強(qiáng)度較濕篩小試件的小，這是因?yàn)槟z凝材料用量是影響混凝土抗拉強(qiáng)度的主要因素，濕篩混凝土提高了其膠凝材料的相對(duì)用量，因而其劈拉強(qiáng)度比全級(jí)配混凝土高［3］；而且因?yàn)榇止橇系慕缑娼Y(jié)合隨著骨料粒徑的增大，因泌水、振搗不實(shí)等產(chǎn)生的薄弱面也隨之增加，降低了抗拉強(qiáng)度［4］。所以，全級(jí)配混凝土大試件的劈拉強(qiáng)度會(huì)較相應(yīng)濕篩混凝土小試件低。有關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)論也證實(shí)了這一點(diǎn)［5］。

全級(jí)配混凝土軸拉強(qiáng)度小于劈拉強(qiáng)度，這是因?yàn)樵谂囼?yàn)時(shí)，破壞面是指定的；而在軸拉時(shí)，斷裂面總是發(fā)生在薄弱面上。在全級(jí)配混凝土中由于大骨料的存在，它的膠結(jié)面、大骨料底部可能存在的水隙，使其薄弱斷面產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性比濕篩混凝土試件更大，故相對(duì)來(lái)說(shuō)全級(jí)配混凝土的劈拉強(qiáng)度要大一些［1］。

3．2變形

3．2．1抗壓彈模和泊松比

全級(jí)配及濕篩混凝土抗壓彈模和泊松比的試驗(yàn)結(jié)果見表4，全級(jí)配及濕篩的抗壓彈模比較見圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明：

表3 混凝土抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of concrete tensile strength and ultimate tensile strain

表4 混凝土抗壓彈模和泊松比試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of concrete compressive elastic modulus and Poisson's ratio

圖2 全級(jí)配及濕篩的抗壓彈模比較圖（應(yīng)變片法）Fig．2 Compressive elastic modulus contrast between full graded and wet-screened concretes

全級(jí)配混凝土的抗壓彈模比濕篩小試件高，用千分表方法和應(yīng)變片方法測(cè)量的結(jié)果基本一致；對(duì)于濕篩試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的早期抗壓彈模較低，但后期增長(zhǎng)快，最終高于自然灑水養(yǎng)護(hù)的抗壓彈模；全級(jí)配試件與小試件的泊松比均在0．21～0．24之間，兩者基本相同，可見大骨料的存在及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)泊松比的影響較小。

7 d時(shí)，全級(jí)配大試件的彈性模量是濕篩小試件的1．18倍；180 d齡期時(shí)，該值為1．08。早齡期時(shí)大小試件的彈模比相差較大，隨著齡期的增長(zhǎng)，該比值逐漸減小。這主要是早齡期時(shí)，大試件中大石及特大石所起的骨架作用較明顯，而隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度增加，其骨架作用相對(duì)減弱。因此，隨著齡期的增長(zhǎng)，全級(jí)配與濕篩混凝土彈性模量逐漸接近。二灘全級(jí)配混凝土圓柱體大試件的平均彈性模量與相應(yīng)濕篩小試件的比值，在28，180，365 d時(shí)分別為1．22，1．07和1．02；大河口全級(jí)配混凝土圓柱體大試件的彈性模量與相應(yīng)濕篩小試件的比值在28 d齡期時(shí)為1．18。從大小試件彈模比來(lái)看，本次試驗(yàn)的結(jié)果與其它試驗(yàn)成果相吻合［6］。

3．2．2極限拉伸值

混凝土極限拉伸值試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，全級(jí)配混凝土與濕篩混凝土試件的的極限拉伸比值為47%～63%，隨著齡期的發(fā)展兩者差距逐漸縮小。這個(gè)比值在幾個(gè)參數(shù)比值中是最低的，可見大骨料的存在對(duì)混凝土的極限拉伸性能影響最大。混凝土的極限拉伸值與灰漿率直接相關(guān)，濕篩試驗(yàn)去除粒徑大于40mm的粗骨料，使得極限拉伸試驗(yàn)試件的灰漿率大于全級(jí)配混凝土的灰漿率；而且因?yàn)榇止橇系慕缑娼Y(jié)合隨著骨料粒徑的增大，因泌水、振搗不實(shí)等產(chǎn)生的薄弱面也隨之增加，降低了極限拉伸值，所以，濕篩所得混凝土極限拉伸值大于全級(jí)配混凝土的極限拉伸值［4］。

3．3抗?jié)B性能

全級(jí)配混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢姡?jí)配混凝土大試件及濕篩小試件28 d抗?jié)B等級(jí)都達(dá)到W10；相比之下，全級(jí)配試件90 d滲水高度達(dá)到15 cm，幾乎是濕篩試件5．2 cm的3倍，究其原因是濕篩后骨料大量減少，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加，所以滲透性小。因此，濕篩試件提高了大體積混凝土本身的密實(shí)性，沒(méi)有真實(shí)地反映混凝土的抗?jié)B性。

表5 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of concrete impermeabilitytest

4 結(jié)論

為真實(shí)反映摻磷渣粉全級(jí)配混凝土的性能，本文開展了摻磷渣粉全級(jí)配混凝土的試驗(yàn)研究，通過(guò)力學(xué)、變形及抗?jié)B性能比較，得出以下結(jié)論：

（1）摻磷渣粉全級(jí)配與濕篩混凝土試件相比，7 d立方體抗壓強(qiáng)度基本相等，28 d和90 d略高，180 d相當(dāng)；全級(jí)配混凝土的抗拉強(qiáng)度約為濕篩混凝土的60%～73%；全級(jí)配混凝土的軸拉強(qiáng)度小于劈拉強(qiáng)度。

（2）全級(jí)配混凝土的抗壓彈模比濕篩小試件高，全級(jí)配試件與濕篩小試件的泊松比均在0．21～0．24之間；大骨料的存在對(duì)混凝土的極限拉伸性能影響最大，全級(jí)配混凝土的極限拉伸值僅為濕篩試件的47%～63%。

（3）全級(jí)配及濕篩混凝土試件的28 d抗?jié)B等級(jí)都達(dá)到W10，但前者更能真實(shí)地反映大體積混凝土的抗?jié)B性。

［1］王仲華，陳如華．三峽大壩全級(jí)配混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1998，15（1）：1-5．

［2］ACI Committee 207．Mass concrete［R］．Detroit：Journal of the American Concrete Institute，1987．

［3］楊成球，吳政．全級(jí)配混凝土基本力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］．水利水電科技進(jìn)展，2000，20（3）：29-32，60．

［4］方坤河．碾壓混凝土材料、結(jié)構(gòu)與性能［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2004．

［5］A．M．內(nèi)維爾．混凝土性能［M］．李國(guó)泮，馬貞勇，譯．北京：中國(guó)建筑出版社，1983．

［6］李光偉，吳政．溪洛渡水電站人工骨料全級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)研究［J］．水電站設(shè)計(jì)，1999，15（2）：101-107．

（編輯：王慰）

Experimental Study on Full-graded Concrete Properties with Phosphorus Slag Power

SHI Yan，LI Jia-zheng，YANG，Hua-quan
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The mechanics，deformation and permeability of full-graded concrete with phosphorus slag power were studied，and contrasted with those of wet-screened concrete．Results show as follows：Both compressive strengths have a little difference；Tensile strength of the former is 60%to 73%of the later；The compressive elastic modulus of the large specimen is higher than that of the small specimen；The effect of large aggregates on ultimate tensile value is remarkable than on Poisson's ratio；Both impermeability grades at 28 d all reach W10，but the former can better reflect the true impermeability of large volume concrete．

Phosphorous slag powder；full-graded concrete；strength；deformation；impermeabilit y

TU528

A

1001-5485（2009）02-0053-04

2008-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50539010）及948項(xiàng)目（2000606）

石妍（1979-），女，河南新鄉(xiāng)人，博士，主要從事水工建筑材料研究，（電話）027-82926347（電子信箱）shiyan0817＠yahoo．com．cn。