水工混凝土用不同巖性人工骨料特征參數(shù)研究

石 妍，董 蕓，張 亮，李 響

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

我國是世界上筑壩數(shù)量最多的國家，相對于其他工程來說，水工混凝土骨料粒徑大，最大達150 mm（普通混凝土骨料為40 mm）；用量比例高，占混凝土材料質(zhì)量的90%左右 （普通混凝土為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為顯著，甚至?xí)鹬鴽Q定性的作用。正如P.K.Mehta所言： “將骨料作為一種惰性填充料這種傳統(tǒng)的見解確實應(yīng)該畫上一個句號。如果不像對待水泥那樣來重視骨料，顯然是不恰當(dāng)?shù)?。”[3]

受附近料源限制，大型工程水工混凝土一般采用人工骨料，且品種多樣，如三峽、大崗山等水電工程采用花崗巖骨料，溪洛渡、金安橋等水電工程采用玄武巖骨料，沙沱、觀音巖、構(gòu)皮灘等水電工程采用最常見的灰?guī)r骨料，而錦屏水電站采用砂巖粗骨料和大理巖細骨料組合。本文選用花崗巖、玄武巖、灰?guī)r、砂巖和大理巖等5種人工骨料，從物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、長期吸水性及熱學(xué)參數(shù)等角度，對比研究骨料的特征參數(shù)，為掌握骨料特性、分析其在混凝土中的行為以及水工混凝土配合比的科學(xué)設(shè)計、骨料料場的合理選擇等提供技術(shù)支持。

1 試驗原材料及方法

試驗用5種人工骨料分別為大崗山花崗巖、溪洛渡玄武巖、沙沱灰?guī)r、錦屏砂巖和大理巖，均取自水電工程現(xiàn)場。采用鄂式破碎機，將巖石加工為水工混凝土所需的顆粒粒徑。

按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》的規(guī)定，選取尺寸為0～5 mm的細骨料顆粒以及5～20 mm的粗骨料顆粒，進行骨料的物理力學(xué)性能指標(biāo)檢測。采用粒徑20～40 mm的粗骨料顆粒，測試不同泡水時間的飽和面干吸水率，根據(jù)測試結(jié)果繪制吸水速率過程線。

按照GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析方法》的規(guī)定，采用化學(xué)滴定法對粒徑0～0.16 mm的石粉進行化學(xué)成份分析。篩取粒徑小于0.315 mm的細顆粒，沖洗烘干后置于裝有1.00 mol/L氫氧化鈉溶液的反應(yīng)器中，密閉反應(yīng)器并放入80℃的恒溫水浴中，24h后取出，冷卻后將溶液與細顆粒樣品分離，細顆粒烘干進行SEM觀測，以觀察骨料的表面化學(xué)穩(wěn)定性。將巖石加工為φ8 mm×50 mm和60 mm×100 mm×10 mm的樣本，分別采用熱膨脹系數(shù)測量儀和導(dǎo)熱系數(shù)測量儀，測定不同巖石的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同骨料的物理力學(xué)性質(zhì)

原巖的成因決定了混凝土骨料的組成及反應(yīng)活性[4]。用于混凝土生產(chǎn)的骨料應(yīng)具有較高的固有強度、韌性和穩(wěn)定性，以便能抵御各種靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力、沖擊及磨蝕作用，而不會導(dǎo)致混凝土性能的下降[5]。因此，在骨料選擇及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮骨料的力學(xué)性質(zhì)及其對混凝土性能的影響。5種不同巖性骨料的檢測結(jié)果見表1。

表1 骨料品質(zhì)檢測結(jié)果

對于水工混凝土用骨料，表觀密度、堅固性及壓碎指標(biāo)均為重要的物理力學(xué)參數(shù)。骨料的表觀密度取決于組成骨料礦物的密度及其孔隙率。試驗用5種細骨料表觀密度在2 640～2 920 kg/m3之間，粗骨料在2 660～2 930 kg/m3之間，花崗巖最小，玄武巖最大，即同體積的玄武巖骨料混凝土最重。

在氣候、環(huán)境變化或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力即骨料的堅固性，通過硫酸鈉溶液法5次循環(huán)后的質(zhì)量損失率來表示。對于有抗凍、抗疲勞、抗沖磨要求或處于水中含有腐蝕介質(zhì)并經(jīng)常處于水位變化區(qū)的混凝土，環(huán)境條件和使用條件較惡劣，堅固性要求較嚴，細骨料和粗骨料質(zhì)量損失率應(yīng)分別不大于8%和5%。本試驗細骨料堅固性在1.9%～5.3%之間，粗骨料在0.6%～1.6%之間，均滿足設(shè)計要求。

壓碎指標(biāo)通過被壓碎顆粒的質(zhì)量百分比表示，指標(biāo)值越低，說明石料抵抗壓碎的能力越強，而壓碎指標(biāo)過大的粗骨料可能在高強混凝土中被壓碎。5種粗骨料抗壓碎能力由大到小為：玄武巖>灰?guī)r>砂巖>花崗巖>大理巖。根據(jù)骨料的不同成因類別，DL/T 5144—2001《水工混凝土施工規(guī)范》對壓碎指標(biāo)的要求也不同，根據(jù)測試結(jié)果，5種粗骨料均可用于配制C9055~C9040強度等級的混凝土。

2.2 不同骨料的化學(xué)性質(zhì)

骨料的化學(xué)性質(zhì)主要是指骨料的化學(xué)反應(yīng)活性以及其對混凝土耐久性能的影響。骨料中如果存在有害物質(zhì)，會妨礙水泥的水化過程，影響骨料與水泥漿體的粘結(jié)。如果骨料本身含有一些活性物質(zhì)，并與水泥中的堿產(chǎn)生堿骨料膨脹反應(yīng)，將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。資料表明[4]，花崗巖類巖石一般不含高活性的非晶質(zhì)蛋白石、纖維狀玉髓和穩(wěn)晶質(zhì)石英，僅部分花崗巖含有低活性微晶石英。玄武巖中石英含量較少且顆粒細小，基本是隱晶質(zhì)微晶石英，部分玄武巖杏仁中還含有高活性玉髓。而石英砂巖的石英一般顆粒較細小，不含高活性的非晶質(zhì)蛋白石，含有隱晶質(zhì)微晶石英和微晶石英，部分石英砂巖還含有高活性硅質(zhì)巖屑和流紋巖屑。不同巖性骨料的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，堿溶液浸泡后的不同骨料外觀見圖1。

表2 骨料化學(xué)成分分析結(jié)果 %

試驗結(jié)果表明，花崗巖、玄武巖以及砂巖屬硅質(zhì)骨料，主要成分為SiO2，而灰?guī)r、大理巖屬鈣質(zhì)骨料，主要成分為CaO。經(jīng)過氫氧化鈉溶液浸泡后，灰?guī)r、大理巖骨料結(jié)晶結(jié)構(gòu)清晰，界面明顯，表面殘留堿溶液顆粒，但骨料本身無反應(yīng)跡象，表面化學(xué)穩(wěn)定性良好；花崗巖表面較圓潤，結(jié)構(gòu)不夠均勻，塊狀構(gòu)造已不明顯；玄武巖骨料表面圓潤，且疑有反應(yīng)產(chǎn)物；砂巖骨料結(jié)構(gòu)疏松，空隙明顯，表面未見堿溶液顆粒。因此，灰?guī)r與大理巖的表面化學(xué)穩(wěn)定性良好。花崗巖、玄武巖和石英砂巖用作混凝土骨料時，為確?；炷恋哪途眯院凸こ贪踩?，應(yīng)使用低堿水泥或摻入一定量的粉煤灰，并嚴格控制混凝土的總堿量，以防止發(fā)生危害性的堿骨料反應(yīng)。

圖1 堿溶液浸泡后的不同巖性骨料外觀

2.3 不同骨料的長期吸水特性

骨料的吸水率一般以浸泡在水中24 h吸收的水分來確定，但不同品種骨料原巖的成因不同，骨料的孔隙結(jié)構(gòu)及吸水特性也不同。不同巖性骨料的吸水速率見圖2。從圖2可知，骨料的吸水過程是長期的，24 h之前速率很快，后期增長緩慢；至365天，花崗巖、玄武巖、灰?guī)r、砂巖及大理巖的吸水率分別為0.53%、0.51%、0.29%、0.84%及0.31%。24 h吸水率分別為1年的81%、53%、76%、64%及84%。其中，砂巖骨料的吸水率最高，玄武巖骨料的后期增長最顯著。

圖2 不同巖性骨料的吸水速率

骨料最初的吸水過程是水將大孔中的氣體排開，因此這一階段的吸水率增長較快。隨后的氣體逸出要先溶入在液相中，并通過擴散傳遞，這一階段的吸水速率也就較為緩慢。骨料中較大的孔隙對其后期的吸水不會產(chǎn)生明顯的影響，而細小的毛細孔隙的吸水則是一個長期的過程[5]。試驗采用的錦屏砂巖骨料孔隙大且多為開口孔，其吸水率最高，會增加拌制混凝土的用水量及早期收縮；而溪洛渡玄武巖內(nèi)部具有較多的閉口小氣孔，其吸水過程較漫長，有可能影響混凝土后期的自收縮及干縮[6]。

2.4 不同骨料的熱學(xué)參數(shù)

水工大體積混凝土的澆筑需考慮熱穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性，其中骨料熱學(xué)參數(shù)的影響極其重要。一方面具有較高熱膨脹系數(shù)的骨料會使混凝土的熱體積穩(wěn)定性下降，另一方面骨料與水泥漿的熱膨脹系數(shù)差異較大時，會造成較大的內(nèi)應(yīng)力，對混凝土的抗凍性影響明顯。

不同巖性巖石的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表3，平均熱膨脹系數(shù)曲線見圖3。試驗結(jié)果表明，不同品種巖石熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度的升高而增加，大小順序為：砂巖>花崗巖>玄武巖>大理巖>灰?guī)r。試驗用石英砂巖熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)最高；而灰?guī)r的熱穩(wěn)定性最佳，有利于大體積混凝土的體積穩(wěn)定性。

表3 不同巖性骨料的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)

圖3 不同品種巖石的平均熱膨脹系數(shù)

骨料原巖的熱學(xué)參數(shù)隨骨料礦物組成及含量的變化而變化，石英具有較高的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，而長石較低[5]。因此，兩者的含量對骨料原巖的熱學(xué)參數(shù)有重要影響，均隨其石英含量的增加而增加。另外，骨料中的孔隙被認為是熱的不良導(dǎo)體，而骨料中的水分則會增加熱傳導(dǎo)。

3 結(jié) 語

（1）花崗巖、玄武巖、灰?guī)r、砂巖和大理巖5種細骨料表觀密度在2 640～2 920 kg/m3之間，粗骨料在2 660～2 930 kg/m3之間，花崗巖最小，玄武巖最大。細骨料堅固性在1.9%～5.3%之間，粗骨料在0.6%～1.6%之間，均滿足相關(guān)設(shè)計要求。5種粗骨料抗壓碎能力由大到小為：玄武巖>灰?guī)r>砂巖>花崗巖>大理巖，可滿足C9055~C9040混凝土的配制要求。

（2）花崗巖、玄武巖及砂巖為硅質(zhì)骨料，灰?guī)r、大理巖為鈣質(zhì)骨料。灰?guī)r與大理巖的表面化學(xué)穩(wěn)定性良好；而花崗巖、玄武巖和石英砂巖用作混凝土骨料時應(yīng)采取相應(yīng)措施，以防止發(fā)生危害性的堿骨料反應(yīng)。

（3）骨料的吸水過程是長期的，24 h之前速率很快，后期增長緩慢；花崗巖、玄武巖、灰?guī)r、砂巖及大理巖的24 h吸水率分別為1年的81%、53%、76%、64%及84%，砂巖骨料的吸水率最高，但玄武巖骨料的后期增長顯著，有可能影響混凝土長期收縮。

（4）石英砂巖熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)最高；而灰?guī)r的熱穩(wěn)定性最佳，有利于大體積混凝土的體積穩(wěn)定性。

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［2］劉秉京.混凝土技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

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［6］SHI Yan,LI Jiazheng.Research on effect of aggregate variety on concrete volume deformation.Advanced Materials Research ［J］.2011,148-149:462-466.