組合骨料對(duì)全級(jí)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(xiàng)目管理有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)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(zhì)量的90%左右，普通混凝土75%～80%[1-2]，因此，不同的骨料特性對(duì)水工混凝土性能的影響尤其顯著和重要，甚至?xí)饹Q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(zhì)是影響水電工程質(zhì)量和耐久性的關(guān)鍵因素之一，密切關(guān)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(guó)水電開(kāi)發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向金沙江、大渡河、雅礱江、瀾滄江等水系上游地區(qū)，當(dāng)?shù)毓橇蠋r性和礦物組成復(fù)雜，導(dǎo)致骨料的特性相差較大，進(jìn)而影響混凝土的質(zhì)量。總的來(lái)說(shuō)，灰?guī)r強(qiáng)度適中、易于加工、骨料粒形好、熱學(xué)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(qiáng)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(xiàn)場(chǎng)單一料源多少會(huì)有一定的缺陷，如何更好的利用現(xiàn)有骨料已經(jīng)成為水電工程建設(shè)面臨的一個(gè)難點(diǎn)。組合骨料可以充分利用不同骨料的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提升混凝土性能，本文通過(guò)研究不同巖性組合骨料對(duì)全級(jí)配混凝土性能的影響，為組合骨料在水工混凝土中的進(jìn)一步應(yīng)用提供支撐。

1 原材料

試驗(yàn)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(chǎn)的F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰，外加劑分別為浙江龍游五強(qiáng)混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)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(chǎn)的AIR 202型引氣劑，這幾種原材料均滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

試驗(yàn)使用了兩種巖性的細(xì)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(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，顆粒分布見(jiàn)表2。

表1 人工砂的品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

表2 人工砂顆粒分布 %

試驗(yàn)結(jié)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(jí)配曲線(xiàn)基本在中砂線(xiàn)范圍內(nèi)。

2 全級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)研究

2.1 配合比及試件尺寸

對(duì)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(jìn)行全級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)，試驗(yàn)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(jí)配混凝土配合比和拌和物性能見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)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(dá)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(dá)到相同含氣量時(shí)，所需引氣劑摻量較多。

全級(jí)配混凝土的拌和、成型、養(yǎng)護(hù)及性能試驗(yàn)均按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150—2017)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。全級(jí)配混凝土拌和成型同時(shí)，成型濕篩混凝土小試件作為陪伴試件，以比較全級(jí)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(jiàn)表3。

表3 不同骨料組合全級(jí)配混凝土試驗(yàn)配合比

2.2 力學(xué)性能

不同骨料組合全級(jí)配及濕篩混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度見(jiàn)圖1，全級(jí)配混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)斷裂面情況圖2。

圖1 不同骨料組合全級(jí)配混凝土力學(xué)性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知：全砂巖骨料全級(jí)配混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均略低于組合骨料全級(jí)配混凝土，與濕篩混凝土規(guī)律相同。兩種不同骨料組合的全級(jí)配混凝土，7 d齡期抗壓強(qiáng)度均略高于濕篩混凝土，28 d齡期及以后各齡期的抗壓強(qiáng)度則略低于濕篩混凝土，但全級(jí)配混凝土與濕篩混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率相差不大。與濕篩混凝土規(guī)律相同，全砂巖骨料全級(jí)配混凝土各齡期的抗拉強(qiáng)度略低于組合骨料全級(jí)配混凝土。全級(jí)配混凝土28 d齡期及以后各齡期的抗拉強(qiáng)度均明顯低于濕篩混凝土，這與全級(jí)配混凝土中大尺寸骨料引入的較多界面缺陷有關(guān)，從全級(jí)配混凝土軸拉試件斷裂面也可以看到，拉伸試驗(yàn)試件破壞時(shí)，有較多大骨料被拉斷，也有部分大骨料被拔出。骨料占據(jù)混凝土體積比為2/3甚至更高，骨料的類(lèi)型和尺寸是影響界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)結(jié)構(gòu)形成和隨后混凝土損傷過(guò)程的重要參數(shù)。界面粘結(jié)性能是混凝土抗拉強(qiáng)度的決定因素，骨料-水泥基質(zhì)的界面的結(jié)合強(qiáng)度取決于三種不同的機(jī)理作用[7]，分別是：水泥水化產(chǎn)物與骨料表面粗糙度的機(jī)械咬合作用、水化產(chǎn)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(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的物理-化學(xué)粘結(jié)。

2.3 變形性能

不同骨料組合全級(jí)配混凝土的干縮試驗(yàn)結(jié)果和自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看到，在其他條件相同時(shí)，組合骨料的全級(jí)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(jí)配混凝土變形性能變形隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)

全砂巖骨料全級(jí)配混凝土和組合骨料全級(jí)配混凝土的自生體積變形均為收縮變形，且隨齡期增長(zhǎng)收縮變形增大，到50d齡期左右趨于穩(wěn)定，其自生體積變形趨勢(shì)保持一致，全級(jí)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(zhì)巖，由石灰?guī)r重結(jié)晶而成，具有顆粒緊密的粒狀變晶結(jié)構(gòu)；混凝土持荷收縮受細(xì)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(jí)配混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)濕篩小尺寸混凝土相對(duì)滲透性試驗(yàn)方法進(jìn)行。從180d齡期的全級(jí)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(yàn)方法對(duì)全級(jí)配混凝土芯樣進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，測(cè)定全級(jí)配混凝土的抗凍性能。不同骨料組合全級(jí)配混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，不同骨料組合全級(jí)配混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)和平均滲水高度比較見(jiàn)圖4。

表4 全級(jí)配混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

(a) 相對(duì)滲透系數(shù)

(b) 滲水高度圖4 全級(jí)配混凝土抗?jié)B性能

試驗(yàn)結(jié)果表明，全砂巖骨料全級(jí)配混凝土的滲透系數(shù)小于組合骨料全級(jí)配混凝土，抗?jié)B性能較好。兩種骨料組合全級(jí)配混凝土的抗?jié)B等級(jí)均大于W16，抗凍等級(jí)均大于F300。。經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，部分試件出現(xiàn)骨料脫落現(xiàn)象，其他試件表面光滑、完好，全砂巖骨料全級(jí)配混凝土芯樣的相對(duì)動(dòng)彈性模量大于組合骨料混凝土，抗凍性能較好。但相對(duì)動(dòng)彈性模量均接近60%，這是由于全級(jí)配混凝土內(nèi)部的大尺寸骨料對(duì)全級(jí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻性增加，缺陷和薄弱環(huán)節(jié)增加，使凍融循環(huán)過(guò)程中，全級(jí)配混凝土內(nèi)部過(guò)渡區(qū)微裂縫發(fā)展更快，損傷更嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

1)組合骨料混凝土各齡期抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(guān)，導(dǎo)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(jí)均大于F300，抗?jié)B等級(jí)均大于W16，均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。綜合全級(jí)配混凝土的試驗(yàn)結(jié)果，全砂巖骨料混凝土的抗?jié)B、抗凍性能略?xún)?yōu)于組合骨料全級(jí)配混凝土。

4)綜合全級(jí)配混凝土的力學(xué)、變形、耐久等性能試驗(yàn)結(jié)果，組合骨料混凝土的綜合性能優(yōu)于全砂巖骨料混凝土。

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