銹染骨料對(duì)濕篩與全級(jí)配大壩混凝土力學(xué)性能的影響對(duì)比

石 妍，劉戰(zhàn)鰲，周世華，劉春風(fēng)

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010；2.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；3.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司,北京 100038)

1 研究背景

大中型水利水電工程建設(shè)中，需要大量開采當(dāng)?shù)厣笆?，破碎后用作大體積混凝土的粗細(xì)骨料。對(duì)比土木交通及其他行業(yè)，水工大體積混凝土中骨料體積比一般在80%以上，最大骨料粒徑達(dá)150 mm，因此，骨料的品質(zhì)優(yōu)劣對(duì)水工混凝土工作性、力學(xué)性能與耐久性均有著重要影響[1]。然而，由于巖石節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化或溶蝕夾泥等原因[2-3]，銹染骨料(也稱銹皮骨料、表面銹染骨料)在工程料場(chǎng)開采中難以完全避免，如漫灣水電站、錦屏一級(jí)水電站等，銹染物也因成分差異而呈紅、白、黃或黑等不同顏色?，F(xiàn)行《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2015)[4]對(duì)混凝土粗骨料的品質(zhì)指標(biāo)提出了明確要求，并規(guī)定含有黃銹和鈣質(zhì)結(jié)核的粗骨料，應(yīng)用前應(yīng)進(jìn)行專門論證。

本文基于西南某巨型水電工程開展研究，工程建設(shè)過(guò)程中，料場(chǎng)開采加工的骨料表面不同程度的存在覆蓋物和銹斑狀物質(zhì)，將表面附著偏離灰?guī)r本體顏色物質(zhì)的骨料界定為銹染骨料，表面附著物稱為銹染物。如果將開采的銹染骨料作為棄料處理，那就需要尋找新的料場(chǎng)，開采、加工與運(yùn)輸成本大大提高，既顯著增加工程成本，又造成現(xiàn)有資源的浪費(fèi)。因此，本文通過(guò)分析巖石的外觀差異、力學(xué)測(cè)試及化學(xué)成分，對(duì)比測(cè)試不同骨料工況濕篩與全級(jí)配混凝土的力學(xué)性能，以期真實(shí)分析銹染骨料的性能影響，并科學(xué)合理地應(yīng)用于大壩混凝土中，有利于保障工程質(zhì)量、減少礦山開挖、節(jié)約工程成本，具有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

2 原材料及品質(zhì)檢測(cè)

2.1 原材料品種

混凝土試驗(yàn)原材料主要包括某42.5低熱硅酸鹽水泥、F類I級(jí)粉煤灰、高效減水劑和引氣劑，以及人工灰?guī)r砂石骨料，原材料品質(zhì)指標(biāo)均符合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。無(wú)銹染灰?guī)r與不同外觀銹染骨料的照片見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)銹染灰?guī)r與不同外觀銹染骨料的照片F(xiàn)ig.1 Conventional limestone and rusty aggregates with different appearances

試驗(yàn)所用骨料包括:無(wú)銹染的特大石、大石與中石，銹染物表面積占骨料總表面積的5%以內(nèi)；銹染的特大石、大石與中石，銹染面積在17%以上且至少有一個(gè)完整面呈銹染狀；以及統(tǒng)一的灰?guī)r小石與砂。粒徑在20 mm以上的特大石、大石及中石銹染較為明顯，且以表面裹附形式存在。而粒徑20 mm以下的小石因經(jīng)過(guò)立軸破碎整形而含量相對(duì)較低，裹附面積較小，因此，試驗(yàn)暫不考慮銹染小石的影響，小石與人工砂均采用統(tǒng)一灰?guī)r品種。

2.2 骨料力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5368—2007)規(guī)定[5]，測(cè)試天然含水狀態(tài)下無(wú)銹染、銹染大石與特大石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，并換算得知其單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖2，加荷破碎后巖石的照片見(jiàn)圖3。

圖2 巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Result of point load test of rocks

圖3 點(diǎn)荷載試驗(yàn)破碎后骨料照片F(xiàn)ig.3 Aggregates after point load test

試驗(yàn)結(jié)果表明，破壞面均貫穿整個(gè)巖石試塊并通過(guò)兩加荷點(diǎn)，說(shuō)明試驗(yàn)為有效加荷。骨料點(diǎn)荷載強(qiáng)度在3.20～3.59 MPa之間，單軸抗壓強(qiáng)度在55.8～62.4 MPa之間。但銹染骨料的強(qiáng)度結(jié)果略低于無(wú)銹染骨料，特大石的結(jié)果略低于大石。銹染巖石破碎后內(nèi)部為灰?guī)r，觀察破壞斷面，銹染物均附著在原巖表層，厚約3～5 mm，在壓載過(guò)程中，存在劈裂剝離的現(xiàn)象，在混凝土中可能會(huì)降低骨料與漿體的界面粘結(jié)能力。

3 混凝土試驗(yàn)及性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方案

四級(jí)配大壩混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)C18040 F90300W9015，試驗(yàn)配合比及拌合物性能見(jiàn)表1?；炷了z比為0.42，粉煤灰摻量為35%，粗骨料比例為特大石∶大石∶中石∶小石=30∶30∶20∶20，特大石、大石、中石及小石的粒徑分別為150～80、80～40、40～20、20 ～5 mm。混合骨料工況由各級(jí)配下無(wú)銹染與銹染骨料混合得到，銹染比例約10%。

表1 四級(jí)配大壩混凝土試驗(yàn)配合比及拌合物性能Table 1 Test mix proportion and mixture performance of four-graded dam concretes

通過(guò)減水劑及引氣劑的摻量調(diào)整，控制混凝土拌合物坍落度30 ～50 mm、含氣量4.0%～5.0%，拌合后同時(shí)成型濕篩小試件(篩去40 mm以上的特大石與大石)與全級(jí)配大試件。濕篩及全級(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/T 5150—2017)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行[6]，各性能試驗(yàn)采用的試件尺寸見(jiàn)表2。

表2 全級(jí)配及濕篩混凝土各性能試驗(yàn)試件尺寸Table 2 Dimensions of fully-graded and wet-screened concrete specimens

3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同骨料工況下，濕篩與全級(jí)配混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4和圖4。以無(wú)銹染骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度為100%，計(jì)算其他骨料工況混凝土的抗壓強(qiáng)度百分比。并計(jì)算各編號(hào)全級(jí)配與濕篩試件的抗壓強(qiáng)度百分比。

表3 濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of compressive strength of wet-screened concrete

表4 全級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength of fully-graded concrete

圖4 不同骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度柱狀圖Fig.4 Compressive strengths of concretes with different aggregates

試驗(yàn)結(jié)果表明，3組骨料工況混凝土的抗壓強(qiáng)度大小順序?yàn)椋簾o(wú)銹染>混合>銹染，在各齡期下，銹染骨料混凝土的混凝土抗壓強(qiáng)度降低率在5%以內(nèi)。因此，骨料銹染物的存在，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低，但總體影響程度不顯著，尤其是28 d齡期之后。這與已有的研究結(jié)果[2-3]較為一致。

骨料工況對(duì)全級(jí)配和濕篩混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律大致相當(dāng)；28 d齡期時(shí)，全級(jí)配混凝土試件的抗壓強(qiáng)度略大于濕篩小試件，主要是大石及特大石的骨架作用所致;而90 d齡期之后，全級(jí)配混凝土試件的抗壓強(qiáng)度低于濕篩小試件，應(yīng)該是受到內(nèi)部界面及缺陷的影響[7]。

3.3 混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)

不同骨料工況下，濕篩與全級(jí)配混凝土的劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6和圖5，以無(wú)銹染骨料混凝土劈拉強(qiáng)度為100%，計(jì)算其他骨料工況混凝土的劈拉強(qiáng)度百分比，并計(jì)算各編號(hào)全級(jí)配與濕篩試件的劈拉強(qiáng)度比值。試驗(yàn)結(jié)果表明3組不同骨料工況濕篩混凝土的劈拉強(qiáng)度大小順序?yàn)椋簾o(wú)銹染>混合>銹染，在各齡期下，銹染骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度降低率在10%以內(nèi)。

表5 濕篩混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of splitting tensile strength of wet-screened concrete

表6 全級(jí)配混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of splitting tensile strength of fully-graded concrete

圖5 不同骨料混凝土試件的劈拉強(qiáng)度柱狀圖Fig.5 Splitting tensile strengths of concretes with different aggregates

因此，銹染骨料不同程度降低了混凝土的劈拉強(qiáng)度，且銹染骨料比例越高，降低趨勢(shì)越明顯。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看[8]，這是由于銹染物的存在將影響CH(氫氧化鈣)和AFt(鈣礬石)等水泥水化產(chǎn)物的成核生長(zhǎng)，增大骨料與漿體的界面區(qū)厚度，從而削弱界面結(jié)合能力，降低混凝土的劈拉強(qiáng)度。且抗拉強(qiáng)度受界面效應(yīng)的影響更加敏感，所以銹染骨料混凝土劈拉強(qiáng)度的降低率稍大于抗壓強(qiáng)度的降低率[9]。早齡期銹染骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度比略低，但隨著齡期的延長(zhǎng)，比值有所提高，表明骨料-漿體的界面結(jié)合能力提高，銹染物帶來(lái)的不利影響逐漸減弱。

與濕篩混凝土對(duì)比，全級(jí)配混凝土試件的劈拉強(qiáng)度較低，全級(jí)配/濕篩比值為70%～79%，與文獻(xiàn)[10]的結(jié)果相符。全級(jí)配混凝土中引入大石與特大石，增加了界面結(jié)合的幾率，大骨料與漿體界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)性能增長(zhǎng)緩慢，因此，全級(jí)配試件的劈拉強(qiáng)度顯著低于濕篩小試件。對(duì)比無(wú)銹染骨料混凝土，銹染骨料全級(jí)配混凝土的劈拉強(qiáng)度降低幅度也略大于濕篩混凝土。

從全級(jí)配試件劈拉斷面可見(jiàn)，試件斷面凹凸不平，大骨料部分被拉拔脫落，部分被劈斷破壞。銹染骨料混凝土內(nèi)部，骨料的斷面切口清晰可見(jiàn)黃色、紅色或白色銹染物薄層，銹染骨料與漿體界面區(qū)是力學(xué)性能的薄弱區(qū)域。隨齡期的延長(zhǎng)，混凝土及界面強(qiáng)度提高，拉拔脫落的骨料隨之減少，斷面切口趨于平整。

3.4 混凝土軸向拉伸試驗(yàn)

不同骨料工況下，濕篩與全級(jí)配混凝土的軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7—表9、圖6，分別以無(wú)銹染的混凝土軸拉強(qiáng)度和極限拉伸值為100%，計(jì)算其他骨料工況混凝土的軸拉強(qiáng)度比和極限拉伸值比。并計(jì)算各編號(hào)全級(jí)配與濕篩試件的結(jié)果比值。

圖6 不同骨料混凝土試件的軸拉強(qiáng)度柱狀圖Fig.6 Ultimate tensile strengths of concretes with different aggregates

表7 濕篩混凝土軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test result of axial tensile strength of wet-screened concrete

表8 全級(jí)配混凝土軸拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of axial tensile strength of fully-graded concrete

表9 全級(jí)配混凝土極限拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Ultimate tensile test results of fully-graded concrete

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同骨料工況混凝土的軸拉強(qiáng)度與極限拉伸值大小順序?yàn)椋簾o(wú)銹染>混合>銹染，各齡期下，銹染骨料混凝土的軸向拉伸強(qiáng)度降低率在10%(濕篩)與13%(全級(jí)配)以內(nèi)。這與劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)律較為一致，銹染物的存在會(huì)削弱骨料與漿體的界面結(jié)合能力，降低混凝土的軸拉強(qiáng)度和極限拉伸值，但隨著齡期的增長(zhǎng)，不同骨料工況混凝土間的差距有減小趨勢(shì)。

與濕篩混凝土試件對(duì)比，全級(jí)配混凝土試件的軸向拉伸結(jié)果較低，軸拉強(qiáng)度比值為56%～62%，極限拉伸值的比值分別為56%～63%，且顯著低于劈拉強(qiáng)度的結(jié)果，主要還是全級(jí)配試件中大石與特大石的引入，增加了界面結(jié)合及內(nèi)部缺陷的幾率，而軸向拉伸受這些薄弱環(huán)節(jié)的影響更加敏感[11]。

全級(jí)配混凝土軸拉試驗(yàn)照片見(jiàn)圖7，銹染骨料混凝土試件的破壞斷面見(jiàn)圖8。

圖7 全級(jí)配混凝土極限拉伸試驗(yàn)及破壞試件照片F(xiàn)ig.7 Ultimate tensile test of fully-graded concrete specimens

圖8 銹染骨料混凝土試件的破壞斷面Fig.8 Cross section of destroyed concrete with rusty aggregate

由圖7、圖8可以看出，全級(jí)配軸向拉伸試件的斷面中，特大石及大石分布相對(duì)均勻，沒(méi)有過(guò)度集中或局部缺陷的現(xiàn)象，界面結(jié)合較好。斷面凸凹不平，特大石和大石均有被拔出或者被拉斷的情況，但隨著齡期的延長(zhǎng)，漿體和界面強(qiáng)度逐漸提高，斷面趨于平整。銹染骨料混凝土斷面內(nèi)部，骨料切口呈淺灰、深灰或灰黑色等灰?guī)r常見(jiàn)的顏色，也可見(jiàn)黃色、紅色或白色的銹染物。

4 結(jié) 論

基于西南某巨型水電工程建設(shè)中遇到的工程問(wèn)題，開展銹染骨料對(duì)濕篩與全級(jí)配大壩混凝土力學(xué)性能的影響對(duì)比研究，結(jié)論如下：

(1)紅色、黃色或白色銹染物附著在原巖表層，厚約3～5 mm。骨料點(diǎn)荷載強(qiáng)度為3.20～3.59 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為55.8～62.4 MPa。銹染骨料的強(qiáng)度略低于無(wú)銹染骨料，且壓載過(guò)程中存在劈裂剝離現(xiàn)象。

(2)骨料表面銹染物的存在，削弱與漿體的界面結(jié)合能力，從而降低混凝土的力學(xué)性能，銹染程度越高，影響越顯著。銹染骨料混凝土的抗壓、劈拉及軸拉強(qiáng)度降低率分別在5%、10%及13%以內(nèi)，抗拉強(qiáng)度的降低更明顯。隨著齡期的增長(zhǎng)，各骨料工況混凝土間的力學(xué)性能差據(jù)有減小趨勢(shì)。

(3)骨料銹染物對(duì)全級(jí)配混凝土的性能影響規(guī)律與濕篩試件類似。但全級(jí)配混凝土的早齡期抗壓強(qiáng)度略高，90 d之后低于濕篩小試件。全級(jí)配混凝土劈拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度及極限拉伸值分別為濕篩混凝土的70%～79%、56%～62%及56%～63%。試件破壞后的斷面中，特大石及大石分布相對(duì)均勻、有被拔出或拉斷的情況，隨著齡期的延長(zhǎng)，斷面趨于平整。銹染骨料切口可見(jiàn)銹染物。

(4)表面銹染骨料可用于制備大壩內(nèi)部混凝土，但對(duì)于抗拉要求較高的部位及構(gòu)件，如大壩基礎(chǔ)約束區(qū)、溢流面、廠房混凝土等，建議有限度的使用。研究成果可為銹染骨料對(duì)混凝土的性能影響評(píng)價(jià)及在大壩中的合理應(yīng)用提供技術(shù)支撐。