周公宅水庫(kù)人工砂含泥量與混凝土性能試驗(yàn)研究

王志軍

(中國(guó)水利水電第四工程局勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西寧810007)

周公宅水庫(kù)工程位于寧波市鄞州區(qū)大皎溪皎口水庫(kù)上游15 km處，是一座供水、防洪結(jié)合發(fā)電的綜合水利工程。壩體混凝土骨料均采用現(xiàn)場(chǎng)石料人工破碎而成，因采用干制法生產(chǎn)，人工砂的石粉含量偏大，而根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144－2001)規(guī)定砂中＜0.075 mm的顆粒均定義為含泥量。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，合理的人工砂石粉含量，不僅可以改善混凝土和易性、抗分離性、還可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B能力，同時(shí)還可以降低生產(chǎn)成本。但因人工砂的含泥量會(huì)隨著石粉含量的增加而成比例的增加。砂含泥量的增大，將影響水泥與砂、石骨料的黏結(jié)，同時(shí)增加混凝土單位用水量，改變混凝土水膠比，從而使混凝土的收縮性增大，容易出現(xiàn)大量水分滯留于混凝土中，水分蒸發(fā)后，混凝土空隙率大、密實(shí)度低，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，其耐久性也將降低。本次試驗(yàn)旨在研究人工砂含泥量對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性、干縮(濕脹)性能的影響。

1 混凝土配合比

1.1 原材料試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用骨料為周公宅水電站壩址右側(cè)山體的熔結(jié)凝灰?guī)r破碎而成，骨料生產(chǎn)采用干制法，粗骨料的含泥、超遜徑、針片狀均符合《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144－2001)的基本要求，原狀人工砂平均細(xì)度模數(shù)FM=2.8，石粉含量12.0%，含泥量5.0%，屬中砂偏粗。試驗(yàn)所用人工砂根據(jù)需要配置成含泥量為3.0%、5.0%、7.0%、9.0%、11.0%，砂細(xì)度模數(shù)在2.3～3.1。試驗(yàn)所用水泥為尖峰水泥廠生產(chǎn)的普通42.5硅酸鹽水泥，水泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均符合GB175－1999的相關(guān)要求;粉煤灰為北侖電廠生產(chǎn)，檢測(cè)結(jié)果符合DL/T5055－1996Ⅱ級(jí)煤灰的技術(shù)指標(biāo)要求。減水劑為浙江龍游外加劑廠生產(chǎn)的ZB－1A，摻量為膠材總量的0.65%;引氣劑為上海楓楊實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SJ－2，摻量為膠材總量的0.015%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)采用 0.45、0.50兩個(gè)水膠比及 3.0%、5.0%、7.0%、9.0%、11.0%共5種人工砂含泥量共10種不同的組合。對(duì)不同水膠比及含泥量的組合，通過(guò)試拌后確定具體配合比參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)

2 混凝土性能試驗(yàn)

本次混凝土性能試驗(yàn)包括:混凝土的抗壓、抗拉、彈性模量、極限拉伸、干縮(濕脹)、抗?jié)B及抗凍試驗(yàn)，所有試件均為同批次成型，其原材料性能、混凝土配合比及拌合物性能均相同。根據(jù)配合比初步設(shè)計(jì)成果，按照表1中的試驗(yàn)參數(shù)，稱取各組分材料，采用100 L的自落式攪拌機(jī)將其拌合均勻后制作各種試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

2.1 強(qiáng)度性能試驗(yàn)

強(qiáng)度是混凝土極為重要的性能之一，結(jié)構(gòu)物主要利用其抗壓強(qiáng)度承受荷載，并常以抗壓強(qiáng)度為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，且抗壓強(qiáng)度與其它強(qiáng)度及變形特性有良好的相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)采用150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體測(cè)定其抗壓/抗拉強(qiáng)度。混凝土拌合物的坍落度和強(qiáng)度實(shí)測(cè)成果見(jiàn)表2。

從表2試驗(yàn)成果及圖1、圖2可見(jiàn):混凝土強(qiáng)度隨著水膠比的增大而降低，二組不同水灰比的情況下，含泥量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致。在水膠比相同的情況下，混凝土強(qiáng)度隨著砂含泥量的增加而降低;含泥量為3.0%時(shí)因人工砂石粉含量偏低，混凝土和易性較差，不利于生產(chǎn)施工。

2.2 彈性模量性能試驗(yàn)

彈性模量是指就歷程－應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值。本次試驗(yàn)測(cè)定的為混凝土的靜力抗壓彈性模量，試件尺寸為φ150 mm×300 mm的圓柱體。

2.3 極限拉伸性能試驗(yàn)

極限拉伸是指混凝土軸心拉伸時(shí)，混凝土試件在斷裂前的最大伸長(zhǎng)值。極限拉伸測(cè)定采用截面尺寸為100 mm×100 mm×550 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，并沿試件的長(zhǎng)軸方向，每分鐘以0.4 MPa的加荷速度，采用YJ－26型靜力電阻應(yīng)變儀測(cè)定其拉伸變形，試件斷裂前的最大拉伸應(yīng)變即為極限拉伸值。混凝土的彈性模量、極限拉伸試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 混凝土的彈性模量、極限拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表3及圖3、圖4可見(jiàn):混凝土的靜力抗壓彈模、極限拉伸值也隨著砂含泥量的增加和水膠比的增大而降低，與混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律基本相吻合。

2.4 干縮(濕脹)性能試驗(yàn)

混凝土的干縮(濕脹)是指混凝土在無(wú)外荷載作用下由干、濕引起的軸向長(zhǎng)度變形。本次試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×515 mm的標(biāo)準(zhǔn)菱柱體試件測(cè)定其3 d、28 d齡期的干縮和濕脹率，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 混凝土干縮、濕脹率試驗(yàn)成果

由表4及圖5、圖6可見(jiàn):在水膠比相同的情況下，混凝土的干縮、濕脹率均隨著砂中含泥量的增加而增大，但水膠比的變化對(duì)混凝土的干縮、濕脹率影響不大。混凝土的28 d干縮率在3 d的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)較大，混凝土的濕脹率在3 d便達(dá)到最大值，并成下降趨勢(shì)。

2.5 抗?jié)B性能試驗(yàn)

混凝土的抗?jié)B性，是指混凝土抵抗壓力水滲透的能力。抗?jié)B性是混凝土的一項(xiàng)重要性質(zhì)，除關(guān)系到混凝土擋水及防水作用外，還直接影響到混凝土的抗凍性和抗侵蝕性等。混凝土抗?jié)B試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓法。

2.6 混凝土的抗凍性

混凝土的抗凍性，是指混凝土在水飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融作用而不被破壞，同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性能。混凝土的抗凍性以抗凍標(biāo)號(hào)來(lái)表示。抗凍標(biāo)號(hào)是以設(shè)計(jì)齡期的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，在水飽和狀態(tài)下所能承受的凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)決定的。抗凍試驗(yàn)采用快凍法，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，在標(biāo)準(zhǔn)條件下凍融，當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈模降至60%或試件重量損失超過(guò)5%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)即為混凝土的抗凍標(biāo)號(hào)。抗?jié)B、抗凍試驗(yàn)成果見(jiàn)表5。

由表5及圖7、圖8可見(jiàn):在水膠比相同的情況下，混凝土抗?jié)B、抗凍等級(jí)均隨著砂含泥量的增加而降低，相同的砂含泥量，抗?jié)B、抗凍等級(jí)隨著水膠比的增大而降低。混凝土的抗?jié)B、抗凍性能的變化規(guī)律與強(qiáng)度的變化規(guī)律也基本一致，即含泥量越小，強(qiáng)度越高，混凝土的抗?jié)B、抗凍性能越好。

圖1 含泥量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

圖2 含泥量與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

圖3 含泥量與抗壓彈模關(guān)系曲線圖

圖4 含泥量與極限拉伸值關(guān)系曲線圖

表5 混凝土抗凍、抗?jié)B試驗(yàn)成果

圖5 含泥量與干縮關(guān)系曲線圖

圖6 含泥量與濕脹關(guān)系曲線圖

圖7 含泥量與抗?jié)B等級(jí)關(guān)系曲線圖

圖8 含泥量與抗抗凍等級(jí)關(guān)系曲線圖

3 試驗(yàn)小結(jié)

1)試驗(yàn)所用原材料除人工砂級(jí)配和含泥量外，其余材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144－2001)的相應(yīng)規(guī)定。

2)混凝土的強(qiáng)度及各項(xiàng)耐久性指標(biāo)均隨著砂含泥量的增加而下降，干縮、濕脹率隨著砂中含泥量的增加而增大;當(dāng)砂中含泥量超出7%以后變化更為明顯。

3)人工砂含泥量為3.0%時(shí)因石粉含量偏低，混凝土和易性較差，不利于工程施工，生產(chǎn)成本較高;人工砂的含泥量在5%左右時(shí)，混凝土的各項(xiàng)性能均較好，既能滿足施工要求的和易性，又便于生產(chǎn)控制，綜合效益較好。

4)本次試驗(yàn)均采用二級(jí)配混凝土，人工砂含泥量對(duì)全級(jí)配混凝土性能的影響關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

［1］ 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.浙江省寧波市周公宅水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.杭州:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2002.

［2］ 中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司.DL/T5144－2001水工混凝土施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［3］ 南京水利科學(xué)研究院.DL/T5150－2001水工混凝封土試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［4］ 南京水利科學(xué)研究院.DL/T5151－2001水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［5］ 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院.DL/T5330－2005水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［6］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB/T50081－2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.