組合骨料對錦屏一級大壩混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

肖延亮,尹習(xí)雙,周小波

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

錦屏一級水電站水庫為雅礱江流域中游的龍頭水庫，電站裝機(jī)容量3 600MW。混凝土雙曲拱壩壩高305m，是世界上在建的最高混凝土雙曲拱壩，大壩混凝土用量約595萬m3。由于骨料占水工混凝土的體積達(dá)到60%～80%(質(zhì)量為75%～90%)，骨料對新拌和硬化混凝土的性能、經(jīng)濟(jì)性有顯著的影響,因此在水利水電工程中，使用合適類型且質(zhì)量優(yōu)良的骨料是非常重要的[1-2]。

錦屏一級水電站壩址附近存在儲量滿足工程要求兩種巖性的骨料，即大理巖、砂巖。料場的分布情況見表1。

表1 料場分布情況

錦屏的骨料堿活性檢測結(jié)果表明，錦屏大奔流溝砂巖存在潛在堿骨料活性。為了減少大壩混凝土中活性骨料的含量，減少大壩混凝土堿骨料反應(yīng)破壞的風(fēng)險，大壩混凝土采用組合骨料，即組合骨料對大壩混凝土其它性能的影響是值得重視的。

2 原巖的基本性能

按照DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》要求，建筑材料用的巖石強(qiáng)度是指邊長為50mm的立方體或直徑與高均為50mm的圓柱體試件單軸抗壓強(qiáng)度(以每組六個試件的抗壓強(qiáng)度測值，除去最大值和最小值，取其余四個測值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 原巖的基本性能

從表2的試驗(yàn)結(jié)果看，除大理巖的飽和抗壓強(qiáng)度只是略低于規(guī)范2[3]對變質(zhì)巖強(qiáng)度的要求外，砂巖的原巖抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范1[4]與規(guī)范2[3]的要求，且砂巖的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大理巖。

3 人工骨料基本性能

人工骨料的性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3的試驗(yàn)結(jié)果看，大理巖的壓碎指標(biāo)為20.4%，遠(yuǎn)高于砂巖的壓碎指標(biāo)。從人工骨料的壓碎指標(biāo)可知，大理巖人工骨料的的強(qiáng)度比砂巖人工骨料低。

4 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

從表4的試驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)水膠比為0.40時，由大理巖配制的混凝土劈拉強(qiáng)度不能滿足設(shè)計要求，大理巖骨料不能單獨(dú)作為錦屏一級水電站的人工骨料。同時為減少大壩混凝土中活性骨料的含量，進(jìn)行了砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料(簡稱組合骨料)的混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4、5。

表3 人工骨料性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果(1)

表5 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果(2)

比較組合骨料與全砂巖骨料混凝土的試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)組合骨料的抗壓強(qiáng)度呈規(guī)律性增長，組合骨料混凝土28d前的強(qiáng)度比同水膠比全砂巖混凝土略高，180d抗壓強(qiáng)度與全砂巖混凝土大致相當(dāng)。

(2)組合骨料混凝土的180d劈拉強(qiáng)度比同水膠比的全砂巖混凝土略低，但0.38水膠比的混凝土的180d劈拉強(qiáng)度達(dá)到3.51MPa，可以滿足錦屏一級水電站的設(shè)計要求。

(3)組合骨料的180d彈性模量與全砂巖混凝土大致相當(dāng)。

(4)組合骨料混凝土的用水量比全砂巖混凝土低5kg/m3,混凝土的絕熱溫升低0.4℃。

(5)組合骨料混凝土的線膨脹系數(shù)比全砂巖混凝土高。

(6)組合骨料混凝土的壓縮徐變比全砂巖混凝土小。

5 混凝土抗裂指標(biāo)分析

從表4、5的試驗(yàn)結(jié)果可知，采用混凝土的單一指標(biāo)較難評價組合骨料混凝土與全砂巖混凝土孰優(yōu)孰劣。本文采用如式1所示的抗裂指數(shù)Kz來評價混凝土的抗裂能力。表達(dá)式如下：

(1)

式中εP——混凝土極限拉伸值，10-6；

R——混凝土的抗拉強(qiáng)度，MPa;

C——混凝土的徐變，1/MPa;

G——混凝土的自生體積變形；

Tr——混凝土的水化溫升值，℃;

α——混凝土的線膨脹系數(shù)，10-6/℃。

抗裂指數(shù)Kz考慮了混凝土的極限拉伸值、抗拉強(qiáng)度、徐變、線膨脹系數(shù)、自生體積變形等對混凝土抗裂性能的影響，可綜合評價混凝土的抗裂能力，因而采用抗裂指數(shù)評價是比較科學(xué)的。Kz越大，混凝土的抗裂能力越強(qiáng)。從表5可知，組合骨料混凝土的抗裂性能比全砂巖混凝土的抗裂能力高。

6 試驗(yàn)結(jié)果機(jī)理分析

通過試驗(yàn)結(jié)果分析如下點(diǎn)：

(1)骨料在加工過程中會產(chǎn)生一些微裂隙，不同種類的骨料，產(chǎn)生微裂縫的幾率不一樣。一般強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)致密的骨料在加工過程中不易產(chǎn)生裂縫，而強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)較疏松的骨料在加工過程中較易產(chǎn)生微裂縫。由于錦屏一級水電站三灘的大理巖的強(qiáng)度較低，在加工過程中易產(chǎn)生微裂縫，微裂縫成為薄弱環(huán)節(jié)而存在混凝土中。當(dāng)混凝土受壓時，垂直與荷載方向的裂縫在壓應(yīng)力作用下閉合，而在受拉應(yīng)力時加速裂縫的擴(kuò)展，故用大理巖人工骨料配制的混凝土雖抗壓強(qiáng)度較高，但劈拉強(qiáng)度不高。

(2)骨料在加工過程中總是按照最薄弱環(huán)節(jié)破碎，隨著骨料粒徑的減小，骨料中的缺陷就逐漸減少，所以細(xì)骨料的強(qiáng)度往往大于粗骨料[5]。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)混凝土180d抗壓強(qiáng)度大致相當(dāng)時，組合骨料混凝土的180d劈拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大理巖混凝土，主要是由于組合骨料混凝土以強(qiáng)度較高的砂巖粗骨料作為混凝土骨架。

(3)大理巖的線膨脹系數(shù)較砂巖低，組合骨料采用大理巖細(xì)骨料代替砂巖細(xì)骨料，降低了骨料體系的平均線膨脹系數(shù)；組合骨料混凝土膠材用量低，且水泥石的線膨脹系數(shù)高于骨料[8]。所以組合骨料混凝土的線膨脹系數(shù)比砂巖混凝土低。

7 結(jié) 語

(1)由單一大理巖配制的混凝土抗拉強(qiáng)度不能滿足錦屏一級水電站要求，不能單獨(dú)作為錦屏一級水電站的骨料。

(2)由砂巖骨料配制的混凝土力學(xué)性能較易達(dá)到設(shè)計要求，但砂巖混凝土的用水量高、絕熱溫升高、線膨脹系數(shù)高、混凝土的自生體積變形收縮量大，混凝土熱學(xué)性能較差。

(3)組合骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值雖比全砂巖混凝土略低，但其用水量、膠材用量、混凝土的絕熱溫升、線膨脹系數(shù)均比全砂巖混凝土低。組合骨料的抗裂變形指數(shù)比砂巖混凝土高，其綜合抗裂性能優(yōu)于全砂巖混凝土。

錦屏一級水電站最終采用組合骨料作為大壩混凝土的人工骨料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣元駉.混凝土的砂石骨料[M].北京：水利電力出版社，1989.

[2] Steven.Kosmatka，Beatrix Kerkhoff，William C.Panarese著.錢覺時，唐祖全，等，譯.混凝土設(shè)計與控制[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

[3] JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》[S].北京：華齡出版社，1994.

[4] SL 251-2000《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[5] 肖延亮.關(guān)于高拱壩混凝土人工骨料原巖強(qiáng)度問題的討論[J].水力發(fā)電, 2007(7):94-96.

[6] 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.