水工混凝土用不同巖性人工骨料特征參數研究

石 妍，董 蕓，張 亮，李 響

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

我國是世界上筑壩數量最多的國家，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，甚至會起著決定性的作用。正如P.K.Mehta所言： “將骨料作為一種惰性填充料這種傳統的見解確實應該畫上一個句號。如果不像對待水泥那樣來重視骨料，顯然是不恰當的。”[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、構皮灘等水電工程采用最常見的灰巖骨料，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、灰巖、砂巖和大理巖等5種人工骨料，從物理力學性質、化學性質、長期吸水性及熱學參數等角度，對比研究骨料的特征參數，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設計、骨料料場的合理選擇等提供技術支持。

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、沙沱灰巖、錦屏砂巖和大理巖，均取自水電工程現場。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《水工混凝土試驗規程》的規定，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性能指標檢測。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，根據測試結果繪制吸水速率過程線。

按照GB/T 176—2008《水泥化學分析方法》的規定，采用化學滴定法對粒徑0～0.16 mm的石粉進行化學成份分析。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器中，密閉反應器并放入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穩定性。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測量儀和導熱系數測量儀，測定不同巖石的熱膨脹系數和導熱系數。

2 試驗結果及分析

2.1 不同骨料的物理力學性質

原巖的成因決定了混凝土骨料的組成及反應活性[4]。用于混凝土生產的骨料應具有較高的固有強度、韌性和穩定性，以便能抵御各種靜態和動態應力、沖擊及磨蝕作用，而不會導致混凝土性能的下降[5]。因此，在骨料選擇及混凝土結構設計時應考慮骨料的力學性質及其對混凝土性能的影響。5種不同巖性骨料的檢測結果見表1。

表1 骨料品質檢測結果

對于水工混凝土用骨料，表觀密度、堅固性及壓碎指標均為重要的物理力學參數。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次循環后的質量損失率來表示。對于有抗凍、抗疲勞、抗沖磨要求或處于水中含有腐蝕介質并經常處于水位變化區的混凝土，環境條件和使用條件較惡劣，堅固性要求較嚴，細骨料和粗骨料質量損失率應分別不大于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，均滿足設計要求。

壓碎指標通過被壓碎顆粒的質量百分比表示，指標值越低，說明石料抵抗壓碎的能力越強，而壓碎指標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>灰巖>砂巖>花崗巖>大理巖。根據骨料的不同成因類別，DL/T 5144—2001《水工混凝土施工規范》對壓碎指標的要求也不同，根據測試結果，5種粗骨料均可用于配制C9055~C9040強度等級的混凝土。

2.2 不同骨料的化學性質

骨料的化學性質主要是指骨料的化學反應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，會妨礙水泥的水化過程，影響骨料與水泥漿體的粘結。如果骨料本身含有一些活性物質，并與水泥中的堿產生堿骨料膨脹反應，將導致混凝土結構的破壞。資料表明[4]，花崗巖類巖石一般不含高活性的非晶質蛋白石、纖維狀玉髓和穩晶質石英，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蛋白石，含有隱晶質微晶石英和微晶石英，部分石英砂巖還含有高活性硅質巖屑和流紋巖屑。不同巖性骨料的化學成分分析結果見表2，堿溶液浸泡后的不同骨料外觀見圖1。

表2 骨料化學成分分析結果 %

試驗結果表明，花崗巖、玄武巖以及砂巖屬硅質骨料，主要成分為SiO2，而灰巖、大理巖屬鈣質骨料，主要成分為CaO。經過氫氧化鈉溶液浸泡后，灰巖、大理巖骨料結晶結構清晰，界面明顯，表面殘留堿溶液顆粒，但骨料本身無反應跡象，表面化學穩定性良好；花崗巖表面較圓潤，結構不夠均勻，塊狀構造已不明顯；玄武巖骨料表面圓潤，且疑有反應產物；砂巖骨料結構疏松，空隙明顯，表面未見堿溶液顆粒。因此，灰巖與大理巖的表面化學穩定性良好。花崗巖、玄武巖和石英砂巖用作混凝土骨料時，為確保混凝土的耐久性和工程安全，應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，以防止發生危害性的堿骨料反應。

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，骨料的孔隙結構及吸水特性也不同。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、灰巖、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 不同骨料的熱學參數

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

不同巖性巖石的熱膨脹系數和導熱系數測試結果見表3，平均熱膨脹系數曲線見圖3。試驗結果表明，不同品種巖石熱膨脹系數及導熱系數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>灰巖。試驗用石英砂巖熱膨脹系數及導熱系數最高；而灰巖的熱穩定性最佳，有利于大體積混凝土的體積穩定性。

表3 不同巖性骨料的熱膨脹系數和導熱系數

圖3 不同品種巖石的平均熱膨脹系數

骨料原巖的熱學參數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和導熱系數，而長石較低[5]。因此，兩者的含量對骨料原巖的熱學參數有重要影響，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體，而骨料中的水分則會增加熱傳導。

3 結 語

（1）花崗巖、玄武巖、灰巖、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，均滿足相關設計要求。5種粗骨料抗壓碎能力由大到小為：玄武巖>灰巖>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骨料，灰巖、大理巖為鈣質骨料。灰巖與大理巖的表面化學穩定性良好；而花崗巖、玄武巖和石英砂巖用作混凝土骨料時應采取相應措施，以防止發生危害性的堿骨料反應。

（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、灰巖、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及導熱系數最高；而灰巖的熱穩定性最佳，有利于大體積混凝土的體積穩定性。

［1］BAZANT Z P,WITTMANN F H.Creep and Shrinkage in Concrete Structures［M］.New York:John Wiley&Sons,1982.

［2］劉秉京.混凝土技術［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］MEHTA P K.混凝土的結構、 性能與材料［M］.祝永年， 譯.上海：同濟大學出版社，1991.

［4］楊華全，李鵬翔，李珍.混凝土堿骨料反應［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［5］汪瀾.水泥混凝土組成、性能、應用［M］.北京：中國建材工業出版社，2005.

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