水利工程提高堰壩埋石混凝土性能研究

詹文虎，諶 釗，秦恩磊，葛 川

（1.高郵市水利綜合服務(wù)中心，江蘇 高郵 225600；2.高郵市水利局三垛水利站，江蘇 高郵 225600；3.高郵市水利局周山水利站，江蘇 高郵 225600）

混凝土壩體取材方便、施工簡(jiǎn)易、性價(jià)比高、安全性好，是國(guó)內(nèi)外壩工界普遍使用的建造材質(zhì)，但受其工作環(huán)境復(fù)雜、壩體裂縫等因素影響，依然面臨著諸多安全問(wèn)題[1，2]。埋石混凝土即用塊石替代普通混凝土中的部分混凝土、澆筑后形成塊石與混凝土粘結(jié)一體的混凝土結(jié)構(gòu)[3]，在一定程度上能夠控制大體積混凝土施工中由水化熱引起的溫度變化對(duì)混凝土的不利影響、減少澆筑混凝土溫升引起的裂縫和混凝土骨料及膠凝材料的用量，具有環(huán)境耐久性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)研究并取得了部分成果。蔣治國(guó)[4]根據(jù)湖南竹篙灘水電站埋石混凝土重力壩的施工實(shí)踐，對(duì)中小型埋石混凝土施工及質(zhì)量控制等進(jìn)行了研究；李學(xué)軍按重力壩規(guī)范方法計(jì)算分析混凝土新老結(jié)合面狀態(tài)[5]；李建彬等[6]以某電源電站大壩為例，對(duì)埋石混凝土在大壩中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探討；彭躍昆[7]對(duì)埋石混凝土施工的相關(guān)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析；張曉松[8]結(jié)合羅家溝山塘工程地質(zhì)條件，對(duì)埋石混凝土壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)分析。本文以堰壩埋石混凝土性能為主要研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同最大粒徑下和不同粒徑級(jí)配下混凝土抗壓強(qiáng)度，分析了埋石混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本研究水利工程新建4 座實(shí)體堰壩，從上游至下游分別為A3 堰壩、A2 堰壩、A1 堰壩及A4 堰壩。堰壩的建成可使河道有效蓄水，減少季節(jié)性水流對(duì)河底及邊坡的沖刷導(dǎo)致的水土流失，保護(hù)沿岸群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，蓄水后的堰壩可以使河道整體常年裸露的河床得到覆蓋，美化河道，讓外觀更加美麗，有助于當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展及生態(tài)保護(hù)意識(shí)的形成。

2 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

工程采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》要求。此外，骨料采用2.4 ～4.75 mm 的間斷級(jí)配碎石，其性能質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈密實(shí)，性能指標(biāo)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用卵石、碎石》中二類碎石要求。本次使用的普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分，詳見(jiàn)表1。

表1 普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分 %

2.2 配合比設(shè)計(jì)

埋石混凝土中塊石起著受力分擔(dān)的骨架作用，埋石混凝土的強(qiáng)度、抗凍等物理力學(xué)性能與其粒徑的尺寸有著直接緊密聯(lián)系。埋石在混凝土總體積中占比大小，與混凝土的收縮性能成反比。本文通過(guò)室內(nèi)相似試驗(yàn)選用不同的骨料粒徑和改變骨料的級(jí)配，來(lái)研究埋石混凝土的性能。本次試驗(yàn)骨料最大粒徑取10、15、20、25、30、35 mm，同時(shí)還設(shè)置了不同的級(jí)配區(qū)間，具體設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2。

表2 埋石混凝土各組分配合比設(shè)計(jì)

本次混凝土立方體抗壓試驗(yàn)儀器采用混凝土軸心抗壓試驗(yàn)機(jī)，主要參數(shù)包括最大試驗(yàn)力2 000 kN、壓盤(pán)Φ300 mm、加荷速率0.1～25 kN/s。試驗(yàn)時(shí)，每組3 塊試件，養(yǎng)護(hù)28 d 后，按照最新標(biāo)準(zhǔn)《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019），分別進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到其平均值。

3 埋石混凝土電鏡掃描（SEM）分析

埋石混凝土的SEM 圖如圖1 所示，由此可以清楚地看到各種放大倍數(shù)的顆粒形狀和表面紋理，有助于理解和分析埋石混凝土的和易性以及硬化混凝土的強(qiáng)度和耐久性。砂粒相對(duì)而言比大理石和花崗巖粒更圓，具有光滑的紋理。與砂相比，大理石呈現(xiàn)粗糙的紋理和棱角。花崗巖粒的SEM 圖像描繪了尖銳、有棱角和拉長(zhǎng)的表面紋理。一般而言，與河流砂粒相比，大理石顆粒更具棱角和拉長(zhǎng)，而河流砂粒主要呈圓形。此外，埋石混凝土和普通混凝土的游離鈣、二氧化硅、鋁酸鹽和鐵素體組成、尺寸和分布存在差異。

圖1 埋石混凝土SEM圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同最大粒徑下混凝土抗壓強(qiáng)度

不同最大粒徑下埋石混凝土抗壓強(qiáng)度的變化情況，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著骨料最大粒徑的增大，試樣抗壓強(qiáng)度總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；但試樣抗壓強(qiáng)度并未呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)最大粒徑為20 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度最小僅為42.3 MPa，當(dāng)最大粒徑為35 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到53.8 MPa。從這個(gè)意義上說(shuō)，石子的粒徑幾乎與埋石混凝土的強(qiáng)度呈正相關(guān)，但注意并不是粒徑越大越好。這主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：①粒徑越大，在埋石混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)顆粒內(nèi)部缺陷存在的概率越大；②大粒徑石子會(huì)導(dǎo)致埋石混凝土在拌合中下沉速度更快，造成混凝土整體內(nèi)部分布不均勻，進(jìn)而使硬化后的埋石混凝土強(qiáng)度降低。

圖2 不同最大粒徑下混凝土抗壓強(qiáng)度

4.2 不同粒徑級(jí)配下混凝土抗壓強(qiáng)度

級(jí)配對(duì)埋石混凝土的影響主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面，即和易性和經(jīng)濟(jì)性。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了6 種粗骨料級(jí)配區(qū)間為2～10、5～15、8～20、11～25、14～30 和17～35 mm，試樣編號(hào)A1～A6。不同級(jí)配下埋石混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，如圖3所示。從圖3可以看出，本次試驗(yàn)中隨著顆粒級(jí)配區(qū)間的變大，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)級(jí)配在2～10 mm區(qū)間時(shí)，混凝土強(qiáng)度最小，僅為41.3 MPa；當(dāng)級(jí)配在17～35 mm 區(qū)間時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大，為50.3 MPa。

圖3 不同級(jí)配下埋石混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

4.3 埋石混凝土抗凍性能

普通混凝土和埋石混凝土的質(zhì)量變化情況，如圖4 所示。從圖4 可以看出，在未進(jìn)行凍融試驗(yàn)之前，普通混凝土的質(zhì)量為9.56 kg，埋石混凝土的質(zhì)量為8.98 kg；凍融150 次后，普通混凝土質(zhì)量損失2.3%，埋石混凝土僅損失1.7%；凍融300 次后，普通混凝土質(zhì)量損失降低至9.23 kg，埋石混凝土降低至8.76 kg，質(zhì)量損失分別為3.5%和2.5%。由此可以看出，埋石混凝土能夠緩解混凝土在凍融情況下的質(zhì)量損失，這是由于加入石塊能夠減緩水對(duì)試件入侵，降低基體內(nèi)部?jī)雒浟Γ€具有良好的粘結(jié)作用，有利于減少基體表面碎片的脫落。此外，還可以得出凍融對(duì)混凝土剝蝕破壞作用的大小取決于混凝土的抗凍性能、飽水程度和凍融循環(huán)次數(shù)等因素，因此在入冬后的北方，更要對(duì)這些因素加以重視。

圖4 普通混凝土和埋石混凝土的質(zhì)量變化

5 結(jié)論

本文以堰壩埋石混凝土性能為主要研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同最大粒徑和不同粒徑級(jí)配下混凝土抗壓強(qiáng)度以及同一級(jí)配下的抗凍性能和SEM 圖。結(jié)果表明，隨著骨料最大粒徑的增大，試樣抗壓強(qiáng)度總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但并未呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)最大粒徑為20 mm 時(shí)抗壓強(qiáng)度最小僅為42.3 MPa，當(dāng)最大粒徑為35 mm 時(shí)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到53.8 MPa。此外，隨著顆粒級(jí)配區(qū)間的變大，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)級(jí)配在2～10 mm區(qū)間時(shí)，混凝土強(qiáng)度最小，僅為41.3 MPa；當(dāng)級(jí)配在17～35 mm 區(qū)間時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大，為50.3 MPa。此外，凍融300次后，普通混凝土質(zhì)量損失降低至9.23 kg，埋石混凝土降低至8.76 kg，質(zhì)量損失分別為3.5%和2.5%。