天然骨料與人工骨料對水工大壩混凝土的影響研究

鄒立博

（凌源市水務事務服務中心，遼寧 凌源 122500）

實踐表明，骨料質(zhì)量約占水工大體積混凝土的75%~90%，骨料顯著影響著水庫大壩的經(jīng)濟效益及混凝土性能，選用質(zhì)量優(yōu)良的骨料對水利工程建設非常重要[1-2]。一般考慮就地取材、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)等原則來選擇骨料，對于水電站壩基工程開挖的石灰?guī)r骨料，可以考慮將其進行充分利用。利用開挖的石灰?guī)r骨料還可以節(jié)約資源，減少對天然骨料的開采和消耗。在配制大壩混凝土時可選用開挖的石灰?guī)r骨料，但實際開挖的石灰?guī)r很難滿足工程用量要求，要提高資源利用率還需要配合使用天然骨料[3]。因此，本研究選用巖性相同且加工、開采成本較低，儲量豐富的天然砂礫石料和壩基開挖的石灰?guī)r人工骨料，通過試驗探討了水工大壩混凝土受不同骨料組合的影響，以期為保證大壩混凝土質(zhì)量以及實現(xiàn)水電站壩基開挖石料的合理利用提供參考依據(jù)。

1 試驗材料

試驗選用湖南葛洲壩石門P·MH42.5級中熱水泥，一般地中熱水泥相比于普通水泥的凝結(jié)時間也更長，其7d、28d齡期抗壓強度略低，化學成分見表1。經(jīng)檢測該水泥細度2.5%，初、終凝時 間3 : 05h和4 : 08h，標 稠 用 水 量22.6%，表 觀密度3.18g/cm3，安定性合格，3d抗折、抗壓強度4.5MPa和17.8MPa，28d抗折、抗壓強度8.7MPa和44.6MPa。

表1 膠材化學成分

試驗使用沈陽熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，細度8.1%，需水量比96%，表觀密度2.28g/cm3，燒失量2.1%，28d活性指數(shù)82%。采用SEM掃描電鏡觀測粉煤灰的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示粉煤灰顆粒級配分布合理，球形度較好，整體品質(zhì)良好，化學成分見表1。

外加劑選用GYQ?-Ⅲ復合型高效引氣減水劑，拌和水用當?shù)刈詠硭笆橇辖M合方案見表2，經(jīng)檢測砂石骨料的主要性能指標均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

表2 骨料組合方案設計

2 結(jié)果與分析

2.1 對拌合物性能的影響

試驗控制粉煤灰摻量30%，含氣量處于3%~5%之間，坍落度處于4~7cm范圍，新拌混凝土性能見表3。

表3 新拌混凝土性能

從表3可以看出，在砂率和水膠比相同的情況下，人工骨料用水量與天然骨料相比增加10kg/m3，水泥增加20~22kg/m3，而組合骨料的用水量和膠材用量處于兩者之間。

2.2 對力學性能的影響

水工大壩混凝土質(zhì)量主要體現(xiàn)在硬化強度上，這也是影響混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性能的重要因素[4-5]。一般地，硬化強度包括黏結(jié)、抗剪、軸心抗拉、劈拉和抗壓強度等，研究選用后三項進行力學性能分析，見表4和圖1。

圖1 水膠比為0.40組的強度

表4 不同骨料組合的力學性能

從表4和圖1可以看出，在水膠比相同情況下，人工骨料組具有更高的抗壓強度，而天然骨料組則相對較低，軸拉和劈拉強度也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。這是因為人工骨料可以通過制備工藝和選用優(yōu)質(zhì)材料來控制骨料的物理和化學性質(zhì)，以實現(xiàn)更好的力學性能和結(jié)構(gòu)特性。

2.3 變形性能分析

一般情況下，水工混凝土彈性模量隨著骨料用量的增加而增大，這是因為加入骨料可以增加混凝土內(nèi)部的剛性和密實度，提高其抗壓強度和彈性模量，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同骨料組合的變形性能

從表5可以看出，人工骨料具有較高的密實性、剛性和粒形均勻性等特點，在水膠比相同情況下，添加人工骨料可以增加混凝土的密實度和剛性，從而提高彈性模量。天然骨料的物理、化學性質(zhì)和顆粒形態(tài)多樣，顆粒形狀可能比較不規(guī)則，因此添加天然骨料時容易造成氣孔和空洞，且可能導致拌合物不均勻，因此天然骨料試件的彈性模量相對較低。為有效避免水庫大壩出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定了該極限拉伸限值，并將其作為溫控設計的基本參數(shù)以及混凝土抗裂性能的主要指標[7]。由表5可知，人工骨料相比于天然骨料試件的28d極限拉伸值略高，但兩者的90d極限拉伸值基本相等。

水庫大壩的結(jié)構(gòu)性能受水混凝土干縮的影響顯著，一般條件下混凝土強度不足以抵抗干縮變形所導致的應力，從而使得結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，大大降低混凝土的耐久性、強度和剛度[8]。

根據(jù)干縮變形試驗數(shù)據(jù)，可以揭示混凝土干縮受不同材料的影響作用，見圖2。

圖2 水膠比為0.40組的干縮曲線和自生體積變形

從圖2(a)可以看出，其它條件相同時人工骨料相比于天然骨料試件的干縮率更高。由圖2(b)可知，混凝土自生體積變形隨著試驗齡期的延長呈現(xiàn)出波動下降趨勢，其它條件相同時人工骨料整體大于天然骨料試件的自生體積變形值。

徐變度是指持續(xù)荷載條件下混凝土隨時間的變形程度，一般包括干燥徐變(由干燥引起)與基本徐變(與周邊環(huán)境無濕度轉(zhuǎn)移的徐變)，研究測定結(jié)果為基本徐變，見表6。應力強度比、持荷時間、加載齡期、濕度和溫度、外加劑、水膠比、水泥類型、骨料類型、骨料和水泥石體積含量等因素均會影響徐變，由表6可知其它條件相同時人工骨料略高于天然骨料試件的徐變度。

表6 不同骨料組合的徐變度

2.4 對耐久性能與熱學性能的影響

在實際使用過程中，混凝土長期保持外觀完整性、強度性能以及抵抗各種不利因素作用的能力統(tǒng)稱為耐久性，主要包括氣候風化、抗環(huán)境水、抗碳化、抗?jié)B透和抗凍融等性能[9]。本研究主要選用抗凍融和抗?jié)B透性能進行檢測見表7，結(jié)果表明其它條件相同時各組試件的耐久性相差不大。

表7 不同骨料組合的耐久性

大壩溫控設計離不開混凝土的熱學性能，其熱量擴散能力主要體現(xiàn)在導熱系數(shù)λ上，一般導熱系數(shù)λ越大則熱量擴散越快[10]。導熱系數(shù)受骨料礦物成分的影響較大，測試結(jié)果見表8。

表8 不同骨料的熱學性能

比熱c是一個反映混凝土對熱的傳遞響應的重要參數(shù)，可以衡量試樣單位重量、溫度變化時所吸收或釋放的熱能，與水分含量和水膠比等參數(shù)有關(guān)。骨料對比熱的影響相對較小，但仍有一定的影響，因為骨料的熱導率等熱學性質(zhì)會影響混凝土的傳熱效率。因此，混凝土中使用不同類型和配比的骨料，其比熱c存在差異。表8中給出的人工和天然骨料的比熱c差異不大，但不同類型和性質(zhì)的骨料可能會產(chǎn)生不同的效果。

線膨脹系數(shù)決定了混凝土在升溫或降溫過程中體積的變化大小，對結(jié)構(gòu)設計和施工具有重大影響。人工和天然骨料試件的線膨脹系數(shù)相差不大，但需要根據(jù)具體情況選擇合適的骨料配比，滿足結(jié)構(gòu)設計及溫度應力的要求。絕熱溫升是指在混凝土表面或深部某一位置的溫度升高，此時混凝土周圍無熱量交換，其絕熱性質(zhì)影響了結(jié)構(gòu)溫度應力的產(chǎn)生，造成絕熱溫升的原因包括水化反應放熱、外部環(huán)境吸熱、自身發(fā)熱等，受骨料的影響較小，主要與水泥用量、配合比等參數(shù)相關(guān)。因此，采取合理的技術(shù)措施和調(diào)整水泥用量、粉煤灰摻量等可以有效控制絕熱溫升的大小[11-13]。

3 結(jié) 論

天然骨料能夠降低水工混凝土導熱系數(shù)、用水量和絕熱溫升，這對于溫度控制非常有利。然而，天然骨料相對于人工骨料混凝土力學強度、自生體積變形以及極限拉伸值稍低。天然骨料混凝土適用于水工結(jié)構(gòu)中存在溫度控制要求的部位，因為它能夠降低絕熱溫升，提高結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性；人工骨料混凝土適用于重要結(jié)構(gòu)部位，它具有更好的自生體積變形能力和機械性能[14-16]。