輝長巖骨料全級配碾壓混凝土力學特性研究

收稿日期：2023-07-06；接受日期：2023-11-01

基金項目：中國華能集團科技項目“TB水電站施工圖階段第一批重大科研項目”（HNKJ22-H87）

作者簡介：劉尚坤，男，高級工程師，主要從事混凝土材料試驗研究。E-mail：554264580@qqcom

通信作者：

戈雪良，男，正高級工程師，博士生導師，主要從事水工混凝土材料研究。E-mail：xlge@nhricn

EditorialOfficeofYangtzeRiverThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND40license

文章編號：1001-4179（2024）03-0190-09

引用本文：劉尚坤，何金龍，劉紫玫，等輝長巖骨料全級配碾壓混凝土力學特性研究［J］人民長江，2024，55（3）：190-198

摘要：

輝長巖堅硬致密，具有高強度、高彈模特性，但將輝長巖骨料應用于大型水電工程在國內外尚無先例，缺乏可借鑒的工程實踐經驗，且濕篩碾壓混凝土試件的力學性能無法真實反映全級配碾壓混凝土的力學特性。對輝長巖骨料最大粒徑為80mm的全級配碾壓混凝土的力學特性演化規律開展了系統研究，包括抗壓強度、劈拉強度、軸壓性能、軸拉性能、抗剪性能等，對比分析了全級配碾壓混凝土抗壓、劈拉強度及其濕篩試件的尺寸效應，并將試驗結果與國內典型工程所用碾壓混凝土的力學性能發展規律進行對比分析，此外還建立了輝長巖骨料全級配碾壓混凝土抗壓強度、劈拉強度、軸壓性能、軸拉性能等力學性能-養護齡期演化函數模型。結果表明：輝長巖骨料全級配碾壓混凝土的抗壓強度、劈拉強度、抗剪等力學性能隨齡期的發展規律符合國內同類工程碾壓混凝土力學性能發展的一般規律；C9020W8F100輝長巖全級配碾壓混凝土試件與其濕篩試件抗壓強度平均尺寸效應系數為080、劈拉強度平均尺寸效應系數為066；相關力學性能演化模型相關性高（R2=09643～09992）。可見輝長巖骨料用于大型水電工程碾壓混凝土壩建設具有可行性。

關鍵詞：輝長巖骨料；碾壓混凝土；全級配試件；濕篩試件；尺寸效應；力學性能

中圖法分類號：TV43

文獻標志碼：A" " " nbsp; " " " "DOI：1016232jcnki1001-4179202403026

0引言

碾壓混凝土因具有更高經濟效益及更快施工進度的優勢，常用于水利水電工程大壩的建設中［1-4］。中國自1978年開始研究碾壓混凝土筑壩技術，隨著300余座碾壓混凝土壩的設計及建設，中國碾壓混凝土筑壩數量、壩體類型以及筑壩施工技術水平均已處于國際領先地位［5-7］。碾壓混凝土中骨料的比例約為80%，骨料特性對于碾壓混凝土性能有著重要影響［8-9］。輝長巖堅硬致密，具有高強度、高彈模特性，輝長巖骨料配制大壩混凝土具有良好的力學性能，但其高強度、高彈模特性也存在不利于大壩混凝土防裂等問題。

由于試件尺寸及試驗設備條件的限制，室內試驗通常采用濕篩試件（剔除混凝土拌和物中粒徑大于40mm的粗骨料）來評定全級配碾壓混凝土相關特性。陳厚群等指出，較之全級配試件，濕篩試件除尺寸縮小外，水泥砂漿的占比也增大，混凝土的配合比隨之發生變化，濕篩試件力學性能無法真實反映全級配試件力學特征［10-11］。魏培勇等研究指出，靜態荷載下碾壓混凝土抗壓強度隨試件尺寸增大而減小［12］。Zheng等通過有限元研究了試件尺寸對混凝土抗壓強度的影響，發現當混凝土試件邊長與最大骨料粒徑之比約為35時，抗壓強度隨著試樣尺寸的增加而逐漸降低，最高將降低2765%［13］。另有研究發現，全級配碾壓混凝土軸拉強度比濕篩試件軸拉強度低約20%～30%時，軸拉強度降幅將隨齡期增加而逐漸減小［14］；楊成球等發現正長巖和玄武巖人工骨料全級配碾壓混凝土養護至180d時，抗彎強度是濕篩混凝土強度的60%［15］；李中田等的試驗結果顯示，全級配混凝土齡期為90～360d時的劈裂抗拉強度為濕篩試件的68%～87%［16］。上述研究成果說明碾壓混凝土的主要力學性能均存在明顯的尺寸效應，濕篩試件的力學性能與全級配碾壓混凝土力學性能間的尺寸效應系數總體規律基本一致，但具體比值有較大差異，這主要與碾壓混凝土所采用的骨料有關，可見骨料對于混凝土力學性能存在重要影響［17-18］。

中國西南地區TB水電站為大（1）型工程，電站擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，最大壩高15800m。根據工程需要，混凝土骨料采用輝長巖軋制，亟需對輝長巖骨料配制而成的全級配碾壓混凝土的力學特性，以及全級配試件與濕篩試件主要力學性能的尺寸效應系數開展試驗研究，為設計與工程計算提供依據。鑒于輝長巖骨料應用于大型水電工程在國內外尚無先例，因此本文開展了最大粒徑為80mm的輝長巖骨料全級配碾壓混凝土力學性能研究工作，并對輝長巖骨料全級配碾壓混凝土與其濕篩碾壓混凝土試件立方體抗壓強度、劈拉強度尺寸效應進行了研究，以期為輝長巖骨料應用于高碾壓混凝土重力壩提供技術支撐。

1原材料、配合比與試驗方法

11原材料及配合比

試驗采用祥云P·MH425中熱硅酸鹽水泥、曲靖F類Ⅱ級粉煤灰，其物理力學性能分別見表1～2。試驗采用的骨料為輝長巖人工砂和輝長巖粗骨料，其相關指標的檢驗結果分別見表3～4。外加劑選用性能指標滿足GB8076-2008《混凝土外加劑》要求的JM-Ⅱ緩凝型高效減水劑和GYQ-Ⅰ引氣劑，試驗所用拌和水為南京市自來水。

混凝土配合比設計采用體積法，用水量以骨料為飽和面干狀態為準進行計算。全級配碾壓混凝土所用粗骨料大石∶中石∶小石=30∶40∶30，混凝土含氣量控制在30%～40%范圍內，試驗所用全級配碾壓混凝土的配合比見表5。

12試驗方法

測試輝長巖骨料全級配碾壓混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度的試件尺寸均為300mm×300mm×300mm（見圖1（a））、對應的濕篩試件尺寸均為150mm×150mm×150mm；測試全級配軸向拉伸性能（軸拉強度、軸拉彈模）的試件尺寸為300mm×300mm×750mm（見圖1（b）），試件兩端預埋夾具；測試全級配軸壓性能（軸壓強度、軸壓彈模）的試件尺寸為Φ300mm×600mm（見圖1（c））；測試全級配抗剪性能的試件尺寸為300mm×300mm×300mm。

上述全級配碾壓混凝土、濕篩混凝土試件的制作、養護參照DL/T5433-2009《水工碾壓混凝土試驗規程》中的相關規定進行；養護至相關齡期后分別開展立方體試件的抗壓、劈裂抗拉、軸壓、軸拉與抗剪試驗。

使用的大型試驗設備主要包括：YAJ-20000微機控制電液伺服壓剪試驗機，用于全級配抗壓強度、劈拉強度、軸壓性能以及抗剪性能測試；LASSE-200微機控制電液伺服陣列加載試驗系統，用于全級配軸拉性能試驗；3000kN微機控制壓力試驗機，用于濕篩試件抗壓強度、劈裂抗拉強度測試。此外，完成相同養護齡期的全級配碾壓混凝土與其對應的濕篩碾壓混凝土的立方體試件抗壓強度或劈裂抗拉強度的比值稱為“尺寸效應系數”。

2試驗結果與分析

21碾壓混凝土尺寸效應

211抗壓強度尺寸效應

對C9020W8F100全級配碾壓混凝土試件抗壓強度尺寸效應進行研究，全級配碾壓混凝土、濕篩碾壓混凝土抗壓強度試驗結果如圖2所示，并得到抗壓強度尺寸效應系數如圖3所示。

結果表明：輝長巖骨料碾壓混凝土全級配試件與濕篩試件抗壓強度尺寸系數在070～088之間，平均尺寸效應系數為080；輝長巖骨料全級配碾壓混凝土的抗壓強度低于相應的濕篩混凝土試件，小尺寸試件具有更高的強度。這與以往同類工程碾壓混凝土試件抗壓強度隨試件尺寸增大而減小的試驗規律是一致的［16，19］。

在具體尺寸效應系數方面，以往灰巖骨料碾壓混凝土抗壓強度平均尺寸效應系數約為072左右，花崗巖骨料的尺寸效應系數約為076左右，而試驗所得輝長巖骨料碾壓混凝土的尺寸效應系數略高，這是因為不同骨料的巖性是由本身強度決定的。在抗壓強度尺寸效應隨齡期變化規律方面，輝長巖全級配碾壓混凝土與其濕篩碾壓混凝土抗壓強度尺寸效應系數隨養護齡期的增加呈增大趨勢。隨著齡期的增長，水化反應的進行，全級配試件及濕篩試件的力學強度均進一步增長，兩者間的尺寸效應系數隨齡期的發展逐漸減小。

212劈裂抗拉強度尺寸效應

C9020W8F100全級配碾壓混凝土、濕篩碾壓混凝土劈拉強度試驗結果如圖4所示，并得到劈拉強度尺寸效應系數如圖5所示。

結果表明：輝長巖骨料全級配碾壓混凝土的劈拉強度低于相應的濕篩混凝土試件，輝長巖碾壓混凝土劈拉強度尺寸效應系數隨著養護齡期的增加呈增大趨勢，與文獻［14］結果相似；輝長巖碾壓混凝土劈拉強度尺寸效應系數在057～076之間，平均尺寸效應系數為066，均低于文獻［15-16］中正長巖、玄武巖與天然卵石骨料碾壓混凝土劈拉強度尺寸效應系數。因此，骨料種類對抗壓、劈拉強度尺寸效應系數均有一定影響，且尺寸效應對輝長巖骨料碾壓混凝土劈拉強度的影響大于對抗壓強度的影響。

22輝長巖全級配碾壓混凝土力學性能

221立方體試件抗壓強度

C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖全級配碾壓混凝土的立方體試件抗壓強度隨齡期發展規律如圖6所示。

結果表明：養護至90d時，C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖骨料全級配碾壓混凝土抗壓強度分別達到212，158MPa，均已達到設計強度指標。隨著養護齡期的增加，輝長巖全級配碾壓混凝土抗壓強度增長速率逐漸降低。

以各齡期的碾壓混凝土抗壓強度與各自28d抗壓強度的比值，即“抗壓強度發展率”進行分析，C9020W8F100、C9015W6F100混凝土7～180d的抗壓強度發展率分別為53%～199%和47%～185%。參考中國47個類似工程不同齡期的584組碾壓混凝土抗壓強度室內試驗強度發展率統計情況［20-21］（見表6），可以看出輝長巖骨料全級配碾壓混凝土各齡期的抗壓強度發展率基本達到了同類工程碾壓混凝土平均水平。

結果表明：隨著養護齡期的增加，C9020W8F100、C9015W8F100輝長巖骨料全級配碾壓混凝土劈裂抗拉強度的差異性逐漸增大。在同類骨料條件下，膠凝材料用量對于碾壓混凝土抗拉強度影響較大［16］，更多的膠凝材料用量使得C9020W8F100輝長巖骨料碾壓混凝土在養護至中后期時的劈拉強度增強效果更好。

同樣地，將各齡期的碾壓混凝土劈拉強度與各自28d劈拉強度的比值稱為“劈拉強度發展率”。C9020W8F100、C9015W6F100混凝土7～180d的劈拉強度發展率分別為41%～196%和43%～194%。參考國內同類工程不同齡期碾壓混凝土室內試驗劈拉強度增長情況統計結果［20-21］（見表7），通過對比可知，輝長巖碾壓混凝土劈拉強度發展率與同類工程統計分析得到的平均增長率非常接近。

223軸壓強度及軸壓彈性模量

C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖全級配碾壓混凝土的軸壓強度、軸壓彈性模量隨齡期發展規律如圖8～9所示。

結果表明：C9020W8F100、C9015W8F100輝長巖碾壓混凝土的軸壓強度與軸壓彈模隨養護齡期的增長逐漸增大，但軸壓彈模增長速率低于軸壓強度。

全級配碾壓混凝土的彈性模量受骨料的特性影響較大［22-23］，C9020W8F100、C9015W8F100混凝土7～180d的軸壓彈模與軸壓強度，與前文所述的抗壓強度與劈拉強度發展規律有一定區別。在養護至90d后，不同水膠比的混凝土軸壓、抗壓及劈拉強度差距逐漸增大，而軸壓彈模差異逐漸減小，說明輝長巖全級配碾壓混凝土的軸壓彈模受骨料因素影響較大。

224軸拉強度及軸拉彈性模量

C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖全級配碾壓混凝土的軸拉強度、軸拉彈性模量隨齡期發展規律如圖10～11所示。

結果表明：輝長巖全級配碾壓混凝土C9020W8F100、C9015W6F100軸拉強度與彈模隨養護齡期的增大而增加，且增長趨勢逐漸變緩，而軸拉彈模增長速率遠低于軸拉強度。此外，兩種不同水膠比混凝土在養護至180d時的軸拉強度差距逐漸增大。在骨料相同時，減少膠凝材料用量對輝長巖全級配碾壓混凝土的軸拉強度將產生較大影響。對比C9020W8F100、C9015W6F100兩種設計強度等級全級配碾壓混凝土的軸壓彈性模量、軸拉彈性模量可知，在試驗進行的7，28，90，180d齡期內，各齡期的軸拉彈性模量均大于軸壓彈性模量，且隨著水化齡期的進行，這種趨勢逐漸增大，在7d齡期時軸拉彈模約比軸壓彈模高158%～396%，至180d齡期時軸拉彈模則約比軸壓彈模高1514%～1967%。

225抗剪參數

輝長巖全級配碾壓混凝土抗剪試驗結果見表8，中國典型工程碾壓混凝土在不同齡期的抗剪指標結果見表9～10。

結果表明：C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖全級配碾壓混凝土的抗剪摩擦系數范圍分別為116～147和111～133、抗剪黏聚力范圍分別是174～246MPa和142～208MPa，摩擦系數及抗剪黏聚力均隨齡期增長而增大。與表9～10中典型工程碾壓混凝土在不同齡期的抗剪參數相比（28～180d抗剪摩擦系數114～177、抗剪黏聚力120～292MPa），輝長巖骨料全級配碾壓混凝土的抗剪參數與所列典型工程碾壓混凝土抗剪參數發展規律基本一致，且滿足工程施工安全需要。

23力學性能演化模型

根據22節中C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖全級配碾壓混凝土的力學性能試驗結果，對其隨養護齡期演化規律進行研究。

231抗壓、劈拉、軸壓強度發展模型

C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖骨料全級配碾壓混凝土各齡期的平均抗壓、劈拉、軸壓強度發展率與養護齡期關系如圖12所示，均呈冪指數函數關系，各強度演化規律及擬合相關系數見表11。

注：t為輝長巖全級配碾壓混凝土養護齡期，d；Rct、Rpt、Rzt分別為養護齡期為t時輝長巖全級配碾壓混凝土的抗壓強度、劈拉強度及軸壓強度。

232軸壓彈性模量發展模型

混凝土彈性模量E（t）是齡期t的函數，隨齡期增長而增加，最后達到一個穩定值。朱伯芳院士曾提出雙曲線公式和復合指數公式兩種類型公式［30］，并指出對于碾壓混凝土而言，因其粉煤灰摻量較高，混凝土早期彈性模量發展較慢，雙曲線公式與試驗結果吻合效果更好［31］。因此，現采用雙曲線函數來表征輝長巖骨料全級配碾壓混凝土軸壓彈模與養護齡期的關系：

E（t）=E0tc+t（1）

式中：

E0為混凝土初始彈性模量，GPa；

t為養護齡期，d；

c為常數。

式（1）亦可改寫為

tE（t）=cE0+tE0（2）

以養護齡期t為橫坐標，t/E（t）為縱坐標，通過輝長巖全級配碾壓混凝土軸壓彈性模量試驗數據繪圖（見圖13），圖13中直線截距對應式（2）中的c/E0，斜率為式（2）中的1/E0，即可求得式（2）中E0=36364，c=5222。

根據求得的E0和常數c，輝長巖骨料全級配碾壓混凝土軸壓彈性模量與養護齡期間的雙曲線模型（見圖14）如下：

E（t）=36364t5222+t（3）

該雙曲線模型可以客觀反映輝長巖骨料全級配碾壓混凝土軸壓彈性模量隨齡期的發展變化規律，隨著齡期的增長，軸壓彈模有一定程度增長但趨勢變緩，說明彈性模量增長速度是逐漸放慢的，最后將達到穩定值，符合混凝土彈性模量的發展規律。

233軸拉性能發展模型

對輝長巖骨料C9020W8F100、C9015W6F100全級配碾壓混凝土各齡期的軸拉強度、軸拉彈模與養護齡期進行回歸分析，關系如圖15所示，各性能演化規律及擬合相關系數結果見表12。

結果表明，輝長巖骨料全級配碾壓混凝土軸拉性能與養護齡期存在較好的對數相關性（R2＞096），擬合曲線一直有上升的趨勢，但在前期升高比較快，后期趨于平緩，這說明全級配碾壓混凝土軸拉強度、軸拉彈模發展率隨齡期發展是逐漸增加的，但早期增長率發展得較快，后期發展緩慢；當齡期發展到一定階段時會趨于穩定，即發展率將趨于定值。

3結論

本文對輝長巖骨料全級配碾壓混凝土進行了深入試驗研究，得出的主要結論如下：

（1）C9020W8F100輝長巖骨料全級配碾壓混凝土抗壓強度及劈拉強度低于相應的濕篩混凝土試件，不同養護齡期（7～180d）下抗壓強度尺寸系數在070～088范圍內，抗壓強度平均尺寸效應系數為080；劈拉強度尺寸系數在057～076之間，劈拉強度平均尺寸效應系數為066。

（2）輝長巖骨料碾壓混凝土抗壓強度及劈拉強度尺寸系數隨養護齡期的增加呈現平穩增加趨勢；尺寸效應對輝長巖骨料碾壓混凝土劈拉強度的影響更大。

（3）C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖全級配骨料碾壓混凝土立方體試件的抗壓強度、劈拉強度發展率基本達到國內同類典型工程中碾壓混凝土強度發展率的平均水平；不同水膠比輝長巖骨料全級配碾壓混凝土的軸壓彈模在養護至90d后逐漸趨于一致；軸拉強度及軸拉彈形模量在養護齡期達到90d后增長趨勢較為平緩。

（4）C9020W8F100、C9015W6F100輝長巖骨料全級配碾壓混凝土立方體試件的抗壓強度、劈拉強度、軸壓強度-時間演化模型符合冪指數函數關系，軸壓彈模-時間演化模型符合雙曲線函數關系，軸拉力學性能-時間演化模型呈對數函數形式。以上力學性能-時間演化函數模型均具有較高的相關性，可較好地表征輝長巖骨料碾壓混凝土的力學特性。

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（編輯：胡旭東）