组合骨料对锦屏一级大坝混凝土性能影响的试验研究

2011-12-24肖延亮尹习双周小波

水电站设计 2011年4期

肖延亮,尹习双,周小波

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

锦屏一级水电站水库为雅砻江流域中游的龙头水库，电站装机容量3 600MW。混凝土双曲拱坝坝高305m，是世界上在建的最高混凝土双曲拱坝，大坝混凝土用量约595万m3。由于骨料占水工混凝土的体积达到60%～80%(质量为75%～90%)，骨料对新拌和硬化混凝土的性能、经济性有显著的影响,因此在水利水电工程中，使用合适类型且质量优良的骨料是非常重要的[1-2]。

锦屏一级水电站坝址附近存在储量满足工程要求两种岩性的骨料，即大理岩、砂岩。料场的分布情况见表1。

表1 料场分布情况

锦屏的骨料碱活性检测结果表明，锦屏大奔流沟砂岩存在潜在碱骨料活性。为了减少大坝混凝土中活性骨料的含量，减少大坝混凝土碱骨料反应破坏的风险，大坝混凝土采用组合骨料，即组合骨料对大坝混凝土其它性能的影响是值得重视的。

2 原岩的基本性能

按照DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》要求，建筑材料用的岩石强度是指边长为50mm的立方体或直径与高均为50mm的圆柱体试件单轴抗压强度(以每组六个试件的抗压强度测值，除去最大值和最小值，取其余四个测值的平均值作为试验结果)，试验结果见表2。

表2 原岩的基本性能

从表2的试验结果看，除大理岩的饱和抗压强度只是略低于规范2[3]对变质岩强度的要求外，砂岩的原岩抗压强度满足规范1[4]与规范2[3]的要求，且砂岩的强度远高于大理岩。

3 人工骨料基本性能

人工骨料的性能试验结果见表3。从表3的试验结果看，大理岩的压碎指标为20.4%，远高于砂岩的压碎指标。从人工骨料的压碎指标可知，大理岩人工骨料的的强度比砂岩人工骨料低。

4 混凝土性能试验结果

从表4的试验结果看，当水胶比为0.40时，由大理岩配制的混凝土劈拉强度不能满足设计要求，大理岩骨料不能单独作为锦屏一级水电站的人工骨料。同时为减少大坝混凝土中活性骨料的含量，进行了砂岩粗骨料+大理岩细骨料(简称组合骨料)的混凝土试验，试验结果见表4、5。

表3 人工骨料性能试验结果

表4 混凝土性能试验结果(1)

表5 混凝土性能试验结果(2)

比较组合骨料与全砂岩骨料混凝土的试验结果可知：

(1)组合骨料的抗压强度呈规律性增长，组合骨料混凝土28d前的强度比同水胶比全砂岩混凝土略高，180d抗压强度与全砂岩混凝土大致相当。

(2)组合骨料混凝土的180d劈拉强度比同水胶比的全砂岩混凝土略低，但0.38水胶比的混凝土的180d劈拉强度达到3.51MPa，可以满足锦屏一级水电站的设计要求。

(3)组合骨料的180d弹性模量与全砂岩混凝土大致相当。

(4)组合骨料混凝土的用水量比全砂岩混凝土低5kg/m3,混凝土的绝热温升低0.4℃。

(5)组合骨料混凝土的线膨胀系数比全砂岩混凝土高。

(6)组合骨料混凝土的压缩徐变比全砂岩混凝土小。

5 混凝土抗裂指标分析

从表4、5的试验结果可知，采用混凝土的单一指标较难评价组合骨料混凝土与全砂岩混凝土孰优孰劣。本文采用如式1所示的抗裂指数Kz来评价混凝土的抗裂能力。表达式如下：

(1)

式中εP——混凝土极限拉伸值，10-6；

R——混凝土的抗拉强度，MPa;

C——混凝土的徐变，1/MPa;

G——混凝土的自生体积变形；

Tr——混凝土的水化温升值，℃;

α——混凝土的线膨胀系数，10-6/℃。

抗裂指数Kz考虑了混凝土的极限拉伸值、抗拉强度、徐变、线膨胀系数、自生体积变形等对混凝土抗裂性能的影响，可综合评价混凝土的抗裂能力，因而采用抗裂指数评价是比较科学的。Kz越大，混凝土的抗裂能力越强。从表5可知，组合骨料混凝土的抗裂性能比全砂岩混凝土的抗裂能力高。

6 试验结果机理分析

通过试验结果分析如下点：

(1)骨料在加工过程中会产生一些微裂隙，不同种类的骨料，产生微裂缝的几率不一样。一般强度高、结构致密的骨料在加工过程中不易产生裂缝，而强度低、结构较疏松的骨料在加工过程中较易产生微裂缝。由于锦屏一级水电站三滩的大理岩的强度较低，在加工过程中易产生微裂缝，微裂缝成为薄弱环节而存在混凝土中。当混凝土受压时，垂直与荷载方向的裂缝在压应力作用下闭合，而在受拉应力时加速裂缝的扩展，故用大理岩人工骨料配制的混凝土虽抗压强度较高，但劈拉强度不高。

(2)骨料在加工过程中总是按照最薄弱环节破碎，随着骨料粒径的减小，骨料中的缺陷就逐渐减少，所以细骨料的强度往往大于粗骨料[5]。从试验结果可知，当混凝土180d抗压强度大致相当时，组合骨料混凝土的180d劈拉强度、轴拉强度远高于大理岩混凝土，主要是由于组合骨料混凝土以强度较高的砂岩粗骨料作为混凝土骨架。

(3)大理岩的线膨胀系数较砂岩低，组合骨料采用大理岩细骨料代替砂岩细骨料，降低了骨料体系的平均线膨胀系数；组合骨料混凝土胶材用量低，且水泥石的线膨胀系数高于骨料[8]。所以组合骨料混凝土的线膨胀系数比砂岩混凝土低。