水工混凝土用不同岩性人工骨料特征参数研究

石 妍，董 芸，张 亮，李 响

（长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010）

我国是世界上筑坝数量最多的国家，相对于其他工程来说，水工混凝土骨料粒径大，最大达150 mm（普通混凝土骨料为40 mm）；用量比例高，占混凝土材料质量的90%左右 （普通混凝土为75%～80%）[1-2]。因此，不同的骨料特性对水工混凝土性能的影响尤为显著，甚至会起着决定性的作用。正如P.K.Mehta所言： “将骨料作为一种惰性填充料这种传统的见解确实应该画上一个句号。如果不像对待水泥那样来重视骨料，显然是不恰当的。”[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，且品种多样，如三峡、大岗山等水电工程采用花岗岩骨料，溪洛渡、金安桥等水电工程采用玄武岩骨料，沙沱、观音岩、构皮滩等水电工程采用最常见的灰岩骨料，而锦屏水电站采用砂岩粗骨料和大理岩细骨料组合。本文选用花岗岩、玄武岩、灰岩、砂岩和大理岩等5种人工骨料，从物理力学性质、化学性质、长期吸水性及热学参数等角度，对比研究骨料的特征参数，为掌握骨料特性、分析其在混凝土中的行为以及水工混凝土配合比的科学设计、骨料料场的合理选择等提供技术支持。

1 试验原材料及方法

试验用5种人工骨料分别为大岗山花岗岩、溪洛渡玄武岩、沙沱灰岩、锦屏砂岩和大理岩，均取自水电工程现场。采用鄂式破碎机，将岩石加工为水工混凝土所需的颗粒粒径。

按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的规定，选取尺寸为0～5 mm的细骨料颗粒以及5～20 mm的粗骨料颗粒，进行骨料的物理力学性能指标检测。采用粒径20～40 mm的粗骨料颗粒，测试不同泡水时间的饱和面干吸水率，根据测试结果绘制吸水速率过程线。

按照GB/T 176—2008《水泥化学分析方法》的规定，采用化学滴定法对粒径0～0.16 mm的石粉进行化学成份分析。筛取粒径小于0.315 mm的细颗粒，冲洗烘干后置于装有1.00 mol/L氢氧化钠溶液的反应器中，密闭反应器并放入80℃的恒温水浴中，24h后取出，冷却后将溶液与细颗粒样品分离，细颗粒烘干进行SEM观测，以观察骨料的表面化学稳定性。将岩石加工为φ8 mm×50 mm和60 mm×100 mm×10 mm的样本，分别采用热膨胀系数测量仪和导热系数测量仪，测定不同岩石的热膨胀系数和导热系数。

2 试验结果及分析

2.1 不同骨料的物理力学性质

原岩的成因决定了混凝土骨料的组成及反应活性[4]。用于混凝土生产的骨料应具有较高的固有强度、韧性和稳定性，以便能抵御各种静态和动态应力、冲击及磨蚀作用，而不会导致混凝土性能的下降[5]。因此，在骨料选择及混凝土结构设计时应考虑骨料的力学性质及其对混凝土性能的影响。5种不同岩性骨料的检测结果见表1。

表1 骨料品质检测结果

对于水工混凝土用骨料，表观密度、坚固性及压碎指标均为重要的物理力学参数。骨料的表观密度取决于组成骨料矿物的密度及其孔隙率。试验用5种细骨料表观密度在2 640～2 920 kg/m3之间，粗骨料在2 660～2 930 kg/m3之间，花岗岩最小，玄武岩最大，即同体积的玄武岩骨料混凝土最重。

在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力即骨料的坚固性，通过硫酸钠溶液法5次循环后的质量损失率来表示。对于有抗冻、抗疲劳、抗冲磨要求或处于水中含有腐蚀介质并经常处于水位变化区的混凝土，环境条件和使用条件较恶劣，坚固性要求较严，细骨料和粗骨料质量损失率应分别不大于8%和5%。本试验细骨料坚固性在1.9%～5.3%之间，粗骨料在0.6%～1.6%之间，均满足设计要求。

压碎指标通过被压碎颗粒的质量百分比表示，指标值越低，说明石料抵抗压碎的能力越强，而压碎指标过大的粗骨料可能在高强混凝土中被压碎。5种粗骨料抗压碎能力由大到小为：玄武岩>灰岩>砂岩>花岗岩>大理岩。根据骨料的不同成因类别，DL/T 5144—2001《水工混凝土施工规范》对压碎指标的要求也不同，根据测试结果，5种粗骨料均可用于配制C9055~C9040强度等级的混凝土。

2.2 不同骨料的化学性质

骨料的化学性质主要是指骨料的化学反应活性以及其对混凝土耐久性能的影响。骨料中如果存在有害物质，会妨碍水泥的水化过程，影响骨料与水泥浆体的粘结。如果骨料本身含有一些活性物质，并与水泥中的碱产生碱骨料膨胀反应，将导致混凝土结构的破坏。资料表明[4]，花岗岩类岩石一般不含高活性的非晶质蛋白石、纤维状玉髓和稳晶质石英，仅部分花岗岩含有低活性微晶石英。玄武岩中石英含量较少且颗粒细小，基本是隐晶质微晶石英，部分玄武岩杏仁中还含有高活性玉髓。而石英砂岩的石英一般颗粒较细小，不含高活性的非晶质蛋白石，含有隐晶质微晶石英和微晶石英，部分石英砂岩还含有高活性硅质岩屑和流纹岩屑。不同岩性骨料的化学成分分析结果见表2，碱溶液浸泡后的不同骨料外观见图1。

表2 骨料化学成分分析结果 %

试验结果表明，花岗岩、玄武岩以及砂岩属硅质骨料，主要成分为SiO2，而灰岩、大理岩属钙质骨料，主要成分为CaO。经过氢氧化钠溶液浸泡后，灰岩、大理岩骨料结晶结构清晰，界面明显，表面残留碱溶液颗粒，但骨料本身无反应迹象，表面化学稳定性良好；花岗岩表面较圆润，结构不够均匀，块状构造已不明显；玄武岩骨料表面圆润，且疑有反应产物；砂岩骨料结构疏松，空隙明显，表面未见碱溶液颗粒。因此，灰岩与大理岩的表面化学稳定性良好。花岗岩、玄武岩和石英砂岩用作混凝土骨料时，为确保混凝土的耐久性和工程安全，应使用低碱水泥或掺入一定量的粉煤灰，并严格控制混凝土的总碱量，以防止发生危害性的碱骨料反应。

图1 碱溶液浸泡后的不同岩性骨料外观

2.3 不同骨料的长期吸水特性

骨料的吸水率一般以浸泡在水中24 h吸收的水分来确定，但不同品种骨料原岩的成因不同，骨料的孔隙结构及吸水特性也不同。不同岩性骨料的吸水速率见图2。从图2可知，骨料的吸水过程是长期的，24 h之前速率很快，后期增长缓慢；至365天，花岗岩、玄武岩、灰岩、砂岩及大理岩的吸水率分别为0.53%、0.51%、0.29%、0.84%及0.31%。24 h吸水率分别为1年的81%、53%、76%、64%及84%。其中，砂岩骨料的吸水率最高，玄武岩骨料的后期增长最显著。

图2 不同岩性骨料的吸水速率

骨料最初的吸水过程是水将大孔中的气体排开，因此这一阶段的吸水率增长较快。随后的气体逸出要先溶入在液相中，并通过扩散传递，这一阶段的吸水速率也就较为缓慢。骨料中较大的孔隙对其后期的吸水不会产生明显的影响，而细小的毛细孔隙的吸水则是一个长期的过程[5]。试验采用的锦屏砂岩骨料孔隙大且多为开口孔，其吸水率最高，会增加拌制混凝土的用水量及早期收缩；而溪洛渡玄武岩内部具有较多的闭口小气孔，其吸水过程较漫长，有可能影响混凝土后期的自收缩及干缩[6]。

2.4 不同骨料的热学参数

水工大体积混凝土的浇筑需考虑热稳定性和体积稳定性，其中骨料热学参数的影响极其重要。一方面具有较高热膨胀系数的骨料会使混凝土的热体积稳定性下降，另一方面骨料与水泥浆的热膨胀系数差异较大时，会造成较大的内应力，对混凝土的抗冻性影响明显。

不同岩性岩石的热膨胀系数和导热系数测试结果见表3，平均热膨胀系数曲线见图3。试验结果表明，不同品种岩石热膨胀系数及导热系数均随温度的升高而增加，大小顺序为：砂岩>花岗岩>玄武岩>大理岩>灰岩。试验用石英砂岩热膨胀系数及导热系数最高；而灰岩的热稳定性最佳，有利于大体积混凝土的体积稳定性。

表3 不同岩性骨料的热膨胀系数和导热系数

图3 不同品种岩石的平均热膨胀系数

骨料原岩的热学参数随骨料矿物组成及含量的变化而变化，石英具有较高的热膨胀系数和导热系数，而长石较低[5]。因此，两者的含量对骨料原岩的热学参数有重要影响，均随其石英含量的增加而增加。另外，骨料中的孔隙被认为是热的不良导体，而骨料中的水分则会增加热传导。

3 结 语

（1）花岗岩、玄武岩、灰岩、砂岩和大理岩5种细骨料表观密度在2 640～2 920 kg/m3之间，粗骨料在2 660～2 930 kg/m3之间，花岗岩最小，玄武岩最大。细骨料坚固性在1.9%～5.3%之间，粗骨料在0.6%～1.6%之间，均满足相关设计要求。5种粗骨料抗压碎能力由大到小为：玄武岩>灰岩>砂岩>花岗岩>大理岩，可满足C9055~C9040混凝土的配制要求。

（2）花岗岩、玄武岩及砂岩为硅质骨料，灰岩、大理岩为钙质骨料。灰岩与大理岩的表面化学稳定性良好；而花岗岩、玄武岩和石英砂岩用作混凝土骨料时应采取相应措施，以防止发生危害性的碱骨料反应。

（3）骨料的吸水过程是长期的，24 h之前速率很快，后期增长缓慢；花岗岩、玄武岩、灰岩、砂岩及大理岩的24 h吸水率分别为1年的81%、53%、76%、64%及84%，砂岩骨料的吸水率最高，但玄武岩骨料的后期增长显著，有可能影响混凝土长期收缩。

（4）石英砂岩热膨胀系数及导热系数最高；而灰岩的热稳定性最佳，有利于大体积混凝土的体积稳定性。

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

［2］刘秉京.混凝土技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］MEHTA P K.混凝土的结构、 性能与材料［M］.祝永年， 译.上海：同济大学出版社，1991.

［4］杨华全，李鹏翔，李珍.混凝土碱骨料反应［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［5］汪澜.水泥混凝土组成、性能、应用［M］.北京：中国建材工业出版社，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.