组合骨料对全级配混凝土性能影响研究

2020-12-01陈治旭张建峰

四川建材 2020年11期

陈治旭，张建峰，董芸

(1.贵州华电乌江水电工程项目管理有限公司，贵州贵阳 550002；2.长江水利委员会长江科学院，湖北武汉 430010)

0 前言

骨料是混凝土的重要组成部分，在水工混凝土中占混凝土材料总质量的90%左右，普通混凝土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其显著和重要，甚至会起决定性作用[3]。受附近料源的限制，水工混凝土中人工骨料的品种是多样的，骨料的性质是影响水电工程质量和耐久性的关键因素之一，密切关系到大坝的安全与服役寿命[4-6]。水利水电工程由于混凝土方量大，往往就地取材，但随着我国水电开发逐渐转向金沙江、大渡河、雅砻江、澜沧江等水系上游地区，当地骨料岩性和矿物组成复杂，导致骨料的特性相差较大，进而影响混凝土的质量。总的来说，灰岩强度适中、易于加工、骨料粒形好、热学性能佳，是人工骨料中的首选，花岗岩也较理想，但玄武岩、石英岩等岩石强度高、弹模大、针片状颗粒多、粒形稍差，砂岩则是弹性高、多孔吸水。但工程现场单一料源多少会有一定的缺陷，如何更好的利用现有骨料已经成为水电工程建设面临的一个难点。组合骨料可以充分利用不同骨料的优势，进而提升混凝土性能，本文通过研究不同岩性组合骨料对全级配混凝土性能的影响，为组合骨料在水工混凝土中的进一步应用提供支撑。

1 原材料

试验用水泥为四川峨嵋P·O42.5中热硅酸盐水泥，粉煤灰由云南宣威电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，外加剂分别为浙江龙游五强混凝土外加剂有限公司生产的ZB-1 A型缓凝高效减水剂和上海麦斯特建材有限公司生产的AIR 202型引气剂，这几种原材料均满足相应标准的要求。

试验使用了两种岩性的细骨料，大理岩人工砂和砂岩人工砂，粗骨料为砂岩，表观密度为2.70 g/cm3。砂子的品质检验结果见表1，颗粒分布见表2。

表1 人工砂的品质检验结果

表2 人工砂颗粒分布 %

试验结果表明：大理岩砂粒径小于0.16 mm及2.50～5.00 mm的颗粒较多；砂岩砂中粒径大于2.5 mm的颗粒略多，级配曲线基本在中砂线范围内。

2 全级配混凝土性能试验研究

2.1 配合比及试件尺寸

对全砂岩骨料和组合骨料(大理岩砂+砂岩粗骨料)混凝土分别进行全级配混凝土性能试验，试验采用峨嵋中热水泥，水胶比0.43，粉煤灰掺量35%，特大石、大石、中石、小石组合比例35∶25∶20∶20。全级配混凝土配合比和拌和物性能见表3。试验结果表明，使用砂岩砂，大坝混凝土用水量为97 kg/m3，使用大理岩砂，大坝混凝土用水量为89 kg/m3，全砂岩骨料混凝土用水量比组合骨料混凝土用水量多8 kg/m3左右。此外，尽管组合骨料所使用的大理岩砂石粉含量很高，达到了29.8%，但全砂岩骨料混凝土的和易性比组合骨料混凝土差，且达到相同含气量时，所需引气剂掺量较多。

全级配混凝土的拌和、成型、养护及性能试验均按《水工混凝土试验规程》(DL/T5150—2017)的相关规定进行。全级配混凝土拌和成型同时，成型湿筛混凝土小试件作为陪伴试件，以比较全级配大尺寸混凝土与湿筛小试件混凝土之间的性能差异。配合比见表3。

表3 不同骨料组合全级配混凝土试验配合比

2.2 力学性能

不同骨料组合全级配及湿筛混凝土的抗压强度和抗拉强度见图1，全级配混凝土抗拉强度试验断裂面情况图2。

图1 不同骨料组合全级配混凝土力学性能

由试验结果可知：全砂岩骨料全级配混凝土各龄期的抗压强度均略低于组合骨料全级配混凝土，与湿筛混凝土规律相同。两种不同骨料组合的全级配混凝土，7 d龄期抗压强度均略高于湿筛混凝土，28 d龄期及以后各龄期的抗压强度则略低于湿筛混凝土，但全级配混凝土与湿筛混凝土各龄期的抗压强度及抗压强度增长率相差不大。与湿筛混凝土规律相同，全砂岩骨料全级配混凝土各龄期的抗拉强度略低于组合骨料全级配混凝土。全级配混凝土28 d龄期及以后各龄期的抗拉强度均明显低于湿筛混凝土，这与全级配混凝土中大尺寸骨料引入的较多界面缺陷有关，从全级配混凝土轴拉试件断裂面也可以看到，拉伸试验试件破坏时，有较多大骨料被拉断，也有部分大骨料被拔出。骨料占据混凝土体积比为2/3甚至更高，骨料的类型和尺寸是影响界面过渡区(ITZ)结构形成和随后混凝土损伤过程的重要参数。界面粘结性能是混凝土抗拉强度的决定因素，骨料-水泥基质的界面的结合强度取决于三种不同的机理作用[7]，分别是：水泥水化产物与骨料表面粗糙度的机械咬合作用、水化产物在骨料表面的晶体取向性，以及水化水泥浆体和骨料之间因化学反应而产生的物理-化学粘结。

2.3 变形性能

不同骨料组合全级配混凝土的干缩试验结果和自生体积变形试验结果见图3。从图3可以看到，在其他条件相同时，组合骨料的全级配混凝土干缩率比全砂岩骨料的小，这主要是由于全砂岩骨料混凝土的单位用水量更大，胶材用量多，其干缩率也更大。

图3 全级配混凝土变形性能变形随时间变化的关系曲线

全砂岩骨料全级配混凝土和组合骨料全级配混凝土的自生体积变形均为收缩变形，且随龄期增长收缩变形增大，到50d龄期左右趋于稳定，其自生体积变形趋势保持一致，全级配全砂岩骨料混凝土与组合骨料混凝土360 d龄期自生体积收缩变形分别为30×10-6和22×10-6，360 d全砂岩骨料混凝土略高。这是由于石英砂岩与大理岩的物理特性不同，前者属于沉积岩，由原生物碎屑组成，而后者属于变质岩，由石灰岩重结晶而成，具有颗粒紧密的粒状变晶结构；混凝土持荷收缩受细骨料影响明显，而自收缩受粗骨料特性影响明显[8-9]。

2.4 耐久性能

全级配混凝土抗渗性试验参照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)湿筛小尺寸混凝土相对渗透性试验方法进行。从180d龄期的全级配混凝土试件(尺寸450 mm×450 mm×450 mm)中钻取尺寸为φ100 mm×300 mm的芯样，参照抗冻试验方法对全级配混凝土芯样进行快速冻融试验，测定全级配混凝土的抗冻性能。不同骨料组合全级配混凝土耐久性试验结果见表4，不同骨料组合全级配混凝土的相对渗透系数和平均渗水高度比较见图4。

表4 全级配混凝土抗冻试验结果

(a) 相对渗透系数

(b) 渗水高度图4 全级配混凝土抗渗性能

试验结果表明，全砂岩骨料全级配混凝土的渗透系数小于组合骨料全级配混凝土，抗渗性能较好。两种骨料组合全级配混凝土的抗渗等级均大于W16，抗冻等级均大于F300。。经过300次冻融循环后，部分试件出现骨料脱落现象，其他试件表面光滑、完好，全砂岩骨料全级配混凝土芯样的相对动弹性模量大于组合骨料混凝土，抗冻性能较好。但相对动弹性模量均接近60%，这是由于全级配混凝土内部的大尺寸骨料对全级配混凝土的抗冻性影响较大，由于骨料尺寸增大引起混凝土内部结构不均匀性增加，缺陷和薄弱环节增加，使冻融循环过程中，全级配混凝土内部过渡区微裂缝发展更快，损伤更严重。