不同骨料的水工混凝土变形性能研究

孟庆宇

(凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200)

0 引 言

研究表明，水工混凝土中的骨料质量所占比例最高可以达到90%，普通混凝土中骨料质量百分比为75%-80%[1-3]。骨料作为重要组成材料，骨料特性直接决定着混凝土的性能，甚至产生极其重要和显著的影响[4]。水工混凝土受周边料源限制，一般有多种人工骨料品种，而骨料性质是水工结构耐久性和工程质量的关键影响因素，密切关系着水利工程的服役寿命和安全运行[5-6]。因此，研究水工混凝土性能受骨料特性的影响机制，进一步揭示混凝土中骨料的内在作用机理，有利于科学设计配合比及改善水工混凝土性能。

1 试验方法

1.1 原材料

试验用水泥为海螺P·O 42.5级水泥，其28d抗压强度50.2MPa，比表面积306m2/kg；试验用粉煤灰为绥中电厂生产的Ⅰ级灰，其三氧化硫含量0.36%，烧失量2.12%，需水量比92%；试验用外加剂为苏博特GYQ®-Ⅰ引气剂和JM®-Ⅵ系列的高效减水剂。

试验采用人工砂石骨料，如花岗岩、大理岩、砂岩、玄武岩和灰岩，力学性能见表1，粗细骨料品质参数见表2。

表1 岩石骨料的力学性能

表2 粗细骨料的品质参数

结果显示，从低到高天然岩石抗压强度依次为砂岩<大理岩<灰岩<玄武岩<花岗岩，弹性模量依次为砂岩<花岗岩<大理岩<玄武岩<灰岩，花岗岩和砂岩具有相对较低的弹性模量，而玄武岩和灰岩具有较高的弹性模量。

设计0.41和0.46两种水胶比，试验研究不同骨料混凝土的极限拉伸值和弹性模量，对水胶比0.41的试样进行抗裂试验，对水胶比0.46的试样进行干缩测试，拌合物性能及试验配合比见表3。

表3 拌和物性能及试验配合比

1.2 试验方法

根据《水工混凝土试验规程》进行干缩试验、弹性模量和极限拉伸试验，混凝土试样为515mm×100mm×100mm，砂浆试样为280mm×25mm×25mm。采用规范推荐的平板法作为混凝土平板抗裂性试验方法，试模为63mm×600mm×600mm。测试温度-应力的试样截面尺寸150mm×150mm，有效总长1500mm。试验机配备一个活动和一个固定于基架上的两个夹头，荷载传感器和活动夹头连接于减速箱上。通过循环介质温控模板能够冷却或加热试件，将两个直线位移LVDT高精度传感器平行设置于试件两侧，通过位移、荷载和温度传感器自动控制系统可以自动纪录试件及活动夹头的变形、应力、温度，见图1。

图1 温度应力试验机构造图

TCE1标准试验机法区别于定常温度环境的传统试验方法，TCE1法考虑了非恒温环境下的混凝土水化，水泥水化温度应力可以利用安装的应力仪实现全过程直接纪录。混凝土的开裂时间和开裂温度采用人工强制冷却的方式确定，实际上就是将冷却水泵入试验机内试件周围。通过绘制时间与混凝土温度、应力、应变的变化过程曲线，从而揭示不同骨料的试件抗裂性能，主要测试流程为：①首先，将混凝土拌合物直接浇筑于试验机内部，并振捣密实，表面抹平；②启动温度-应力试验机检测试件内部的中心温度，启动同步电机以及温度控制系统，确保混凝土试件处于半绝热状态和100%约束状态；③内部中心温度达到峰值并处于稳定时，按1℃/(3-5min)的温降速率对混凝土试件强制降温直至开裂；④开裂后终止试验，输出并分析试验数据。

2 结果与分析

2.1 混凝土与砂浆干缩

不同骨料混凝土和砂浆的干缩曲线，见图2。试验表明，从小到大不同骨料的混凝土与水泥砂浆的干缩率排序为灰岩<大理岩≈花岗岩≈玄武岩<砂岩，并且骨料对混凝土干缩率的影响<砂浆<净浆。混凝土干缩受骨料的影响较大，通过对比净浆、砂浆和混凝土的干缩率变化可知，骨料具有一定的“限制”干缩作用，骨料相同的砂浆和混凝土干缩率大小更好地说明这种干缩“限制”作用。研究认为，砂浆和混凝土干缩差异与不同骨料自身性质的差异密切相关。

(a)混凝土试件

2.2 极限拉伸值与弹性模量

不同骨料混凝土的极限拉伸值以及弹性模量试验结果，见图3。试验表明：①随龄期的推移5种骨料混凝土的弹性模量均不断增大，水胶比相同情况下，从低到高混凝土弹性模量排序为砂岩<花岗岩≈大理岩<玄武岩<灰岩，花岗岩和砂岩混凝土具有较低的弹性模量，而玄武岩和灰岩具有较高的弹性模量。②粗骨料占混凝土的体积率较高，充当着骨架作用。一般地，混凝土弹性模量随粗骨料弹性模量的增加而增大，拌合物中弹性模量高的骨料用量越多则混凝土的弹性模量就越高，灰岩混凝土的弹性模量最高与灰岩自身的性质密切相关；与灰岩相比花岗岩和砂岩混凝土的弹性模量相对较低，而花岗岩略低于大理岩混凝土的弹性模量。③随龄期的推移混凝土极限拉伸值呈上升趋势，龄期达到28d时，从低到高极限拉伸强度排序为花岗岩≈玄武岩<大理岩<灰岩<砂岩，采用碎石、轻骨料等黏结力好且弹性模量低的骨料能够提高极限拉伸值。在水泥用量相近、水泥强度等级和水胶比相同的情况下，凝胶材料与骨料的结合可能是导致混凝土极限拉伸性能差异的重要原因[7-8]。

(a)极限拉伸值(水胶比0.41)

2.3 早期开裂敏感性试验

1)TST试验结果。采用温度-应力试验机测定不同骨料混凝土的关键参数见表4，不同骨料混凝土内部应力变化曲线见图5。

(a)灰岩骨料

表4 混凝土温度应力关键参数

试验表明：①大理岩和灰岩骨料混凝土具有较高的开裂应力，两者的最大开裂应力达到0.87MPa和0.85MPa；混凝土的抗拉强度<拉应力时发生开裂，此时对应的应力称为约束状态下同龄期混凝土的抗拉强度，也等于其开裂应力，显然开裂应力越大则混凝土的抗开裂性能越好[9]。②开裂温度最低者为砂岩混凝土的9.6℃，其次为大理岩和灰岩混凝土的13.1℃、14.0℃，温降过程中试件开裂对应的温度即为开裂温度，显然混凝土开裂温度越低则抗温度冲击裂缝能力越强；试验表明，玄武岩和花岗岩混凝土的抗温度冲击能力低于灰岩、大理岩、砂岩混凝土[10-12]。③玄武岩和砂岩混凝土的最高温度均超过58℃，较其它骨料混凝土高出2-3℃，这主要与玄武岩、砂岩混凝土较其它骨料混凝土的胶材用量高出6-10kg/m3直接相关。④试验过程中，水化前160h内大理岩和灰岩骨料混凝土优于其它骨料混凝土的抗裂性能，抗裂性能较差的式花岗岩和玄武岩，从低到高抗裂性能排序为花岗岩≈玄武岩<砂岩<灰岩<大理岩。

2)大板法试验结果。采用大板法测试不同骨料混凝土的抗裂性能，结果见表5。试验表明，从低到高不同骨料混凝土的抗裂性能排序为砂岩<花岗岩<玄武岩<灰岩<大理岩。除大理岩混凝土未发生开裂外，其它骨料混凝土的初始开裂时间均未超过6h。大板法主要是对早期混凝土的开裂性能进行评价，而早期硬化开裂是控制并影响混凝土后期性能和抗裂性的关键阶段，若早期收缩比较活跃则非常不利于混凝土的抗裂。混凝土早期的抗裂性既与其变形能力有关，还取决于混凝土所受的约束及其收缩性能[13,14]。因此，早期抗裂试验可以科学反映混凝土的变形能力。

表5 不同骨料混凝土的抗裂性能

3 结 论

1)水胶比相同情况下，从低到高不同骨料混凝土后期弹性模量排序为砂岩<花岗岩≈大理岩<玄武岩<灰岩，弹性模量较高的时玄武岩和灰岩混凝土，较低的时花岗岩和砂岩混凝土。龄期为28d情况下，从低到高不同骨料混凝土的极限拉伸值排序为花岗岩≈玄武岩<大理岩<灰岩<砂岩，胶凝材料与骨料的结合是导致极限拉伸性能差异的重要原因。从低到高不同骨料混凝土和水泥砂浆的干缩率排序为灰岩<大理岩≈花岗岩≈玄武岩<砂岩。

2)结合TST试验结，玄武岩和花岗岩混凝土的抗温度冲击能力低于灰岩、大理岩、砂岩混凝土；水化前期，从低高高不同骨料混凝土抗裂性能排序为花岗岩≈玄武岩<砂岩<灰岩<大理岩。结合长期收缩结果及早期抗裂性能，大理岩和灰岩混凝土优于其它试样的抗收缩抗裂性能。