水利工程提高堰坝埋石混凝土性能研究

詹文虎，谌 钊，秦恩磊，葛 川

（1.高邮市水利综合服务中心，江苏 高邮 225600；2.高邮市水利局三垛水利站，江苏 高邮 225600；3.高邮市水利局周山水利站，江苏 高邮 225600）

混凝土坝体取材方便、施工简易、性价比高、安全性好，是国内外坝工界普遍使用的建造材质，但受其工作环境复杂、坝体裂缝等因素影响，依然面临着诸多安全问题[1，2]。埋石混凝土即用块石替代普通混凝土中的部分混凝土、浇筑后形成块石与混凝土粘结一体的混凝土结构[3]，在一定程度上能够控制大体积混凝土施工中由水化热引起的温度变化对混凝土的不利影响、减少浇筑混凝土温升引起的裂缝和混凝土骨料及胶凝材料的用量，具有环境耐久性。目前国内外学者对其进行了相应研究并取得了部分成果。蒋治国[4]根据湖南竹篙滩水电站埋石混凝土重力坝的施工实践，对中小型埋石混凝土施工及质量控制等进行了研究；李学军按重力坝规范方法计算分析混凝土新老结合面状态[5]；李建彬等[6]以某电源电站大坝为例，对埋石混凝土在大坝中的应用进行了详细探讨；彭跃昆[7]对埋石混凝土施工的相关优势进行了分析；张晓松[8]结合罗家沟山塘工程地质条件，对埋石混凝土坝体结构进行了相关设计分析。本文以堰坝埋石混凝土性能为主要研究对象，通过室内试验研究了不同最大粒径下和不同粒径级配下混凝土抗压强度，分析了埋石混凝土现场施工工艺，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

本研究水利工程新建4 座实体堰坝，从上游至下游分别为A3 堰坝、A2 堰坝、A1 堰坝及A4 堰坝。堰坝的建成可使河道有效蓄水，减少季节性水流对河底及边坡的冲刷导致的水土流失，保护沿岸群众的生命财产安全。同时，蓄水后的堰坝可以使河道整体常年裸露的河床得到覆盖，美化河道，让外观更加美丽，有助于当地旅游业的发展及生态保护意识的形成。

2 原材料及试验设计

2.1 原材料

工程采用P·O 42.5 硅酸盐水泥，质量符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》要求。此外，骨料采用2.4 ～4.75 mm 的间断级配碎石，其性能质地坚硬、耐久、洁净密实，性能指标符合现行国家标准《建设用卵石、碎石》中二类碎石要求。本次使用的普通硅酸盐水泥化学成分，详见表1。

表1 普通硅酸盐水泥化学成分 %

2.2 配合比设计

埋石混凝土中块石起着受力分担的骨架作用，埋石混凝土的强度、抗冻等物理力学性能与其粒径的尺寸有着直接紧密联系。埋石在混凝土总体积中占比大小，与混凝土的收缩性能成反比。本文通过室内相似试验选用不同的骨料粒径和改变骨料的级配，来研究埋石混凝土的性能。本次试验骨料最大粒径取10、15、20、25、30、35 mm，同时还设置了不同的级配区间，具体设计详见表2。

表2 埋石混凝土各组分配合比设计

本次混凝土立方体抗压试验仪器采用混凝土轴心抗压试验机，主要参数包括最大试验力2 000 kN、压盘Φ300 mm、加荷速率0.1～25 kN/s。试验时，每组3 块试件，养护28 d 后，按照最新标准《混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019），分别进行立方体抗压强度测试，得到其平均值。

3 埋石混凝土电镜扫描（SEM）分析

埋石混凝土的SEM 图如图1 所示，由此可以清楚地看到各种放大倍数的颗粒形状和表面纹理，有助于理解和分析埋石混凝土的和易性以及硬化混凝土的强度和耐久性。砂粒相对而言比大理石和花岗岩粒更圆，具有光滑的纹理。与砂相比，大理石呈现粗糙的纹理和棱角。花岗岩粒的SEM 图像描绘了尖锐、有棱角和拉长的表面纹理。一般而言，与河流砂粒相比，大理石颗粒更具棱角和拉长，而河流砂粒主要呈圆形。此外，埋石混凝土和普通混凝土的游离钙、二氧化硅、铝酸盐和铁素体组成、尺寸和分布存在差异。

图1 埋石混凝土SEM图

4 试验结果分析

4.1 不同最大粒径下混凝土抗压强度

不同最大粒径下埋石混凝土抗压强度的变化情况，如图2所示。从图2可以看出，随着骨料最大粒径的增大，试样抗压强度总体上呈增长趋势；但试样抗压强度并未呈直线增长趋势，当最大粒径为20 mm时抗压强度最小仅为42.3 MPa，当最大粒径为35 mm时抗压强度最大达到53.8 MPa。从这个意义上说，石子的粒径几乎与埋石混凝土的强度呈正相关，但注意并不是粒径越大越好。这主要体现在2 个方面：①粒径越大，在埋石混凝土养护时颗粒内部缺陷存在的概率越大；②大粒径石子会导致埋石混凝土在拌合中下沉速度更快，造成混凝土整体内部分布不均匀，进而使硬化后的埋石混凝土强度降低。

图2 不同最大粒径下混凝土抗压强度

4.2 不同粒径级配下混凝土抗压强度

级配对埋石混凝土的影响主要体现在2 个方面，即和易性和经济性。本次试验设计了6 种粗骨料级配区间为2～10、5～15、8～20、11～25、14～30 和17～35 mm，试样编号A1～A6。不同级配下埋石混凝土抗压强度的变化规律，如图3所示。从图3可以看出，本次试验中随着颗粒级配区间的变大，混凝土抗压强度明显增加，当级配在2～10 mm区间时，混凝土强度最小，仅为41.3 MPa；当级配在17～35 mm 区间时，混凝土强度达到最大，为50.3 MPa。

图3 不同级配下埋石混凝土抗压强度的变化规律

4.3 埋石混凝土抗冻性能

普通混凝土和埋石混凝土的质量变化情况，如图4 所示。从图4 可以看出，在未进行冻融试验之前，普通混凝土的质量为9.56 kg，埋石混凝土的质量为8.98 kg；冻融150 次后，普通混凝土质量损失2.3%，埋石混凝土仅损失1.7%；冻融300 次后，普通混凝土质量损失降低至9.23 kg，埋石混凝土降低至8.76 kg，质量损失分别为3.5%和2.5%。由此可以看出，埋石混凝土能够缓解混凝土在冻融情况下的质量损失，这是由于加入石块能够减缓水对试件入侵，降低基体内部冻胀力，还具有良好的粘结作用，有利于减少基体表面碎片的脱落。此外，还可以得出冻融对混凝土剥蚀破坏作用的大小取决于混凝土的抗冻性能、饱水程度和冻融循环次数等因素，因此在入冬后的北方，更要对这些因素加以重视。

图4 普通混凝土和埋石混凝土的质量变化

5 结论

本文以堰坝埋石混凝土性能为主要研究对象，通过室内试验研究了不同最大粒径和不同粒径级配下混凝土抗压强度以及同一级配下的抗冻性能和SEM 图。结果表明，随着骨料最大粒径的增大，试样抗压强度总体上呈增长趋势，但并未呈直线增长趋势，当最大粒径为20 mm 时抗压强度最小仅为42.3 MPa，当最大粒径为35 mm 时抗压强度最大达到53.8 MPa。此外，随着颗粒级配区间的变大，混凝土抗压强度明显增加，当级配在2～10 mm区间时，混凝土强度最小，仅为41.3 MPa；当级配在17～35 mm 区间时，混凝土强度达到最大，为50.3 MPa。此外，冻融300次后，普通混凝土质量损失降低至9.23 kg，埋石混凝土降低至8.76 kg，质量损失分别为3.5%和2.5%。