水工骨料配置抗冲磨混凝土的性能分析

　　摘    要：　大藤峡水利枢纽的船闸、泄水闸堰面、闸墩、胸墙、消力池及其导墙等部位体型，对混凝土的抗冲磨性能要求较高，因此选取了4种不同粗细骨料组合，在相同条件下进行了抗冲磨混凝土的力学、变形、热学和抗冲磨性能试验。结果表明：骨料特性对混凝土力学性能、变形性能、热学性能和抗冲磨性能均有影响，这种影响除了与骨料自身品质相关外，也与骨料与砂浆的界面特性有关。用灰岩粗骨料混凝土的弹性模量较用砂岩骨料混凝土大，干缩率较小,混凝土的抗冲磨强度也有一定程度的增加；粗骨料的粒形对混凝土强度影响较大，自身特性则对变形性能和热学性能影响显着。

　　关键词：　大藤峡水利枢纽; 组合骨料; 力学性能; 变形性能; 热学性能; 抗冲磨性能;

　　Abstract：　Experiments of concrete with 4 different coarse and fine aggregates are made in this paper. The mechanical, deformation, thermal and abrasion resistance of anti-abrasion concrete were measured under the same conditions. The results showed that the aggregate properties had an effect on the mechanical properties, deformation properties, thermal properties and abrasion resistance of concrete. This effect were related not only to the quality of aggregate itself, but also to the interfacial characteristics of aggregate and mortar. The elastic modulus of limestone coarse aggregate concrete was larger than that of sandstone aggregate concrete, and the shrinkage ratio was smaller. There had been a certain increase to anti-abrasion strength of concrete. The granular shape of coarse aggregate had a great influence on the strength of concrete, while its own characteristics had a significant impact on the deformation and thermal properties of concrete.

　　Keyword：　Datengxia Hydraulic Project; composite aggregate; mechanical properties; deformation properties; thermal properties; abrasion resistance;

　　大藤峡水利枢纽属中低水头径流式水电站工程，水库为日调节，水库调节能力较小，泄洪概率较高，主坝泄水孔、泄水闸堰面及消力池等部位需要经受水流的高速冲刷，尤其是主坝泄水孔（主要任务是泄洪、排沙及消能防冲）。泄洪时，水流流速大、水流含砂量高，大量悬移质携高速水流会给混凝土带来严重磨损问题，对混凝土的抗冲磨性能及抗裂性能提出了较高的要求。

　　大藤峡水利枢纽的船闸、泄水闸堰面、闸墩、胸墙、消力池及其导墙等部位体型，对混凝土的抗冲磨性能要求较高。骨料通常约占水工混凝土体积的70%以上，是水工混凝土的“骨架”部分，因此其粒径、形状、表面结构、级配和矿物组成等，在不同程度上影响界面过渡期的特性，进而对混凝土的特性产生一定影响。理想的骨料应该是耐久、坚固、抗碱、不透水以及尺寸稳定的，但近坝址选择骨料料源是水工混凝土施工的原则，工程当地区域的地质构造，骨料料场的易开采性，骨料料场的储量等使得混凝土在理想骨料的选择上存在着挑战。因此选择合适的骨料配置抗冲磨混凝土对大藤峡水利枢纽具有重要意义。本文通过试验和分析不同粗细骨料的力学、变形和热学性能，尤其是抗冲磨性能，为大藤峡水利枢纽抗冲磨混凝土配合比设计和原材料选择提供依据。
 

　　一、原材料与试验方法

　　试验采用广西柳州渔峰集团有限公司生产的42.5中热硅酸盐水泥、广西华天能环保科技开发有限公司提供的来宾电厂I级粉煤灰、石家庄市长安育才建材有限公司生产的高效减水剂（缓凝型）、引气剂，骨料均取自江口天然砂砾石料场提供的天然砂岩骨料。试验用原材料均满足相应规程、规范要求，细骨料和粗骨料品质见表1和表2。

　　拟定了4种骨料组合工况进行混凝土性能试验，4种组合工况分别为：天然砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合、人工砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合、全灰岩组合、灰岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合。

　　试验使用的混凝土基准配合比：二级配混凝土、水胶比0.36、混凝土单位用水量118 kg/m3、粉煤灰掺量25%、砂率32%，混凝土的力学、变形和抗冲磨性能试验方法和试验结果处理按照《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）的有关规定进行。

　　二、力学性能

　　不同骨料组合工况下大坝混凝土抗压强度和劈拉强度试验结果：

　　(1)28d龄期，与工况1（天然砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合）相比，工况2（人工砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合）、工况3（人工灰岩粗骨料+人工灰岩细骨料组合）和工况4（人工灰岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合）的混凝土抗压强度增长率在10%以内。工况2、工况4混凝土劈拉强度增长率超过了10%，工况3混凝土劈拉强度增长率在10%以内。28d龄期和90d龄期，各工况下混凝土劈拉强度增长率在10%以内。

　　(2)与天然砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合（工况1）相比，工况2、工况3和工况4混凝土各龄期劈拉强度增长率较抗压强度略高，因此可以看出，不同岩性组合骨料混凝土强度随母岩岩性不同而存在差异，但最高强度与最低强度相差不大，混凝土的抗压强度和劈拉强度与粗、细骨料的强度相关性不是很大，可以认为对于本试验范围内的普通混凝土而言，骨料强度对混凝土的强度影响不大。同时粗骨料的粒形对混凝土强度影响较为显着，采用人工粗骨料对混凝土强度有一定的提升作用，尤其对劈拉强度的影响更为显着一点。

　　表1 细骨料品质

　　表2 粗骨料物理性能

　　三、变形性能

　　混凝土极限拉伸值和抗压弹模试验结果：7d龄期，与天然砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合（工况1）相比，工况2、工况3和工况4的混凝土极限拉伸值和抗压弹模都有所增加，混凝土极限拉伸值的增长率均在5%以内。至28d龄期和90d龄期，除工况1混凝土轴拉强度增长率超过5%，工况2、工况3的轴拉强度增长率和极限拉伸值均在5%以内；而各龄期弹性模量增长率超过了10%。这主要是由于天然卵石粗骨料与砂浆界面结合强度较低，对混凝土轴拉强度影响显着，采用人工粗骨料后，粗骨料与砂浆界面结合强度有所增加。此外混凝土强度及粗骨料弹性模量是影响混凝土弹性模量的重要因素。

　　根据试验结果，用灰岩粗骨料混凝土的弹性模量较用砂岩粗骨料混凝土大，幅度在10%左右，说明混凝土的弹性模量主要由粗骨料的特性决定，这主要是由于粗骨料约占混凝土体积的50%以上，而细骨料所占体积百分比较小。

　　混凝土干缩试验结果见图1。从试验结果可以看出，混凝土的干缩率随龄期的增长而增大，早龄期混凝土的干缩率增长较快。与天然砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合（工况1）相比，工况2和工况4混凝土28d龄期内的干缩率均有所增大，工况3混凝土14d龄期前的干缩率略有降低，但28d龄期干缩率反而有一定的增加；两种不同岩性骨料对混凝土干缩的影响规律基本一致，用人工粗骨料混凝土的干缩率更大，这与采用人工骨料后，混凝土的用水量增加，胶凝材料用量增大是一致的。不同的人工骨料组合中，全灰岩组合的混凝土干缩率最小。

　　四、热学性能

　　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。不同工况混凝土的导温系数、导热系数、比热、线膨胀系数等热学性能试验结果见表3。其他条件相同时，砂岩骨料混凝土导温、导热、比热及线膨胀系数都比灰岩骨料混凝土的大，有利于混凝土的热量传导，热膨胀变形也较大，不利于大体积混凝土的稳定。

　　五、抗冲磨性能

　　采用水下钢球法进行混凝土抗冲磨试验。水下钢球法是测定混凝土表面受水下高速流动介质磨损的相对抗力，用于评价混凝土表面的相对抗磨性能。

　　从混凝土试件28d抗冲耐磨性能试验结果可知，与天然砂岩粗骨料+人工砂岩细骨料组合（工况1）相比，用砂岩人工粗骨料（工况2）混凝土28d龄期抗冲磨强度增长较多，增幅超过了20%，磨损率减小。而采用灰岩粗骨料（工况3和工况4）的混凝土抗冲磨强度则没有增加，甚至是略有降低，仅仅是工况3的磨损率略有减小。从冲磨后的混凝土试件也可以看出，用灰岩粗骨料混凝土不仅是表面的水泥石被冲磨掉，甚至灰岩骨料自身也被磨掉一部分；而用砂岩粗骨料混凝土仅仅是表面的水泥石被冲磨掉，只是采用天然砂岩粗骨料混凝土表面的水泥石磨损较多。

　　六、骨料—砂浆的黏结性能试验

　　采用砂浆8字模，成型骨料—砂浆黏结试件，研究不同岩性骨料与砂浆界面黏结抗拉强度。分别将灰岩和砂岩骨料加工成10 mm×22 mm×20mm规则块状体，成型时将饱和面干的骨料块体置于8字模腰部，配制成大理岩砂浆填充8字模，并与骨料块体一同振捣密实，养护至规定龄期，采用30 kN微机电子万能试验机进行骨料—砂浆黏结抗拉强度试验。

　　图1 不同骨料组合工况下混凝土干缩发展规律

　　表3 不同骨料组合混凝土热学性能试验结果

　　从不同骨料—砂浆黏结抗拉强度试验结果可以看出，与砂岩骨料相比，28d龄期灰岩骨料—砂浆界面黏结强度有一定的提高，为砂岩砂浆界面黏结强度的113%；随着龄期的增长，90d龄期灰岩骨料—砂浆界面黏结强度增长幅度有一定的增加，达到砂岩骨料黏结强度的125%，且随龄期增长而增加。表明不同岩性骨料与砂浆的黏结强度具有显着的各向异性，这与不同岩性骨料混凝土的力学性能变化规律一致。

　　七、结论

　　(1)骨料特性对混凝土力学性能、变形性能、热学性能和抗冲磨性能均有影响，这种影响除了与骨料自身品质相关外，也与骨料与砂浆的界面特性有关。

　　(2)不同骨料对混凝土性能的影响程度不一致，用灰岩粗骨料混凝土的弹性模量较用砂岩骨料混凝土大，干缩率较小。混凝土的抗冲磨强度有一定程度的增加。

　　(3)与灰岩骨料相比，砂岩骨料将降低骨料—砂浆黏结强度，随着龄期的增长，这种降低趋势将进一步增大。

　　参考文献

　　[1]韩素芳.混凝土工程病害与修补加固[M].北京:海洋出版社，1996.
　　[2]杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
　　[3] 梅塔，蒙特罗.混凝土：微观结构、性能和材料[M].覃维祖，等译.北京：中国电力出版社，2008.
　　[4]李光伟.组合骨料在锦屏一级水电站高拱坝混凝土中的应用[C].水库大坝建设与管理中的技术进展———中国大坝协会2012学术年会论文集，2012.
　　[5]李光伟，郑丹，陈文耀.不同粗细骨料组合下的混凝土性能研究[J].混凝土，2010(3).
　　[6]石妍，等.水工混凝土用不同岩性人工骨料特征参数研究[J].水力发电，2013(10).