張建峰，陳 良，呂興棟

（1.長江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，430010，武漢；2. 廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，537226，桂平）

大藤峽水利樞紐屬中低水頭徑流式水電站工程， 水庫為日調(diào)節(jié)，水庫調(diào)節(jié)能力較小， 泄洪概率較高，主壩泄水孔、泄水閘堰面及消力池等部位需要經(jīng)受水流的高速沖刷，尤其是主壩泄水孔（主要任務(wù)是泄洪、排沙及消能防沖）。 泄洪時，水流流速大、水流含砂量高，大量懸移質(zhì)攜高速水流會給混凝土帶來嚴(yán)重磨損問題，對混凝土的抗沖磨性能及抗裂性能提出了較高的要求。

大藤峽水利樞紐的船閘、泄水閘堰面、閘墩、胸墻、消力池及其導(dǎo)墻等部位體型，對混凝土的抗沖磨性能要求較高。 骨料通常約占水工混凝土體積的70%以上，是水工混凝土的“骨架”部分，因此其粒徑、形狀、表面結(jié)構(gòu)、級配和礦物組成等，在不同程度上影響界面過渡期的特性，進而對混凝土的特性產(chǎn)生一定影響。 理想的骨料應(yīng)該是耐久、堅固、抗堿、不透水以及尺寸穩(wěn)定的，但近壩址選擇骨料料源是水工混凝土施工的原則，工程當(dāng)?shù)貐^(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，骨料料場的易開采性，骨料料場的儲量等使得混凝土在理想骨料的選擇上存在著挑戰(zhàn)。 因此選擇合適的骨料配置抗沖磨混凝土對大藤峽水利樞紐具有重要意義。本文通過試驗和分析不同粗細(xì)骨料的力學(xué)、變形和熱學(xué)性能，尤其是抗沖磨性能，為大藤峽水利樞紐抗沖磨混凝土配合比設(shè)計和原材料選擇提供依據(jù)。

一、原材料與試驗方法

試驗采用廣西柳州漁峰集團有限公司生產(chǎn)的42.5 中熱硅酸鹽水泥、廣西華天能環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司提供的來賓電廠I 級粉煤灰、 石家莊市長安育才建材有限公司生產(chǎn)的高效減水劑（緩凝型）、引氣劑，骨料均取自江口天然砂礫石料場提供的天然砂巖骨料。 試驗用原材料均滿足相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范要求，細(xì)骨料和粗骨料品質(zhì)見表1 和表2。

擬定了4 種骨料組合工況進行混凝土性能試驗，4 種組合工況分別為： 天然砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合、 人工砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合、全灰?guī)r組合、灰?guī)r粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合。

試驗使用的混凝土基準(zhǔn)配合比：二級配混凝土、水膠比0.36、混凝土單位用水量118 kg/m3、 粉煤灰摻量25%、砂率32%，混凝土的力學(xué)、變形和抗沖磨性能試驗方法和試驗結(jié)果處理按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL 352—2006）的有關(guān)規(guī)定進行。

二、力學(xué)性能

不同骨料組合工況下大壩混凝土抗壓強度和劈拉強度試驗結(jié)果：

①28d 齡期，與工況1（天然砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合）相比，工況2（人工砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合）、工況3（人工灰?guī)r粗骨料+人工灰?guī)r細(xì)骨料組合）和工況4（人工灰?guī)r粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合）的混凝土抗壓強度增長率在10%以內(nèi)。工況2、工況4 混凝土劈拉強度增長率超過了10%，工況3 混凝土劈拉強度增長率在10%以內(nèi)。 28d 齡期和90d 齡期， 各工況下混凝土劈拉強度增長率在10%以內(nèi)。

②與天然砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合（工況1）相比，工況2、工況3 和工況4 混凝土各齡期劈拉強度增長率較抗壓強度略高，因此可以看出，不同巖性組合骨料混凝土強度隨母巖巖性不同而存在差異，但最高強度與最低強度相差不大，混凝土的抗壓強度和劈拉強度與粗、細(xì)骨料的強度相關(guān)性不是很大，可以認(rèn)為對于本試驗范圍內(nèi)的普通混凝土而言，骨料強度對混凝土的強度影響不大。 同時粗骨料的粒形對混凝土強度影響較為顯著，采用人工粗骨料對混凝土強度有一定的提升作用，尤其對劈拉強度的影響更為顯著一點。

表1 細(xì)骨料品質(zhì)

表2 粗骨料物理性能

三、變形性能

混凝土極限拉伸值和抗壓彈模試驗結(jié)果：7d 齡期， 與天然砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合 （工況1）相比，工況2、工況3 和工況4 的混凝土極限拉伸值和抗壓彈模都有所增加，混凝土極限拉伸值的增長率均在5%以內(nèi)。 至28d 齡期和90d 齡期，除工況1 混凝土軸拉強度增長率超過5%，工況2、工況3 的軸拉強度增長率和極限拉伸值均在5%以內(nèi)； 而各齡期彈性模量增長率超過了10%。 這主要是由于天然卵石粗骨料與砂漿界面結(jié)合強度較低，對混凝土軸拉強度影響顯著， 采用人工粗骨料后，粗骨料與砂漿界面結(jié)合強度有所增加。此外混凝土強度及粗骨料彈性模量是影響混凝土彈性模量的重要因素。

根據(jù)試驗結(jié)果，用灰?guī)r粗骨料混凝土的彈性模量較用砂巖粗骨料混凝土大，幅度在10%左右，說明混凝土的彈性模量主要由粗骨料的特性決定，這主要是由于粗骨料約占混凝土體積的50%以上，而細(xì)骨料所占體積百分比較小。

混凝土干縮試驗結(jié)果見圖1。 從試驗結(jié)果可以看出，混凝土的干縮率隨齡期的增長而增大，早齡期混凝土的干縮率增長較快。 與天然砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合 （工況1）相比，工況2 和工況4 混凝土28d 齡期內(nèi)的干縮率均有所增大，工況3 混凝土14d 齡期前的干縮率略有降低，但28d 齡期干縮率反而有一定的增加；兩種不同巖性骨料對混凝土干縮的影響規(guī)律基本一致，用人工粗骨料混凝土的干縮率更大，這與采用人工骨料后，混凝土的用水量增加，膠凝材料用量增大是一致的。 不同的人工骨料組合中，全灰?guī)r組合的混凝土干縮率最小。

四、熱學(xué)性能

水工大體積混凝土的澆筑需考慮熱穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性， 其中骨料熱學(xué)參數(shù)的影響極其重要。 一方面具有較高熱膨脹系數(shù)的骨料會使混凝土的熱體積穩(wěn)定性下降， 另一方面骨料與水泥漿的熱膨脹系數(shù)差異較大時， 會造成較大的內(nèi)應(yīng)力， 對混凝土的抗凍性影響明顯。 不同工況混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、線膨脹系數(shù)等熱學(xué)性能試驗結(jié)果見表3。其他條件相同時，砂巖骨料混凝土導(dǎo)溫、導(dǎo)熱、比熱及線膨脹系數(shù)都比灰?guī)r骨料混凝土的大，有利于混凝土的熱量傳導(dǎo)， 熱膨脹變形也較大，不利于大體積混凝土的穩(wěn)定。

圖1 不同骨料組合工況下混凝土干縮發(fā)展規(guī)律

表3 不同骨料組合混凝土熱學(xué)性能試驗結(jié)果

五、抗沖磨性能

采用水下鋼球法進行混凝土抗沖磨試驗。 水下鋼球法是測定混凝土表面受水下高速流動介質(zhì)磨損的相對抗力，用于評價混凝土表面的相對抗磨性能。

從混凝土試件28d 抗沖耐磨性能試驗結(jié)果可知， 與天然砂巖粗骨料+人工砂巖細(xì)骨料組合 （工況1）相比，用砂巖人工粗骨料（工況2）混凝土28d 齡期抗沖磨強度增長較多，增幅超過了20%，磨損率減小。 而采用灰?guī)r粗骨料（工況3 和工況4）的混凝土抗沖磨強度則沒有增加，甚至是略有降低，僅僅是工況3 的磨損率略有減小。 從沖磨后的混凝土試件也可以看出，用灰?guī)r粗骨料混凝土不僅是表面的水泥石被沖磨掉，甚至灰?guī)r骨料自身也被磨掉一部分；而用砂巖粗骨料混凝土僅僅是表面的水泥石被沖磨掉，只是采用天然砂巖粗骨料混凝土表面的水泥石磨損較多。

六、骨料—砂漿的黏結(jié)性能試驗

采用砂漿8 字模，成型骨料—砂漿黏結(jié)試件，研究不同巖性骨料與砂漿界面黏結(jié)抗拉強度。 分別將灰?guī)r和砂巖骨料加工成10 mm×22 mm×20 mm 規(guī)則塊狀體， 成型時將飽和面干的骨料塊體置于8 字模腰部，配制成大理巖砂漿填充8 字模，并與骨料塊體一同振搗密實， 養(yǎng)護至規(guī)定齡期，采用30 kN 微機電子萬能試驗機進行骨料—砂漿黏結(jié)抗拉強度試驗。

從不同骨料—砂漿黏結(jié)抗拉強度試驗結(jié)果可以看出，與砂巖骨料相比，28d 齡期灰?guī)r骨料—砂漿界面黏結(jié)強度有一定的提高，為砂巖砂漿界面黏結(jié)強度的113%； 隨著齡期的增長，90d 齡期灰?guī)r骨料—砂漿界面黏結(jié)強度增長幅度有一定的增加，達(dá)到砂巖骨料黏結(jié)強度的125%， 且隨齡期增長而增加。 表明不同巖性骨料與砂漿的黏結(jié)強度具有顯著的各向異性，這與不同巖性骨料混凝土的力學(xué)性能變化規(guī)律一致。

七、結(jié) 論

①骨料特性對混凝土力學(xué)性能、變形性能、熱學(xué)性能和抗沖磨性能均有影響，這種影響除了與骨料自身品質(zhì)相關(guān)外，也與骨料與砂漿的界面特性有關(guān)。

②不同骨料對混凝土性能的影響程度不一致，用灰?guī)r粗骨料混凝土的彈性模量較用砂巖骨料混凝土大，干縮率較小。 混凝土的抗沖磨強度有一定程度的增加。

③與灰?guī)r骨料相比， 砂巖骨料將降低骨料—砂漿黏結(jié)強度，隨著齡期的增長，這種降低趨勢將進一步增大。 ■