不同岩性粗骨料对二级配常态混凝土性能影响试验研究

文摘 2025-01-02 07:01 河南

1引言

水电工程建设因受地域限制，对地形的依赖性较强，混凝土骨料通常采用工程开挖料或附近的石材加工而成，由于地质构造上的差异，骨料的品种易呈多样性。研究显示，品质较优的骨料能够提高混凝土性能，反之，混凝土性能会降低。因此，骨料作为影响混凝土质量的重要因素之一，应引起重视。一旦骨料选择不当或对骨料特性了解不够深入，均可能会对工程质量产生不利影响，甚至引发质量事故。因此科学、合理地选用混凝土骨料对保证工程质量具有重要意义。目前关于混凝土骨料已有不少研究，但骨料对混凝土性能影响机理较复杂，现有的研究成果并未穷举到每一种岩性骨料，所以骨料对混凝土性能的影响规律尚需进一步研究。大坝混凝土为降低水化热多采用三级配或四级配混凝土，但对于一些特殊结构，如大坝面板、趾板等，通常采用二级配混凝土。

鉴此，本文采用砂岩、二长岩人工粗骨料和天然卵石粗骨料分别制备C₉₀35W10F300二级配常态混凝土，并对比分析不同类型骨料对二级配常态混凝土性能的影响，研究结果可为二级配常态混凝土骨料选择提供参考。

2试验

2.1原材料

采用P·MH42.5水泥，比表面积为288m²/kg，初凝时间为173min、终凝时间为218min，28d抗压、抗折强度分别为50.5、8.1MPa。

采用F类Ⅱ级粉煤灰，需水量比为97%，细度为17.2%，强度活性指数为74.9%，烧失量为0.18%。

细骨料为二长岩破碎的人工骨料，细度模数为2.66，吸水率为1.65%，石粉含量为15.9%。

粗骨料分别为砂岩、二长岩加工的人工骨料和天然卵石骨料，规格分别为5～20、20～40mm，品质检测结果见表1。与天然卵石粗骨料相比，人工骨料因机械破碎原因棱角多，且表面产生的微细裂缝也相对较多。由表1可知，与两种人工骨料相比，天然骨料的针片状颗粒含量略差，但其余指标均表现较优。

外加剂采用ZB-1A型减水剂和DH9型引气剂，外加剂性能指标均满足相关规范要求。

拌和水为饮用水。

2.2试验方法

混凝土性能试验按《水工混凝土试验规程》进行。混凝土轴向拉伸试件、抗冻试件和干缩变形试件均采用30mm方孔筛，湿筛剔除大于30mm粒径的骨料后成型。抗压强度和劈裂抗拉强度试件采用150mm×150mm×150mm的立方体。静压弹性模量试件采用Φ150mm×300mm的圆柱体，混凝土纵向变形采用GWC010-3位移传感器测定。轴向拉伸试验采用100mm×100mm×550mm的棱柱体试件，两端埋设拉杆，受检段为试件中部130mm的区域。抗渗试件类型为Φ175mm×Φ185mm×150mm的截头圆锥体。抗冻试件类型为100mm×100mm×400mm的棱柱体。自生体积变形试件尺寸为Φ200mm×600mm的圆柱体，采用水工数字比例电桥进行测试。干缩变形试件尺寸为100mm×100mm×515mm的棱柱体，采用弓型螺旋测微计测试其干缩变形值。

2.3混凝土配合比

以C₉₀35W10F300二级配常态混凝土为例，配合比设计参考《水工混凝土配合比设计规程》“体积法”计算，混凝土配制强度为42.4MPa。各混凝土配合比参数及混凝土拌和物性能见表2。

3试验结果与分析

3.1力学性能

3.1.1混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度

分别绘制不同岩性骨料混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度与龄期的关系曲线，见图1。

由图1可知，三种骨料混凝土在设计龄期时均可满足C₉₀35W10F300二级配常态混凝土配制强度要求。在相同条件下，天然骨料混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均较二长岩骨料和砂岩骨料的低。这是由于人工骨料棱角多，表面较粗糙，能够使水泥砂浆与骨料之间较好的粘结，而天然骨料虽然品质特性较人工骨料好，但其表面比较光滑，骨料和砂浆之间的界面过度区粘结性较差，导致强度有所下降。两种人工骨料混凝土强度差异可能是由于骨料品质特性不同造成的，二长岩骨料的压碎值、坚固性、针片状颗粒含量均较砂岩骨料小，制备的混凝土强度相对较高。

3.1.2混凝土静力抗压弹性模量

不同岩性骨料混凝土静力抗压弹性模量与龄期关系，见图2。

由图2可知，不同岩性粗骨料制备的混凝土静力抗压弹性模量存在一定差异。相同条件下，天然骨料混凝土静力抗压弹性模量较砂岩骨料混凝土高4GPa左右，较二长岩骨料混凝土高2GPa左右。

影响混凝土弹性模量大小的因素主要有三方面：①混凝土强度。当原材料相同时，弹性模量随混凝土强度递增。②骨料的弹性模量。骨料在混凝土体系中占绝大部分体积，在砂浆体一定的情况下，混凝土的弹性模量很大程度上取决于骨料弹性模量的高低。③砂浆体的弹性模量。砂浆在混凝土中占有一定体积，当混凝土中粗骨料相同时，砂浆体的弹性模量越高，其混凝土弹性模量越高。本研究中，三种骨料混凝土的砂浆体积基本一致，天然骨料混凝土的抗压强度较砂岩和二长岩的低，但静力抗压弹性模量却较高，说明二长岩骨料和砂岩骨料自身抗压弹性模量较天然骨料低，当混凝土受力变形时，二长岩骨料和砂岩骨料混凝土内部的应力集中程度较天然卵石骨料混凝土低。

3.1.3混凝土轴向拉伸试验

不同岩性粗骨料混凝土轴向拉伸试验结果，见表3。

由表3可知，不同骨料混凝土的轴向拉伸试验结果有一定差异。二长岩骨料混凝土抗拉强度和极限拉伸值均较砂岩骨料和天然骨料制备的高。说明二长岩混凝土在最大拉应力时，能够承受最大变形的能力较天然骨料混凝土和砂岩骨料混凝土强。从抗拉弹性模量结果来看，砂岩骨料混凝土最小、天然骨料混凝土最高。这可能与骨料品质特性有关，一般认为表观密度和吸水率可分别反映骨料的内部闭口孔隙和开口孔隙。由表1可知，砂岩骨料吸水率高，表观密度小，说明骨料内部孔隙率较大，受力变形时内部应力集中程度较小，因此混凝土抗拉弹模较低。从试件的破坏断面状态来看，两种人工骨料与砂浆的粘接力较天然骨料好，但自身的抗拉强度可能不及天然骨料，当混凝土内部拉应力大于骨料的抗拉强度时，骨料易被拉断。

3.2耐久性能

3.2.1抗渗性能

表4为不同岩性粗骨料制备的C₉₀35W10F300二级配常态混凝土90d龄期抗渗试验结果。

由表4可知，三种骨料混凝土的抗渗性能均满足W10设计抗渗等级要求。当加压至设计水压时，混凝土试件渗水高度由小到大依次为天然骨料、二长岩骨料、砂岩骨料。由此可看出，天然骨料混凝土的抗渗性能最优，砂岩骨料混凝土略差。这主要与骨料中的孔隙、孔隙率数量及大小有关，砂岩的吸水率较高，说明表面开口孔隙率要大于天然骨料和二长岩骨料，当骨料的孔隙数量较多时，浆体与骨料表面可能会存在联通的孔隙，这些孔隙会降低混凝土的抗渗性能。

3.2.2抗冻性能

图3为不同岩性粗骨料制备的C₉₀35W10F300二级配常态混凝土90d龄期抗冻试验结果。

由图3可知，在经过300次冻融循环后，各组混凝土试件的相对动弹模量均大于60%，质量损失率小于5%。说明三种骨料制备的混凝土，均具有较好的抵抗冻融循环破坏能力，且抗冻等级不小于F300。相同条件下，二长岩骨料配制的混凝土抗冻性能优于天然骨料和砂岩骨料的混凝土。

3.3变形性能

3.3.1混凝土自生体积变形

根据不同岩性粗骨料混凝土自生体积变形试验结果，绘制自生体积变形随龄期变化过程曲线，见图4。

由图4可知，三种骨料混凝土在早龄期时自生体积变形均表现为微膨胀。其中，天然骨料混凝土早期膨胀值最小，且膨胀持续时间较短;二长岩骨料混凝土早期膨胀值最高，膨胀持续时间最长。随着龄期增长，各混凝土自生体积变形均呈收缩趋势，其中天然骨料混凝土在35d龄期以后变形趋于平缓，二长岩骨料混凝土在60d后趋于平缓，砂岩骨料混凝土在90d后，变形相对稳定。当试验龄期为120d时，天然骨料混凝土的自生体积变形收缩值最小，砂岩骨料混凝土的最大。

众所周知，骨料本身不产生变形，混凝土的自生体积变形主要与胶凝材料有关，但由于不同骨料品质特性存在一定差异，而这种差异可能会引起混凝土自生体积变形发生变化。李家正等认为毛细孔隙多，吸水率大的骨料，混凝土自生体积变形大。李晓勇等研究显示，骨料的弹性模量大，混凝土的自生体积变形小。本文试验的天然骨料吸水率小，弹性模量大，混凝土自生体积变形较小，而砂岩骨料吸水率较高，骨料自身弹性模量相对较小，所以混凝土的自生体积变形略大。

3.3.2混凝土干缩变形

分别测试了三种不同岩性粗骨料混凝土干缩变形性能，测试结果见图5。

由图5可知，三种骨料混凝土在早龄期时干缩变形发展较快，随着龄期增长，干缩变形逐渐趋于缓慢。当测试龄期为120d时，两种人工骨料的混凝土干缩变形值较天然骨料的高，尤其是砂岩比较明显。

一般认为增加骨料在混凝土中的体积，能够有效降低混凝土的干缩，选用的骨料弹性模量越大，混凝土干缩越小。本文试验三种骨料在混凝土中的体积是相同的，可排除由于骨料体积变化引起混凝土变形差异。因此，造成混凝土干缩变形不一致的主要原因是骨料弹性模量不同导致的，天然骨料自身抗压弹性模量较二长岩和砂岩骨料高，对混凝土的干缩约束力要大于两种人工骨料。

4结论

a.水胶比为0.38时，三种岩性粗骨料配制的C₉₀35W10F300二级配常态混凝土均满足配制强度、设计抗渗等级和抗冻等级要求。人工粗骨料与砂浆粘结性好，但自身抗拉强度较天然卵石粗骨料低，当混凝土内部拉应力大于骨料抗拉强度时，骨料容易被拉断。

b.相同条件下，天然骨料混凝土抗渗性能较优，骨料对混凝土自生体积变形和干缩变形约束力较强。二长岩骨料混凝土强度高，拉伸性能好，混凝土抵抗受拉变形的能力较强。砂岩骨料混凝土内部应力集中程度较二长岩骨料混凝土和天然骨料混凝土小，但耐久性能及变形性能有所下降。

c.在实际工程中应重视不同岩性骨料对混凝土性能的影响，相同条件下，建议优先选择使用二长岩骨料作为混凝土骨料，其次为天然骨料，最后选择使用砂岩骨料。

砼话

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