建筑粗骨料應用于水利工程研究

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一、概述

近年來隨著礦山的不斷開采和環(huán)保要求的不斷提高，市場中石子嚴重緊缺，國內粗骨料料源也嚴重緊缺，目前能采購到的粗骨料大多不符合《水工混凝土施工規(guī)范》SL677-2014[1]中5.3.6條推薦、建議的粒徑要求（“粗骨料宜分為小石、中石、大石和特大石四級，粒徑分別為5~20mm、20~40mm、40~80mm和80~150（120）mm”）。經調研，市場僅能采購到5~31.5mm連續(xù)級配碎石。因此，建筑用粗骨料已被大量應用于水利工程的混凝土中。粗骨料作為混凝土的主要成分之一，占據(jù)了混凝土體積含量的一半以上，其對混凝土的性能有著重要的影響[2-3]。一般而言，粗骨料在混凝土中起著填充降費、骨架支撐等多方面的作用，其空隙率直接影響著混凝土內部所需砂漿的數(shù)量以及粗骨料間的搭接，從而對混凝土的流變性能、力學性能和長期性能等產生較大影響，而粗骨料的顆粒級配直接影響了其空隙率的大小。因此，混凝土用粗骨料粒級組成直接影響混凝土的工作性，對混凝土的力學性能也將產生重大影響，特別是高性能混凝土，還會影響其耐久性能[4-5]。因此，建筑用粗骨料用于水利工程后，對工程結構安全性、耐久性是否滿足設計要求，有待進一步的研究論證。

二、水利工程中粗骨料粒級調研

1．水利用粗骨料與建筑用粗骨料粒級分析

《水工混凝土施工規(guī)范》SL677-2014中規(guī)定“粗骨料宜分為小石、中石、大石和特大石四級，粒徑分別為5~20mm、20~40mm、40~80mm和80~150（120）mm，以原孔篩檢驗時，其控制標準為超徑不大于5%，遜徑不大于10%。當以超、遜徑篩（方孔）檢驗時，其控制標準為超徑為0，遜徑不大于2%。中經篩余率宜在40%~70%范圍內?！薄督ㄔO用卵石、碎石》GB/T14685-2011[6]中規(guī)定“混凝土所用石子應采用5~10mm、5~16mm、5~20mm、5~25mm、5~31.5mm、5~40mm的連續(xù)粒級，也可采用10~20mm、16~31.5mm、20~40mm、31.5~63mm、40~80mm的單粒級與連續(xù)粒級混合使用?！蹦壳?，水利工程混凝土設計使用粗骨料一般為5~20mm和20~40mm的二級配石子，而建材市場中與上市石子較為接近的是5~31.5mm的連續(xù)粒級碎石，這也導致5~31.5mm粒級的粗骨料被廣泛應用在水利工程中。

2．水利工程用粗骨料粒級調研狀況

對30個水利工程中所用的60組粗骨料粒級狀況進行了調研，見表1。由表1可見，所調研的30個工地，設計均采用5~20mm和20~40mm的兩種粗骨料粒級。其中60組粗骨料中，不符合SL677-2014中對粗骨料粒級要求的有52組，不合格率為86.7%。由圖1可以看出，超徑含量不合格率為8.3%、遜徑含量不合格率為13.3%、中經篩余不合格率為65.0%。所調研的工地中，沒有一個工地所用兩種粗骨料均符合SL677-2014中規(guī)定的；而對同一工地兩種粗骨料混合后，其顆粒級配均滿足GB/T14685-2011中5~31.5mm連續(xù)粒級的要求。可見，建筑用粗骨料已廣泛應用于水利工程建設中。

三、建筑粗骨料應用于水利工程中的試驗研究

1．試驗研究技術路線

為確定建筑粗骨料應用于水利工程后，其力學性能和耐久性能能否滿足設計要求，需對兩種粒級粗骨料的混凝土性能進行試驗對比論證。即在水泥及摻合料、細骨料、外加劑都相同的情況下，采用兩種不同粒級的粗骨料配制強度等級一致、坍落度相等的混凝土，然后對兩種混凝土的拌合物性能、力學性能、耐久性能進行試驗對比研究，并最終建立建筑粗骨料應用于水利工程后的實體耐久性評價方法。具體研究路線見圖2。

2．骨料最優(yōu)級配試驗

針對兩種粒級粗骨料級配現(xiàn)狀統(tǒng)計與試驗分析，建立有限元數(shù)值模型，通過細觀力學分析，研究粒徑、粒形和粒級含量等特征參數(shù)對粗骨料級配的影響規(guī)律。

3．拌合物性能對比試驗研究

依據(jù)SL356-2006對兩種粒級粗骨料的混凝土泌水率、表觀密度、含氣量進行測試，研究不同粒級骨料對混凝土拌合物性能的影響。

4．力學性能對比試驗研究

采用（5~31.5）mm粒級和（5~40）mm粒級的粗骨料，在實驗室配制不同強度等級的混凝土，并制備力學性能試件，以及SL352-2006進行如下力學性能測試：立方體抗壓強度、抗彎強度、劈裂抗拉強度、軸向抗拉強度、軸心抗壓強度、靜力抗壓彈性模量。其中立方體抗壓強度試件的養(yǎng)護方式為標準養(yǎng)護、同條件養(yǎng)護（即時間養(yǎng)護達到600℃·d），其余力學性能的養(yǎng)護條件均為標準養(yǎng)護。

5．耐久性能試驗研究

（1）兩種不同粒級骨料混凝土標準試件耐久性能對比采用（5~31.5）mm粒級和（5~40）mm粒級的粗骨料，在實驗室配制不同強度等級的混凝土，并制備耐久性能試件，進行如下耐久性能測試：早期混凝土的自由收縮變形、干燥收縮性能、抗?jié)B性能、碳化性能、抗凍性能、抗氯離子滲透性能、抗沖磨性能、絕熱溫升。其中早期混凝土的自由收縮變形采用GB/T50082-2009進行試驗，其余試驗項目均采用Sl352-2006進行試驗。（2）兩種不同粒級骨料實體混凝土的耐久性能對比在實驗室配制不同強度等級的混凝土，澆筑大尺寸試件，并在大尺寸試件上鉆取芯樣，以模擬工程實體混凝土芯樣的力學性能和耐久性能。1）大尺寸試件混凝土澆筑時，測試其拌合物性能（坍落度、泌水率、表觀密度和含氣量），同時成型立方體抗壓強度試件，測定不同齡期工程實體混凝土的強度；2）大尺寸試件混凝土澆筑時，成型混凝土試件，測定自然養(yǎng)護標準試件與取芯試件對抗凍性能和抗?jié)B性能的影響關系；3）對大尺寸試件混凝土進行碳化深度跟蹤監(jiān)測，每隔半年對實體工程的碳化深度進行測量，建立自然碳化深度與時間的關系；4）大尺寸試件混凝土澆筑時，成型混凝土試件，自然養(yǎng)護28d、0.5a、1a、1.5a、2a時進行加速碳化試驗，測定3d、7d、14d、28d、56d的碳化深度，建立實驗室加速碳化深度與養(yǎng)護齡期的關系。進而建立混凝土自然碳化與實驗室加速碳化的相關性。

6．實體耐久性評估

通過實體取芯和自然養(yǎng)護試件室內試驗、以及理論分析相結合的方法，建立水利工程現(xiàn)有建筑粗骨料（5~31.5）mm級配混凝土結構實體的力學性能及耐久性評價體系。（1）通過現(xiàn)有粒級粗骨料實體混凝土碳化深度的長觀資料，在試驗室進行混凝土芯樣加速碳化試驗的基礎上，分析室內加速碳化和室外自然碳化的規(guī)律，并研究兩者實測碳化的相關性；根據(jù)混凝土實測碳化時間及碳化環(huán)境下鋼筋銹脹理論時間模型，評估碳化環(huán)境下的混凝土結構耐久性（混凝土結構實體全壽命預測）。（2）基于混凝土芯樣試件與標準試件凍融環(huán)境下力學性能退化模型及相關性研究成果，在試驗室快速凍融試驗的基礎上，評估凍融環(huán)境下的混凝土結構耐久性。（3）基于混凝土芯樣試件與標準試件的抗水滲透性試驗相關性研究成果，在試驗室抗水滲透性試驗的基礎上，評估水滲透壓作用下的結構耐久性。

四、結論

（1）調研的30個水利工程中，60組粗骨料中，不符合SL677-2014中對粗骨料粒級要求的有52組，不合格率為86.7%。將5~20mm和20~40mm兩種粗骨料混合后，均滿足GB/T14685-2011中5~31.5mm連續(xù)粒級的要求?？梢娊ㄖ止橇弦褟V泛應用于水利工程的建設中。（2）驗證建筑粗骨料能否應用于水利工程中，應從混凝土拌合物性能、力學性能及耐久性能進行試驗，最終建立建筑粗骨料應用于水利工程中后的實體耐久性能評價體系。

作者:張成銀 鄭繼 劉長順 單位:安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學研究院 安徽省建筑工程質量監(jiān)督檢測站