骨料品种对等强度水工混凝土的性能影响研究

石 妍，彭尚仕，董 芸，严建军，杨华全

（长江科学院a．材料与结构研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010）

骨料品种对等强度水工混凝土的性能影响研究

石 妍a，b，彭尚仕a，b，董 芸a，b，严建军a，b，杨华全a，b

（长江科学院a．材料与结构研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010）

为研究骨料品种对等强度水工混凝土的性能影响，选取3个不同骨料品种及大坝工程配合比，进行水工混凝土力学、变形及热物理性能试验。研究表明：混凝土强度等级一致时，不同骨料品种的混凝土变形及热物理性质不同——灰岩混凝土的抗拉强度最大、干缩较低、热物理性能好，且灰岩骨料本身强度适中、易于加工、骨料粒形好、吸水率低，是人工骨料中的首选；白云岩也较理想，但玄武岩混凝土弹性模量高、变形大、热物理性能不佳，不利于大坝混凝土的体积稳定性。

骨料品种；水工混凝土；强度等级；干缩；热物理参数

1 研究背景

中国是世界上筑坝数量最多的国家［1－2］。水工混凝土相对于其他工程的混凝土来讲，其材料方面的特点是骨料粒径大，最大骨料粒径达150 mm（普通混凝土骨料最大粒径为40 mm），骨料用量比例高，占混凝土材料总质量的90%左右（普通混凝土为75%～80%）。因此，不同的骨料特性对水工混凝土性能的影响尤其显著和重要，甚至会起着决定性的作用。正如P．K．Mehta教授［3］所言：“将骨料作为一种惰性填充料这种传统的见解，确实应该画上一个句号。如果不像对待水泥那样来重视骨料，显然是不恰当的。”

目前，大中型水电工程中采用的骨料一般是由料场机械加工的碎石和人工砂、灰岩、玄武岩和白云岩等品种，如沙沱、观音岩、构皮滩等水电站使用的是灰岩骨料，二滩、溪洛渡、官地等水电站使用的是玄武岩骨料，而白云岩骨料也用于龙开口等工程。品种不同的骨料特性相差较大，势必影响混凝土的性能。本文选用灰岩、玄武岩和白云岩3个骨料品种，对比分析混凝土的性能，为水工混凝土科学设计配合比，合理选择骨料料场提供指导。

2 原材料

试验采用中热42．5硅酸盐水泥、F类Ⅰ级粉煤灰、奈系高效减水剂及引气剂。灰岩、白云岩和玄武岩人工骨料均取自水电站工程现场。细骨料及粗骨料的品质检验结果分别见表1和表2，细骨料的级配曲线见图1。检测结果表明，细骨料均属中砂，级配曲线在水工混凝土用砂的级配曲线范围内（如图1中虚线所示），级配良好；试验用骨料符合规范［4］对人工骨料的技术要求。

表1 细骨料品质检验结果Table 1 Result of quality inspection for fine aggregate

表2 粗骨料品质检验结果Table 2 Result of quality inspection for coarse aggregate

3 试验配合比

C30强度等级大坝常态混凝土设计指标见表3。为满足设计要求，按照骨料的不同品种，相应调整混凝土配合比参数，粗骨料组合比均为大石∶中石∶小石＝50∶30∶20，混凝土试验配合比及拌和物性能见表4。

图1 人工砂颗粒级配曲线Fig．1 Gradation curve of the artificial sands

表3 混凝土设计指标Table 3 Design specifications of concrete

可见，为保持同等的混凝土拌和物性能及强度等级，不同品种骨料的混凝土配合比参数略有不同。灰岩与玄武岩混凝土水胶比及砂率相当，而白云岩混凝土的水胶比及砂率略高，这与细骨料的细度模数、石粉含量、吸水率以及粗骨料的颗粒形状、级配及吸水率等品质指标有关。

4 试验结果与分析

4．1 力学性能

不同骨料混凝土的力学性能试验结果见表5。试验结果表明，经过配合比调整，3组混凝土均达到C30强度等级的配制要求，28 d龄期抗压强度相当，均在40．2～41．2 MPa范围内。但灰岩混凝土的劈拉强度、轴拉强度及极限拉伸值略高，说明灰岩骨料与硬化胶凝材料浆的界面结合较好。玄武岩骨料混凝土的弹性模量最大，这是因为混凝土的弹性模量受多种因素影响［5］，所用骨料的弹性模量越高，混凝土配合比中所含骨料（特别是粗骨料）比例越大，混凝土的弹性模量就越高。

4．2 干缩变形

不同骨料混凝土干缩试验结果见表6和图2。采用对数函数形式拟合干缩变形与龄期的关系，关系式如下：

式中：εt为任意龄期t时的收缩变形；r为相关系数。

图2 不同骨料混凝土的干缩发展曲线Fig．2 Curves of drying shrinkage of concrete w ith different aggregates

表4 混凝土试验配合比及拌和物性能Table 4 M ix proportion and m ixture’s properties of concrete for the test

表5 不同骨料混凝土的力学性能Table 5 M echanical properties of concrete w ith different aggregates

表6 不同骨料混凝土的干缩试验结果Table 6 Result of drying shrinkage test on concrete w ith different aggregates

可见，对数函数可较好地拟合混凝土干缩与龄期的发展关系，相关系数高，拟合效果好。

试验结果表明，强度等级一定时，玄武岩混凝土的干缩率最大，其次是灰岩混凝土和白云岩混凝土。分析其原因，混凝土的干缩是由混凝土内水分变化而引起的，当混凝土在空气中硬化时，由于水分蒸发，水泥石凝胶体逐渐干燥收缩，使混凝土产生干缩。玄武岩混凝土的胶凝材料用量多，增加了混凝土的干缩率。同时，骨料的弹性性质确定了其对混凝土的限制作用。灰岩和白云岩均属于典型的沉积岩，结构较致密，自身不会产生收缩。而试验用玄武岩是岩浆岩，属于喷出岩，虽然质地坚硬，但内部具有气孔结构，其自身会产生收缩，且有缓慢持续的吸水过程，使砂浆不断失去水分，从而增大混凝土的干燥收缩［6－7］。

为保证大坝结构的体积稳定性，混凝土的干缩率不宜过大，因此，在选择骨料品种时，灰岩与白云岩优于玄武岩。且可用对数函数预测混凝土的后期干缩率。

4．3 热物理性能

混凝土的热物理性能参数值得关注，因为在浇筑后的早期，热物理参数不仅影响混凝土温度梯度、热应变、弯曲和裂缝等的发展，还会影响绝热温升。不同骨料混凝土的热物理性能参数见表7。

试验结果表明，骨料品种不同，混凝土的热学性能参数也不同。混凝土线膨胀系数按照灰岩、白云岩和玄武岩依次增大，导温系数及导热系数则按照白云岩、灰岩和玄武岩依次减小，比热按照白云岩、灰岩和玄武岩依次增大。

表7 不同骨料混凝土的热物理性能参数Table 7 Thermo-physical parameters of concrete w ith different aggregates

混凝土的线膨胀系数越小，温度变形越小，产生的温度应力也越小，抗裂能力越高［8］。混凝土的线膨胀系数主要取决于骨料的线膨胀系数，骨料的线膨胀系数随岩性而变化，按照玄武岩、白云岩和灰岩依次减小。一般而言，水泥净浆的线膨胀系数（（11×10－6～20×10－6）／℃）比骨料的线膨胀系数（（5×10－6～13×10－6）／℃）大，因此，骨料用量多的混凝土线膨胀系数一般较小。

混凝土的其他热物理参数同样受骨料品质与用量的影响。空气的导温系数及导热系数是很低的，3组混凝土的含气量相当（见表4），但玄武岩骨料内部的气孔稍多，因此玄武岩混凝土的导温系数及导热系数较低，且玄武岩混凝土的比热较大，这均不利于混凝土的热量传导。相反，灰岩和白云岩混凝土的热传导性较好，有利于大坝混凝土的体积稳定性。

5 结 论

本文进行了不同骨料品种的大坝混凝土力学、变形及热学性能试验，得到如下结论：混凝土强度等级一定时，骨料品种对混凝土的变形及热物理参数的影响不容忽视，灰岩混凝土的抗拉强度最大、干缩较低、热物理性能好，且灰岩骨料本身强度适中、易于加工、骨料粒形好、吸水率低，是人工骨料中的首选，白云岩也较理想，但玄武岩混凝土弹性模量高、变形大、热物理性能不佳，不利于大坝混凝土的体积稳定性。

［1］ JIA J S，ZHENG C Y，YUAN Y L．Dam Construction in China，2008 Statistics［C］∥Chinese National Committee on Large Dams．Progresses and Concerned Issues，The1st International Symposium on Rockfill Dams，Chengdu，October 18－21，2009：907－913．

［2］ 杨华全，李鹏翔，李 珍．混凝土碱骨料反应［M］．北京：中国水利水电出版社，2010．（YANG Hua-quan，LI Peng-xiang，LIZhen．Reaction of Alkali-aggregate of Concrete［M］．Beijing：China Water Power Press，2010．（in Chinese））

［3］ MEHTA P K，ROY M．Report of the 9th International Congress on the Chemistry of Cement［J］．Cement and Concrete Research，1993，23（2）：504－505．

［4］ DL／T 5144－2001，水工混凝土施工规范［S］．北京：中国电力出版社，2002．（DL／T 5144－2001，Specifications for Hydraulic Concrete Construction［S］．Beijing：China Electric Power Press，2002．（in Chinese））

［5］ 方坤河．碾压混凝土材料、结构与性能［M］．武汉：武汉大学出版社，2004．（FANG Kun-he．Material，Structure and Properties of Roller Compacted Concrete（RCC）［M］．Wuhan：Wuhan University Press，2004．（in Chinese））［6］ 汪 澜．水泥混凝土组成、性能、应用［M］．北京：中国建材工业出版社，2005．（WANG Lan．Material，Properties and Application of Cement Concrete［M］．Beijing：China Building Material Industry Publishing House，2005．（in Chinese））

［7］ 李家正，石 妍，杨华全．骨料品种对混凝土体积变形特性的影响研究［J］．武汉理工大学学报，2010，32（6）：16－19．（LI Jia-zheng，SHI Yan，YANG Huaquan．Study on Effect of Aggregate Variety on Concrete Autogenous Volume Deformation［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2010，32（6）：16－19．（in Chinese））

［8］ 李光伟．混凝土抗裂能力的评价［J］．水利水电科技进展，2001，21（4）：33－36．（LIGuang-wei．Evaluation of Concrete Cracking Capacity［J］．Advances in Science and Technology ofWater Resources，2001，21（4）：33－36．（in Chinese） ）

（编辑：黄 玲）

Effect of Aggregate Variety on Properties of Hydraulic Concretes with Equivalent Strength

SHIYan，PENG Shang-shi，DONG Yun，YAN Jian-jun，YANG Hua-quan
（1．Material and Engineering Structure Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Themechanical，deformation and thermo-physical properties of hydraulic concretes with three different aggregates and dam-engineeringmix ratioswere tested．The results revealed that given equivalent strength，the deformation and thermo-physical properties of concretewith differentaggregateswere different．Limestone concrete has the highest tensile strength，lower drying shrinkage and good thermo-physical properties．Moreover，limestone is the first choice among artificial aggregates owing to its good grain shape，low water absorption，and moderate intensity which means can be easily processed．Dolomite aggregate is also ideal，but basalt concrete is unfavorable for the volume stability of dam concrete because it has large elastic modulus，big deformation and poor thermo-physical properties．The conclusions provide guidance for themix design and reasonable selection of aggregate for hydraulic concrete．

aggregate variety；hydraulic concrete；strength level；drying shrinkage；thermo-physical parameters

TV544

A

1001－5485（2013）11－0083－03

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．016

2012－09－14；

2012－11－26

石 妍（1979－），女，河南新乡人，高级工程师，博士，主要从事水工建筑材料方面的研究，（电话）027－82926347（电子信箱）shiyan＠mail．crsri．cn。