高石粉含量水工混凝土徐变性能的试验研究

魏亮

（广州市设计院，广东广州 510620）

1 工程概况

人工砂替代天然砂充当细骨料在水利水电建设工程中应用越来越普遍。石粉含量的不同使水工混凝土徐变存在差异，而对于大体积水工混凝土，混凝土的徐变影响到混凝土抗裂性能。人工砂在混凝土中的应用与研究表明，适量的石粉和微粒能够提高混凝土的密实程度，从而提高混凝土抗压强度，减小混凝土的徐变。然而过量的石粉使混凝土集料的骨架作用被减弱，对抗压强度的增长起负作用，对抑制混凝土徐变产生不利影响[1]。我国《水工混凝土施工规范（DL/T 5144—2015）》中规定的石粉含量控制范围为6%~18%，但在实际的水电站工程建设中，骨料加工系统生产的人工砂中石粉含量常常会超过这一控制范围[2]，锦屏一级水电站拱坝混凝土的石粉含量达30%，为探明石粉对水工混凝土徐变的影响规律，本文开展了高石粉含量水工混凝土徐变性能的研究，以期确定使混凝土具有较合理徐变的石粉含量范围，为水工混凝土体积稳定性和防裂研究提供技术资料。

2 试验研究

2.1 原材料

水泥：华新P.MH 42.5 中热硅酸盐水泥；粗集料：二级配石子；粉煤灰：曲靖F 类Ⅰ级粉煤灰；细集料：某水电站建设工程砂石加工系统生产的原级配灰岩人工砂，石粉含量15%。通过人工水洗或添加石粉，得到了石粉含量分别为6%、10%、18%、28%、30%共5 种人工砂；石粉：灰岩质石粉，主要成分为CaCO3、CaMg和 SiO2晶体，粒径小于 80μm 的颗粒约占总量 82%。

2.2 试样制备与试验方法

保持混凝土的砂率、外加剂掺量不变，选取灰岩人工砂中石粉含量6%~30%，两种不同水胶比（0.37、0.45）的二级配水工混凝土进行混凝土徐变试验，配合比见表1。每组混凝土的徐变试件采用φ150mm×450mm 的圆柱体试件，在试件两测的表面粘贴规格为150mm 的电阻应变片，徐变试验采用XBJ-500 混凝土徐变试验机，应变采集使用uT7110Y 型优泰静态应变采集仪。徐变试验根据《水工混凝土试验规程（DL/T 5150—2001）》规定的方法进行。

表1 不同水胶比的水工混凝土配合比

3 结果及分析

3.1 石粉含量对水工混凝土徐变的影响

石粉含量对混凝土徐变的影响见图1。从图中可以得出，石粉含量对混凝土徐变的影响随徐变试件持荷时间的延长表现出不同的规律：持荷7d 徐变度随石粉含量的增大呈增大的趋势，人工砂中石粉含量由6%提高到18%时，0.37 水胶比的混凝土徐变度增加了31%，0.45 水胶比的混凝土徐变度增加了19%。而石粉含量超过18%时，继续增大石粉含量对徐变度的影响很小。石粉能够参与并促进混凝土早期的水化反应，增加浆体的数量，使混凝土徐变增大[3]。当石粉含量超过一定范围时，体系中的石粉一部分参与并促进水化反应，另外一部分惰性石粉仅作为微集料填充在混凝土的内部结构中，对浆体的数量影响较小，因此继续增大石粉含量对徐变的影响减弱。持荷28d 时，混凝土体系的水化反应进程减缓，石粉在混凝土中的晶核效应减弱，惰性石粉提高了混凝土内部结构的致密程度，抑制了混凝土的徐变[4]，另外一方面，石粉提高了混凝土的强度，在一定程度上也减小徐变，这种趋势在持荷90d 和180d 时更加明显。持荷90d 时，石粉含量为18%的混凝土的徐变度最小，石粉含量从6%增大到18%时，两种水胶比（0.37、0.45）的混凝土的徐变度分别减小了12%、14%。当人工砂中石粉含量大于18%时，过量的石粉微粒使混凝土集料的骨架作用被削弱，使混凝土强度减小，增加了混凝土徐变。

图1 石粉含量对混凝土徐变的影响

图2 显示了加载龄期分别为7d、28d 和90d 的徐变度趋势图。可以看出，石粉含量从15%增大到28%时：水胶比分别为0.37、0.45 的混凝土在加载龄期为7d、持荷180d 的徐变度分别增大了24%和10%；当加载龄期为28d 时，持荷180d 的徐变度仅增大了7%；加载龄期为90d 时，石粉含量从15%增大到28%时，0.37 和0.45 水胶比的混凝土持荷180d 的徐变度分别减小了12%和4%。分析认为：加载龄期为7d 的混凝土水化速率较快，石粉诱导水化产物在微粒表面析出晶体，提高了混凝土的水化速率，具有活性的石粉微粒参与体系的水化反应，导致体系中浆体的数量增加，增大了混凝土的徐变[5]。随着加载龄期的延长，混凝土的养护时间也相应延长，混凝土的水化反应速率减小，此时石粉主要起填充作用，未参与水化反应的石粉作为微集料补充在混凝土的内部结构中，提高混凝土的密实程度，有效抑制了混凝土徐变，如图2 所示。

3.2 人工砂中石粉含量限值的建议

由图1 可知，人工砂中石粉含量对0.37、0.45 两种水胶比混凝土徐变的影响趋势大致相同，持荷7d 前的人工砂混凝土徐变度随石粉含量增大而增大。对于持荷28d 后的人工砂混凝土：徐变度随石粉含量增大呈先减小后增大的趋势，石粉含量为28%时的徐变度比石粉含量为10%时的徐变度略小，当石粉含量为18%时，徐变度最小。对于二级配人工砂水工混凝土，较优石粉含量为15%~28%，考虑到石粉含量大于22%时，对人工砂混凝土工作性能的不利影响较大，不利于实际施工[6]，因此对人工砂中最优石粉含量的建议值为22%。

4 结语

图2 不同加载龄期的徐变度趋势

（1）石粉含量对加载龄期分别为7d、28d 及90d 的徐变度影响的结果表明，高石粉含量增大了加载龄期为7d 和28d 的徐变度，抑制了加载龄期为90d 的徐变度。

（2）随石粉含量的增大，未参与水化反应的石粉作为微集料提高了混凝土的密实程度，有效抑制了混凝土徐变，在水化反应的后期较为明显。

（3）综合人工砂水工混凝土徐变试验的研究成果，考虑到水工混凝土对体积稳定性和温控防裂等方面的需求，用于二级配水工混凝土的人工砂，其石粉含量上限可放宽至22%。