锈染骨料对湿筛与全级配大坝混凝土力学性能的影响对比

石 妍，刘战鳌，周世华，刘春风

(1.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010；2.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3.中国三峡建设管理有限公司,北京 100038)

1 研究背景

大中型水利水电工程建设中，需要大量开采当地砂石料，破碎后用作大体积混凝土的粗细骨料。对比土木交通及其他行业，水工大体积混凝土中骨料体积比一般在80%以上，最大骨料粒径达150 mm，因此，骨料的品质优劣对水工混凝土工作性、力学性能与耐久性均有着重要影响[1]。然而，由于岩石节理发育、风化或溶蚀夹泥等原因[2-3]，锈染骨料(也称锈皮骨料、表面锈染骨料)在工程料场开采中难以完全避免，如漫湾水电站、锦屏一级水电站等，锈染物也因成分差异而呈红、白、黄或黑等不同颜色。现行《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)[4]对混凝土粗骨料的品质指标提出了明确要求，并规定含有黄锈和钙质结核的粗骨料，应用前应进行专门论证。

本文基于西南某巨型水电工程开展研究，工程建设过程中，料场开采加工的骨料表面不同程度的存在覆盖物和锈斑状物质，将表面附着偏离灰岩本体颜色物质的骨料界定为锈染骨料，表面附着物称为锈染物。如果将开采的锈染骨料作为弃料处理，那就需要寻找新的料场，开采、加工与运输成本大大提高，既显著增加工程成本，又造成现有资源的浪费。因此，本文通过分析岩石的外观差异、力学测试及化学成分，对比测试不同骨料工况湿筛与全级配混凝土的力学性能，以期真实分析锈染骨料的性能影响，并科学合理地应用于大坝混凝土中，有利于保障工程质量、减少矿山开挖、节约工程成本，具有显著的技术、经济及社会效益。

2 原材料及品质检测

2.1 原材料品种

混凝土试验原材料主要包括某42.5低热硅酸盐水泥、F类I级粉煤灰、高效减水剂和引气剂，以及人工灰岩砂石骨料，原材料品质指标均符合相应的技术标准要求。无锈染灰岩与不同外观锈染骨料的照片见图1。

图1 无锈染灰岩与不同外观锈染骨料的照片Fig.1 Conventional limestone and rusty aggregates with different appearances

试验所用骨料包括:无锈染的特大石、大石与中石，锈染物表面积占骨料总表面积的5%以内；锈染的特大石、大石与中石，锈染面积在17%以上且至少有一个完整面呈锈染状；以及统一的灰岩小石与砂。粒径在20 mm以上的特大石、大石及中石锈染较为明显，且以表面裹附形式存在。而粒径20 mm以下的小石因经过立轴破碎整形而含量相对较低，裹附面积较小，因此，试验暂不考虑锈染小石的影响，小石与人工砂均采用统一灰岩品种。

2.2 骨料力学性能测试

根据《水电水利工程岩石试验规程》(DL/T 5368—2007)规定[5]，测试天然含水状态下无锈染、锈染大石与特大石的点荷载强度，并换算得知其单轴抗压强度，结果见图2，加荷破碎后岩石的照片见图3。

图2 岩石点荷载试验结果Fig.2 Result of point load test of rocks

图3 点荷载试验破碎后骨料照片Fig.3 Aggregates after point load test

试验结果表明，破坏面均贯穿整个岩石试块并通过两加荷点，说明试验为有效加荷。骨料点荷载强度在3.20～3.59 MPa之间，单轴抗压强度在55.8～62.4 MPa之间。但锈染骨料的强度结果略低于无锈染骨料，特大石的结果略低于大石。锈染岩石破碎后内部为灰岩，观察破坏断面，锈染物均附着在原岩表层，厚约3～5 mm，在压载过程中，存在劈裂剥离的现象，在混凝土中可能会降低骨料与浆体的界面粘结能力。

3 混凝土试验及性能测试

3.1 试验方案

四级配大坝混凝土设计指标C18040 F90300W9015，试验配合比及拌合物性能见表1。混凝土水胶比为0.42，粉煤灰掺量为35%，粗骨料比例为特大石∶大石∶中石∶小石=30∶30∶20∶20，特大石、大石、中石及小石的粒径分别为150～80、80～40、40～20、20 ～5 mm。混合骨料工况由各级配下无锈染与锈染骨料混合得到，锈染比例约10%。

表1 四级配大坝混凝土试验配合比及拌合物性能Table 1 Test mix proportion and mixture performance of four-graded dam concretes

通过减水剂及引气剂的掺量调整，控制混凝土拌合物坍落度30 ～50 mm、含气量4.0%～5.0%，拌合后同时成型湿筛小试件(筛去40 mm以上的特大石与大石)与全级配大试件。湿筛及全级配混凝土的拌和、成型、养护及性能试验均按《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)的相关规定进行[6]，各性能试验采用的试件尺寸见表2。

表2 全级配及湿筛混凝土各性能试验试件尺寸Table 2 Dimensions of fully-graded and wet-screened concrete specimens

3.2 混凝土抗压强度试验

不同骨料工况下，湿筛与全级配混凝土的抗压强度试验结果分别见表3、表4和图4。以无锈染骨料混凝土的抗压强度为100%，计算其他骨料工况混凝土的抗压强度百分比。并计算各编号全级配与湿筛试件的抗压强度百分比。

表3 湿筛混凝土抗压强度试验结果Table 3 Test results of compressive strength of wet-screened concrete

表4 全级配混凝土抗压强度试验结果Table 4 Test results of compressive strength of fully-graded concrete

图4 不同骨料混凝土试件的抗压强度柱状图Fig.4 Compressive strengths of concretes with different aggregates

试验结果表明，3组骨料工况混凝土的抗压强度大小顺序为：无锈染>混合>锈染，在各龄期下，锈染骨料混凝土的混凝土抗压强度降低率在5%以内。因此，骨料锈染物的存在，对混凝土抗压强度略有降低，但总体影响程度不显著，尤其是28 d龄期之后。这与已有的研究结果[2-3]较为一致。

骨料工况对全级配和湿筛混凝土抗压强度的影响规律大致相当；28 d龄期时，全级配混凝土试件的抗压强度略大于湿筛小试件，主要是大石及特大石的骨架作用所致;而90 d龄期之后，全级配混凝土试件的抗压强度低于湿筛小试件，应该是受到内部界面及缺陷的影响[7]。

3.3 混凝土劈裂抗拉试验

不同骨料工况下，湿筛与全级配混凝土的劈拉强度试验结果分别见表5、表6和图5，以无锈染骨料混凝土劈拉强度为100%，计算其他骨料工况混凝土的劈拉强度百分比，并计算各编号全级配与湿筛试件的劈拉强度比值。试验结果表明3组不同骨料工况湿筛混凝土的劈拉强度大小顺序为：无锈染>混合>锈染，在各龄期下，锈染骨料混凝土的劈拉强度降低率在10%以内。

表5 湿筛混凝土劈拉强度试验结果Table 5 Test results of splitting tensile strength of wet-screened concrete

表6 全级配混凝土劈拉强度试验结果Table 6 Test results of splitting tensile strength of fully-graded concrete

图5 不同骨料混凝土试件的劈拉强度柱状图Fig.5 Splitting tensile strengths of concretes with different aggregates

因此，锈染骨料不同程度降低了混凝土的劈拉强度，且锈染骨料比例越高，降低趋势越明显。从微观结构来看[8]，这是由于锈染物的存在将影响CH(氢氧化钙)和AFt(钙矾石)等水泥水化产物的成核生长，增大骨料与浆体的界面区厚度，从而削弱界面结合能力，降低混凝土的劈拉强度。且抗拉强度受界面效应的影响更加敏感，所以锈染骨料混凝土劈拉强度的降低率稍大于抗压强度的降低率[9]。早龄期锈染骨料混凝土的劈拉强度比略低，但随着龄期的延长，比值有所提高，表明骨料-浆体的界面结合能力提高，锈染物带来的不利影响逐渐减弱。

与湿筛混凝土对比，全级配混凝土试件的劈拉强度较低，全级配/湿筛比值为70%～79%，与文献[10]的结果相符。全级配混凝土中引入大石与特大石，增加了界面结合的几率，大骨料与浆体界面过渡区力学性能增长缓慢，因此，全级配试件的劈拉强度显著低于湿筛小试件。对比无锈染骨料混凝土，锈染骨料全级配混凝土的劈拉强度降低幅度也略大于湿筛混凝土。

从全级配试件劈拉断面可见，试件断面凹凸不平，大骨料部分被拉拔脱落，部分被劈断破坏。锈染骨料混凝土内部，骨料的断面切口清晰可见黄色、红色或白色锈染物薄层，锈染骨料与浆体界面区是力学性能的薄弱区域。随龄期的延长，混凝土及界面强度提高，拉拔脱落的骨料随之减少，断面切口趋于平整。

3.4 混凝土轴向拉伸试验

不同骨料工况下，湿筛与全级配混凝土的轴向拉伸试验结果见表7—表9、图6，分别以无锈染的混凝土轴拉强度和极限拉伸值为100%，计算其他骨料工况混凝土的轴拉强度比和极限拉伸值比。并计算各编号全级配与湿筛试件的结果比值。

图6 不同骨料混凝土试件的轴拉强度柱状图Fig.6 Ultimate tensile strengths of concretes with different aggregates

表7 湿筛混凝土轴向拉伸试验结果Table 7 Test result of axial tensile strength of wet-screened concrete

表8 全级配混凝土轴拉强度试验结果Table 8 Test results of axial tensile strength of fully-graded concrete

表9 全级配混凝土极限拉伸试验结果Table 9 Ultimate tensile test results of fully-graded concrete

试验结果表明：不同骨料工况混凝土的轴拉强度与极限拉伸值大小顺序为：无锈染>混合>锈染，各龄期下，锈染骨料混凝土的轴向拉伸强度降低率在10%(湿筛)与13%(全级配)以内。这与劈拉强度试验规律较为一致，锈染物的存在会削弱骨料与浆体的界面结合能力，降低混凝土的轴拉强度和极限拉伸值，但随着龄期的增长，不同骨料工况混凝土间的差距有减小趋势。

与湿筛混凝土试件对比，全级配混凝土试件的轴向拉伸结果较低，轴拉强度比值为56%～62%，极限拉伸值的比值分别为56%～63%，且显著低于劈拉强度的结果，主要还是全级配试件中大石与特大石的引入，增加了界面结合及内部缺陷的几率，而轴向拉伸受这些薄弱环节的影响更加敏感[11]。

全级配混凝土轴拉试验照片见图7，锈染骨料混凝土试件的破坏断面见图8。

图7 全级配混凝土极限拉伸试验及破坏试件照片Fig.7 Ultimate tensile test of fully-graded concrete specimens

图8 锈染骨料混凝土试件的破坏断面Fig.8 Cross section of destroyed concrete with rusty aggregate

由图7、图8可以看出，全级配轴向拉伸试件的断面中，特大石及大石分布相对均匀，没有过度集中或局部缺陷的现象，界面结合较好。断面凸凹不平，特大石和大石均有被拔出或者被拉断的情况，但随着龄期的延长，浆体和界面强度逐渐提高，断面趋于平整。锈染骨料混凝土断面内部，骨料切口呈浅灰、深灰或灰黑色等灰岩常见的颜色，也可见黄色、红色或白色的锈染物。

4 结 论

基于西南某巨型水电工程建设中遇到的工程问题，开展锈染骨料对湿筛与全级配大坝混凝土力学性能的影响对比研究，结论如下：

(1)红色、黄色或白色锈染物附着在原岩表层，厚约3～5 mm。骨料点荷载强度为3.20～3.59 MPa，单轴抗压强度为55.8～62.4 MPa。锈染骨料的强度略低于无锈染骨料，且压载过程中存在劈裂剥离现象。

(2)骨料表面锈染物的存在，削弱与浆体的界面结合能力，从而降低混凝土的力学性能，锈染程度越高，影响越显著。锈染骨料混凝土的抗压、劈拉及轴拉强度降低率分别在5%、10%及13%以内，抗拉强度的降低更明显。随着龄期的增长，各骨料工况混凝土间的力学性能差据有减小趋势。

(3)骨料锈染物对全级配混凝土的性能影响规律与湿筛试件类似。但全级配混凝土的早龄期抗压强度略高，90 d之后低于湿筛小试件。全级配混凝土劈拉强度、轴拉强度及极限拉伸值分别为湿筛混凝土的70%～79%、56%～62%及56%～63%。试件破坏后的断面中，特大石及大石分布相对均匀、有被拔出或拉断的情况，随着龄期的延长，断面趋于平整。锈染骨料切口可见锈染物。

(4)表面锈染骨料可用于制备大坝内部混凝土，但对于抗拉要求较高的部位及构件，如大坝基础约束区、溢流面、厂房混凝土等，建议有限度的使用。研究成果可为锈染骨料对混凝土的性能影响评价及在大坝中的合理应用提供技术支撑。