粗骨料宏观粒形特征对混凝土配合比及性能影响★

陶作杰，梁小刚，杨 哲，杨 虎*

（1．蒙城县城市发展投资控股集团有限公司，安徽 亳州 233500；2．安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000； 3．南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

1 概述

在混凝土原材料中，骨料占据绝大部分体积［1－2］，其物理特性，如体积率、颗粒粒径、颗粒形状、级配、表面粗糙度等直接影响到混凝土的配合比及其他性能［3－4］。比如，骨料的体积率将直接影响混凝土的和易性和黏稠度［5］，骨料粒径和级配将直接影响到混凝土离析性能［6］。目前对于骨料形貌特性的量化研究比较缺乏，这些非连续相对流变性能的影响也需要从试验和理论上进行深入分析，这将有助于混凝土流变本构模型的建立［7］。

依托蒙城枢纽，开展不同宏观粒形特征粗骨料对混凝土配合比及性能影响规律研究工作，可避免或减少温度裂缝产生，并与保温降温仿真分析、温度场监测控制等措施一起，共同构建起蒙城枢纽船闸和节制闸等大体积混凝土施工裂缝控制的技术保障体系。

2 蒙城枢纽概况及设计要求

蒙城枢纽位于安徽省蒙城县北关的涡河上，由节制闸、分洪闸、船闸三座建筑物组成，是一座集防洪、排涝、蓄水灌溉、交通航运于一体的枢纽工程，两岸堤防为1 级堤防。枢纽下移10．3 km 重建后，节制闸按20 a 一遇设计过闸流量2 400 m3/s，50 a 一遇校核流量2 900 m3/s。根据相关规范规定，工程等别为Ⅲ等，节制闸为中型水闸。涡河航道为Ⅳ级标准，船闸为Ⅳ级，新建1 000 t 级船闸。船闸是涡河蒙城枢纽的一部分，节制闸、船闸上闸首及两岸堤防形成完全封闭的防洪体系。两岸穿堤建筑物为1 级建筑物，节制闸和船闸的上闸首为2 级建筑物。

船闸主体结构主要由上闸首、闸室和下闸首三个主要部分组成。船闸闸室有效尺度为240．0 m ×23．0 m ×4．2 m（长×宽×门槛水深） ，采用整体式钢筋混凝土倒“Π”型结构，顺水流向分成12 节，每节分缝长度20．0 m。底板总宽38．8 m，厚2．8 m，一次性浇筑方量最大的部位为15．6 m×20．0 m×2．8 m=874 m3的中间块。边墙底部廊道临土侧壁厚1．5 m，顶板厚1．3 m。上、下闸首皆为整体式闸室、钢筋混凝土筏式平底板，两边墩为空箱式结构。上闸首顺水流方向长度30．0 m，底板厚2．8 m，底宽42． 6 m，一 次 性 浇 筑 方 量 最 大 部 位 为15． 6 m ×30．0 m×2．8 m=1 310 m3的中间块；下闸首顺水流方向长度30．2 m，底板厚3．5 m，底宽42．6 m，一次性浇筑方量最大的部位为15．6 m×30．2 m×3．5 m=1 649 m3的中间块。

节制闸为开敞式结构，共16 孔，单孔净宽10．0 m，总过流宽度160．0 m。闸室底板采用缝墩式结构，两孔为一联，共8 联16 孔。闸室长23．0 m，底槛高程16．5 m。闸室底板厚度为1．8 m。本工程船闸和节制闸属于大体积混凝土施工，温度及裂缝控制是施工一大难点。

蒙城枢纽的船闸与节制闸的底板、闸墩、闸墙混凝土设计要求见表1。

表1 底板、闸墩、闸墙混凝土设计要求

3 原材料

项目使用的原材料包括淮北南坪中联P． O42．5 水泥、淮南常发Ⅱ级粉煤灰、鄱阳湖河砂、蒙城万佛新型建材有限公司的WF －J6 减水剂、河北省混凝土外加剂厂的DH9 引气剂、兰溪市科建建设工程材料有限公司的聚丙烯纤维。粗骨料分两批，第一批为5 mm ～20 mm 小石和20 mm ～40 mm 中石；第二批为5 mm ～16 mm 小石和16 mm ～32 mm 中石，两批骨料见图1，图2。

图1 第一批粗骨料

图2 第二批粗骨料

骨料基本性能参数如表2 所示。表2 中松散稳定坡度的测试及计算方法如下：将装满粗骨料的15 L 容量筒抬起并倾斜，在20 s ～30 s 内将骨料连续倾倒在水平地面上，倾倒时，筒口下缘与骨料堆最高点距离保持5 cm ～10 cm，倒出后，测量料堆椎体的底面直径D和高度H（见图3） ，则松散稳定坡度=2H/D。粗骨料的松散稳定坡度与针片状含量、松散堆积孔隙率也存在良好的对应关系，松散稳定坡度较小的粗骨料，其针片状含量和松散堆积空隙率通常也较小。因此，粗骨料的松散稳定坡度可以间接衡量粗骨料的粒形，粒形较好的粗骨料，其松散稳定坡度通常较小。

表2 骨料基本性能参数

图3 骨料松散稳定坡度试验

4 混凝土配合比试验

4．1 混凝土配合比调整

第一批粗骨料混凝土配合比见表3，骨料用量按干料计算，粗骨料分为2 个级配，小石、中石质量比为4∶6，减水剂用量按胶材用量的百分比计算。M1B 组和M1C 组的坍落度分别控制在140 mm ～180 mm 和80 mm ～100 mm 范围。含气量影响混凝土的力学性能，因此根据要求控制的含气量值3．5%调整引气剂用量，实际用量为0。

表3 混凝土试验配合比（第一批粗骨料）

第二批粗骨料混凝土配合比见表4，骨料比例、用量及减水剂用量与第一批骨料混凝土的计算方式相同，M2B 组和M2C 组的坍落度分别控制在140 mm ～180 mm和80 mm ～100 mm 范围，编号为“1”的组为原参考配比。表4 中，第二批粗骨料混凝土不加入引气剂，其含气量仍能达到控制要求3% ～4%，因此仍无需加入引气剂。

表4 混凝土试验配合比（第二批粗骨料）

对比表3，表4 可知，在更换粗骨料后，考虑到级配和骨料粒形的变化，对砂率和用水量进行了调整，并根据需要增加了粉煤灰用量，由于坍落度有富余，适当降低了用水量，并维持减水剂用量不变。其中以M2B3 组与M2B1组相比为例，由于粉煤灰掺量提高至25%，水泥用量降低了18 kg/m3；再以M2C3 组与M2C1 组相比为例，由于降低了用水量，并提高了粉煤灰掺量至25%，水泥用量降低了29 kg/m3。

4．2 混凝土性能试验结果

对表3，表4 中混凝土进行了拌合物性能和力学性能的试验。

4．2．1拌合物性能

混凝土拌合物性能见表5，其中由于M2B1 组含气量不满足要求，故后续力学性能试验不再继续。其余配合比的坍落度均满足设计要求。采用第二批粗骨料时，尽管骨料最大粒径变小，但是对砂率进行优化后，其骨料整体级配更加合理，使得用水量和胶材用量可以适当降低。

表5 混凝土拌合物性能

4．2．2力学性能

混凝土的力学性能见表6。可见，采用两批骨料的所有配合比的强度均满足配制强度要求（28 d 达到31．6 MPa） ，采用第二批粗骨料时，在调整了粉煤灰用量、砂率和用水量后，混凝土的强度及其他力学性能并未下降，甚至略有上升。可以看到，在保证坍落度和抗压强度的前提下，混凝土配合比中，粉煤灰掺量可以增加至25%，其中大坍落度配比的用水量保持不变，水泥用量降低18 kg/m3，小坍落度的配比，用水量可以降低11 kg/m3，水泥用量可以降低29 kg/m3。

表6 混凝土立方体抗压强度

4．2．3极限拉伸性能

轴拉强度、抗拉弹模、极限拉伸值见表7。由于第二批粗骨料粒径较小，砂率调整得更加合理，使得混凝土轴拉强度略有提高，同时，轴拉强度随着水泥用量的降低而略有降低； 由于岩性的变化，和第一批粗骨料相比，抗拉弹模略有提高；极限拉伸值在更换骨料后基本不变，总体也随水泥用量降低而略有降低。

表7 混凝土轴拉试验结果

4．2．4热学性能

对第一批骨料配合比及第二批骨料配比中水泥用量最少的两组M2B3，M2C3 进行了线膨胀系数、导温系数、导热系数、比热、绝热温升等热学性能试验，结果见表8，表9 及图4。由于骨料岩性不同，线胀系数略有降低，导温系数、导热系数略有升高，比热略微降低，两批骨料混凝土总体相差不大。

图4 绝热温升曲线

表8 混凝土热学试验结果

表9 混凝土绝热温升试验结果

由绝热温升结果可见，在选用第二批粗骨料，调整了配合比，降低了水泥用量之后，28 d 绝热温升值分别降低了2．3 ℃和4．3 ℃，这对温控有利，在采用第一批骨料时，若根据实际情况对砂率、粉煤灰用量等作适当调整，也可达到降低绝热温升的效果。

4．2．5耐久性能

针对第一批骨料配合比及第二批骨料配比中水泥用量最少的两组M2B3，M2C3 进行了快速冻融及抗渗试验，抗冻试验进行了100 次循环，渗透最大压力为0．7 MPa，结果见表10，表11。

表10 混凝土抗冻试验结果

表11 混凝土抗渗试验结果

结果表明，两批骨料4 个配合比混凝土的抗冻性均满足设计要求，随着水泥用量降低，冻融循环后质量损失率略有增大，相对动弹模量略有降低，但仍满足大于60%的要求。抗渗试验中，渗水高度随水泥用量降低有所增大，但均未透水（试件高度150 mm） ，因此，满足抗渗等级W6 的设计要求。

5 结论

使用两批不同宏观粒形特征的骨料开展混凝土配合比验证及优化工作，性能试验的结果表明，两批粗骨料均能配制出满足设计要求的混凝土，耐久性完全满足设计要求并且有较大富余。主要结论如下：

1） 对两批粗骨料的松散稳定坡度、针片状含量、松散堆积孔隙率等三项指标进行了检测，由检测结果可知，松散稳定坡度与粗骨料针片状含量、松散堆积孔隙率存在良好的对应关系，粗骨料的松散稳定坡度可以间接衡量粗骨料的粒形，粒形较好的粗骨料，其松散稳定坡度通常较小。

2） 分别采用两批骨料对原配合比和优化后的配合比开展了试拌及性能试验。各组混凝土强度和耐久性均能满足设计指标。采用第二批粗骨料时，对原配合比进行了优化，在满足拌合物性能的前提下，原配合比有一定的优化空间，其中M2B3 组由于提高了粉煤灰掺量至25%，水泥用量降低了18 kg/m3，M2C3 组由于降低了用水量，并提高了粉煤灰掺量至25%，水泥用量降低了29 kg/m3。

3） 采用原配合比及调整后配合比的混凝土力学性能试验结果表明，两批骨料混凝土均满足强度设计指标，采用第二批骨料时，降低水泥用量后，混凝土的力学性能未明显下降，部分配合比还略有上升，这是由于骨料粒形、级配不同，且调整了砂率的结果。采用相同骨料时，混凝土力学性能、极限拉伸值随水泥用量降低而略有降低，相比第一批粗骨料，采用第二批粗骨料的混凝土，由于岩性不同，轴拉强度略有提高，弹性模量略微上升，极限拉伸值总体接近。

4） 两批粗骨料混凝土的热学参数相差不大，采用第二批粗骨料后，线膨胀系数略有降低，导温系数、导热系数略有升高，比热略微降低。采用第二批骨料时，由于配合比的优化使得混凝土28 d 绝热温升值可降低2．3 ℃～4．3 ℃，这对温控有利。

5） 两批粗骨料混凝土的抗冻性和抗渗性试验表明，均满足耐久性设计要求，采用同一骨料时，随着水泥用量降低，冻融循环后质量损失率略有增大，相对动弹模量略有降低，渗水高度有所增大。