建筑粗骨料應(yīng)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(yán)重緊缺，國內(nèi)粗骨料料源也嚴(yán)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(jīng)調(diào)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(yīng)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(fèi)、骨架支撐等多方面的作用，其空隙率直接影響著混凝土內(nèi)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(xué)性能和長期性能等產(chǎn)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(xué)性能也將產(chǎn)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(jié)構(gòu)安全性、耐久性是否滿足設(shè)計(jì)要求，有待進(jìn)一步的研究論證。

二、水利工程中粗骨料粒級調(diào)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(yàn)時，其控制標(biāo)準(zhǔn)為超徑不大于5%，遜徑不大于10%。當(dāng)以超、遜徑篩（方孔）檢驗(yàn)時，其控制標(biāo)準(zhǔn)為超徑為0，遜徑不大于2%。中經(jīng)篩余率宜在40%~70%范圍內(nèi)。”《建設(shè)用卵石、碎石》GB/T14685-2011[6]中規(guī)定“混凝土所用石子應(yīng)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(shè)計(jì)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(dǎo)致5~31.5mm粒級的粗骨料被廣泛應(yīng)用在水利工程中。

2．水利工程用粗骨料粒級調(diào)研狀況

對30個水利工程中所用的60組粗骨料粒級狀況進(jìn)行了調(diào)研，見表1。由表1可見，所調(diào)研的30個工地，設(shè)計(jì)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(jīng)篩余不合格率為65.0%。所調(diào)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?？梢?，建筑用粗骨料已廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)中。

三、建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程中的試驗(yàn)研究

1．試驗(yàn)研究技術(shù)路線

為確定建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程后，其力學(xué)性能和耐久性能能否滿足設(shè)計(jì)要求，需對兩種粒級粗骨料的混凝土性能進(jìn)行試驗(yàn)對比論證。即在水泥及摻合料、細(xì)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(qiáng)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(xué)性能、耐久性能進(jìn)行試驗(yàn)對比研究，并最終建立建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程后的實(shí)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(yàn)

針對兩種粒級粗骨料級配現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)與試驗(yàn)分析，建立有限元數(shù)值模型，通過細(xì)觀力學(xué)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(yàn)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(jìn)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(xué)性能對比試驗(yàn)研究

采用（5~31.5）mm粒級和（5~40）mm粒級的粗骨料，在實(shí)驗(yàn)室配制不同強(qiáng)度等級的混凝土，并制備力學(xué)性能試件，以及SL352-2006進(jìn)行如下力學(xué)性能測試：立方體抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸向抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、靜力抗壓彈性模量。其中立方體抗壓強(qiáng)度試件的養(yǎng)護(hù)方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、同條件養(yǎng)護(hù)（即時間養(yǎng)護(hù)達(dá)到600℃·d），其余力學(xué)性能的養(yǎng)護(hù)條件均為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

5．耐久性能試驗(yàn)研究

（1）兩種不同粒級骨料混凝土標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室配制不同強(qiáng)度等級的混凝土，并制備耐久性能試件，進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)，其余試驗(yàn)項(xiàng)目均采用Sl352-2006進(jìn)行試驗(yàn)。（2）兩種不同粒級骨料實(shí)體混凝土的耐久性能對比在實(shí)驗(yàn)室配制不同強(qiáng)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(shí)體混凝土芯樣的力學(xué)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(qiáng)度試件，測定不同齡期工程實(shí)體混凝土的強(qiáng)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)試件與取芯試件對抗凍性能和抗?jié)B性能的影響關(guān)系；3）對大尺寸試件混凝土進(jìn)行碳化深度跟蹤監(jiān)測，每隔半年對實(shí)體工程的碳化深度進(jìn)行測量，建立自然碳化深度與時間的關(guān)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(hù)28d、0.5a、1a、1.5a、2a時進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，測定3d、7d、14d、28d、56d的碳化深度，建立實(shí)驗(yàn)室加速碳化深度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系。進(jìn)而建立混凝土自然碳化與實(shí)驗(yàn)室加速碳化的相關(guān)性。

6．實(shí)體耐久性評估

通過實(shí)體取芯和自然養(yǎng)護(hù)試件室內(nèi)試驗(yàn)、以及理論分析相結(jié)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(jié)構(gòu)實(shí)體的力學(xué)性能及耐久性評價體系。（1）通過現(xiàn)有粒級粗骨料實(shí)體混凝土碳化深度的長觀資料，在試驗(yàn)室進(jìn)行混凝土芯樣加速碳化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析室內(nèi)加速碳化和室外自然碳化的規(guī)律，并研究兩者實(shí)測碳化的相關(guān)性；根據(jù)混凝土實(shí)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(jié)構(gòu)耐久性（混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體全壽命預(yù)測）。（2）基于混凝土芯樣試件與標(biāo)準(zhǔn)試件凍融環(huán)境下力學(xué)性能退化模型及相關(guān)性研究成果，在試驗(yàn)室快速凍融試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，評估凍融環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。（3）基于混凝土芯樣試件與標(biāo)準(zhǔn)試件的抗水滲透性試驗(yàn)相關(guān)性研究成果，在試驗(yàn)室抗水滲透性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，評估水滲透壓作用下的結(jié)構(gòu)耐久性。

四、結(jié)論

（1）調(diào)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。可見建筑粗骨料已廣泛應(yīng)用于水利工程的建設(shè)中。（2）驗(yàn)證建筑粗骨料能否應(yīng)用于水利工程中，應(yīng)從混凝土拌合物性能、力學(xué)性能及耐久性能進(jìn)行試驗(yàn)，最終建立建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程中后的實(shí)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(xué)研究院 安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站