組合骨料對錦屏一級大壩混凝土性能影響的試驗研究

肖延亮,尹習雙,周小波

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

錦屏一級水電站水庫為雅礱江流域中游的龍頭水庫，電站裝機容量3 600MW。混凝土雙曲拱壩壩高305m，是世界上在建的最高混凝土雙曲拱壩，大壩混凝土用量約595萬m3。由于骨料占水工混凝土的體積達到60%～80%(質量為75%～90%)，骨料對新拌和硬化混凝土的性能、經濟性有顯著的影響,因此在水利水電工程中，使用合適類型且質量優(yōu)良的骨料是非常重要的[1-2]。

錦屏一級水電站壩址附近存在儲量滿足工程要求兩種巖性的骨料，即大理巖、砂巖。料場的分布情況見表1。

表1 料場分布情況

錦屏的骨料堿活性檢測結果表明，錦屏大奔流溝砂巖存在潛在堿骨料活性。為了減少大壩混凝土中活性骨料的含量，減少大壩混凝土堿骨料反應破壞的風險，大壩混凝土采用組合骨料，即組合骨料對大壩混凝土其它性能的影響是值得重視的。

2 原巖的基本性能

按照DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》要求，建筑材料用的巖石強度是指邊長為50mm的立方體或直徑與高均為50mm的圓柱體試件單軸抗壓強度(以每組六個試件的抗壓強度測值，除去最大值和最小值，取其余四個測值的平均值作為試驗結果)，試驗結果見表2。

表2 原巖的基本性能

從表2的試驗結果看，除大理巖的飽和抗壓強度只是略低于規(guī)范2[3]對變質巖強度的要求外，砂巖的原巖抗壓強度滿足規(guī)范1[4]與規(guī)范2[3]的要求，且砂巖的強度遠高于大理巖。

3 人工骨料基本性能

人工骨料的性能試驗結果見表3。從表3的試驗結果看，大理巖的壓碎指標為20.4%，遠高于砂巖的壓碎指標。從人工骨料的壓碎指標可知，大理巖人工骨料的的強度比砂巖人工骨料低。

4 混凝土性能試驗結果

從表4的試驗結果看，當水膠比為0.40時，由大理巖配制的混凝土劈拉強度不能滿足設計要求，大理巖骨料不能單獨作為錦屏一級水電站的人工骨料。同時為減少大壩混凝土中活性骨料的含量，進行了砂巖粗骨料+大理巖細骨料(簡稱組合骨料)的混凝土試驗，試驗結果見表4、5。

表3 人工骨料性能試驗結果

表4 混凝土性能試驗結果(1)

表5 混凝土性能試驗結果(2)

比較組合骨料與全砂巖骨料混凝土的試驗結果可知：

(1)組合骨料的抗壓強度呈規(guī)律性增長，組合骨料混凝土28d前的強度比同水膠比全砂巖混凝土略高，180d抗壓強度與全砂巖混凝土大致相當。

(2)組合骨料混凝土的180d劈拉強度比同水膠比的全砂巖混凝土略低，但0.38水膠比的混凝土的180d劈拉強度達到3.51MPa，可以滿足錦屏一級水電站的設計要求。

(3)組合骨料的180d彈性模量與全砂巖混凝土大致相當。

(4)組合骨料混凝土的用水量比全砂巖混凝土低5kg/m3,混凝土的絕熱溫升低0.4℃。

(5)組合骨料混凝土的線膨脹系數(shù)比全砂巖混凝土高。

(6)組合骨料混凝土的壓縮徐變比全砂巖混凝土小。

5 混凝土抗裂指標分析

從表4、5的試驗結果可知，采用混凝土的單一指標較難評價組合骨料混凝土與全砂巖混凝土孰優(yōu)孰劣。本文采用如式1所示的抗裂指數(shù)Kz來評價混凝土的抗裂能力。表達式如下：

(1)

式中εP——混凝土極限拉伸值，10-6；

R——混凝土的抗拉強度，MPa;

C——混凝土的徐變，1/MPa;

G——混凝土的自生體積變形；

Tr——混凝土的水化溫升值，℃;

α——混凝土的線膨脹系數(shù)，10-6/℃。

抗裂指數(shù)Kz考慮了混凝土的極限拉伸值、抗拉強度、徐變、線膨脹系數(shù)、自生體積變形等對混凝土抗裂性能的影響，可綜合評價混凝土的抗裂能力，因而采用抗裂指數(shù)評價是比較科學的。Kz越大，混凝土的抗裂能力越強。從表5可知，組合骨料混凝土的抗裂性能比全砂巖混凝土的抗裂能力高。

6 試驗結果機理分析

通過試驗結果分析如下點：

(1)骨料在加工過程中會產生一些微裂隙，不同種類的骨料，產生微裂縫的幾率不一樣。一般強度高、結構致密的骨料在加工過程中不易產生裂縫，而強度低、結構較疏松的骨料在加工過程中較易產生微裂縫。由于錦屏一級水電站三灘的大理巖的強度較低，在加工過程中易產生微裂縫，微裂縫成為薄弱環(huán)節(jié)而存在混凝土中。當混凝土受壓時，垂直與荷載方向的裂縫在壓應力作用下閉合，而在受拉應力時加速裂縫的擴展，故用大理巖人工骨料配制的混凝土雖抗壓強度較高，但劈拉強度不高。

(2)骨料在加工過程中總是按照最薄弱環(huán)節(jié)破碎，隨著骨料粒徑的減小，骨料中的缺陷就逐漸減少，所以細骨料的強度往往大于粗骨料[5]。從試驗結果可知，當混凝土180d抗壓強度大致相當時，組合骨料混凝土的180d劈拉強度、軸拉強度遠高于大理巖混凝土，主要是由于組合骨料混凝土以強度較高的砂巖粗骨料作為混凝土骨架。

(3)大理巖的線膨脹系數(shù)較砂巖低，組合骨料采用大理巖細骨料代替砂巖細骨料，降低了骨料體系的平均線膨脹系數(shù)；組合骨料混凝土膠材用量低，且水泥石的線膨脹系數(shù)高于骨料[8]。所以組合骨料混凝土的線膨脹系數(shù)比砂巖混凝土低。

7 結 語

(1)由單一大理巖配制的混凝土抗拉強度不能滿足錦屏一級水電站要求，不能單獨作為錦屏一級水電站的骨料。

(2)由砂巖骨料配制的混凝土力學性能較易達到設計要求，但砂巖混凝土的用水量高、絕熱溫升高、線膨脹系數(shù)高、混凝土的自生體積變形收縮量大，混凝土熱學性能較差。

(3)組合骨料混凝土的劈拉強度、極限拉伸值雖比全砂巖混凝土略低，但其用水量、膠材用量、混凝土的絕熱溫升、線膨脹系數(shù)均比全砂巖混凝土低。組合骨料的抗裂變形指數(shù)比砂巖混凝土高，其綜合抗裂性能優(yōu)于全砂巖混凝土。

錦屏一級水電站最終采用組合骨料作為大壩混凝土的人工骨料。

參考文獻：

[1] 蔣元駉.混凝土的砂石骨料[M].北京：水利電力出版社，1989.

[2] Steven.Kosmatka，Beatrix Kerkhoff，William C.Panarese著.錢覺時，唐祖全，等，譯.混凝土設計與控制[M].重慶：重慶大學出版社，2005.

[3] JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》[S].北京：華齡出版社，1994.

[4] SL 251-2000《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[5] 肖延亮.關于高拱壩混凝土人工骨料原巖強度問題的討論[J].水力發(fā)電, 2007(7):94-96.

[6] 方坤河.碾壓混凝土材料、結構與性能[M].武漢：武漢大學出版社，2004.