建筑粗骨料应用于水利工程研究

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一、概述

近年来随着矿山的不断开采和环保要求的不断提高，市场中石子严重紧缺，国内粗骨料料源也严重紧缺，目前能采购到的粗骨料大多不符合《水工混凝土施工规范》SL677-2014[1]中5.3.6条推荐、建议的粒径要求（“粗骨料宜分为小石、中石、大石和特大石四级，粒径分别为5~20mm、20~40mm、40~80mm和80~150（120）mm”）。经调研，市场仅能采购到5~31.5mm连续级配碎石。因此，建筑用粗骨料已被大量应用于水利工程的混凝土中。粗骨料作为混凝土的主要成分之一，占据了混凝土体积含量的一半以上，其对混凝土的性能有着重要的影响[2-3]。一般而言，粗骨料在混凝土中起着填充降费、骨架支撑等多方面的作用，其空隙率直接影响着混凝土内部所需砂浆的数量以及粗骨料间的搭接，从而对混凝土的流变性能、力学性能和长期性能等产生较大影响，而粗骨料的颗粒级配直接影响了其空隙率的大小。因此，混凝土用粗骨料粒级组成直接影响混凝土的工作性，对混凝土的力学性能也将产生重大影响，特别是高性能混凝土，还会影响其耐久性能[4-5]。因此，建筑用粗骨料用于水利工程后，对工程结构安全性、耐久性是否满足设计要求，有待进一步的研究论证。

二、水利工程中粗骨料粒级调研

1．水利用粗骨料与建筑用粗骨料粒级分析

《水工混凝土施工规范》SL677-2014中规定“粗骨料宜分为小石、中石、大石和特大石四级，粒径分别为5~20mm、20~40mm、40~80mm和80~150（120）mm，以原孔筛检验时，其控制标准为超径不大于5%，逊径不大于10%。当以超、逊径筛（方孔）检验时，其控制标准为超径为0，逊径不大于2%。中经筛余率宜在40%~70%范围内。”《建设用卵石、碎石》GB/T14685-2011[6]中规定“混凝土所用石子应采用5~10mm、5~16mm、5~20mm、5~25mm、5~31.5mm、5~40mm的连续粒级，也可采用10~20mm、16~31.5mm、20~40mm、31.5~63mm、40~80mm的单粒级与连续粒级混合使用。”目前，水利工程混凝土设计使用粗骨料一般为5~20mm和20~40mm的二级配石子，而建材市场中与上市石子较为接近的是5~31.5mm的连续粒级碎石，这也导致5~31.5mm粒级的粗骨料被广泛应用在水利工程中。

2．水利工程用粗骨料粒级调研状况

对30个水利工程中所用的60组粗骨料粒级状况进行了调研，见表1。由表1可见，所调研的30个工地，设计均采用5~20mm和20~40mm的两种粗骨料粒级。其中60组粗骨料中，不符合SL677-2014中对粗骨料粒级要求的有52组，不合格率为86.7%。由图1可以看出，超径含量不合格率为8.3%、逊径含量不合格率为13.3%、中经筛余不合格率为65.0%。所调研的工地中，没有一个工地所用两种粗骨料均符合SL677-2014中规定的；而对同一工地两种粗骨料混合后，其颗粒级配均满足GB/T14685-2011中5~31.5mm连续粒级的要求。可见，建筑用粗骨料已广泛应用于水利工程建设中。

三、建筑粗骨料应用于水利工程中的试验研究

1．试验研究技术路线

为确定建筑粗骨料应用于水利工程后，其力学性能和耐久性能能否满足设计要求，需对两种粒级粗骨料的混凝土性能进行试验对比论证。即在水泥及掺合料、细骨料、外加剂都相同的情况下，采用两种不同粒级的粗骨料配制强度等级一致、坍落度相等的混凝土，然后对两种混凝土的拌合物性能、力学性能、耐久性能进行试验对比研究，并最终建立建筑粗骨料应用于水利工程后的实体耐久性评价方法。具体研究路线见图2。

2．骨料最优级配试验

针对两种粒级粗骨料级配现状统计与试验分析，建立有限元数值模型，通过细观力学分析，研究粒径、粒形和粒级含量等特征参数对粗骨料级配的影响规律。

3．拌合物性能对比试验研究

依据SL356-2006对两种粒级粗骨料的混凝土泌水率、表观密度、含气量进行测试，研究不同粒级骨料对混凝土拌合物性能的影响。

4．力学性能对比试验研究

采用（5~31.5）mm粒级和（5~40）mm粒级的粗骨料，在实验室配制不同强度等级的混凝土，并制备力学性能试件，以及SL352-2006进行如下力学性能测试：立方体抗压强度、抗弯强度、劈裂抗拉强度、轴向抗拉强度、轴心抗压强度、静力抗压弹性模量。其中立方体抗压强度试件的养护方式为标准养护、同条件养护（即时间养护达到600℃·d），其余力学性能的养护条件均为标准养护。

5．耐久性能试验研究

（1）两种不同粒级骨料混凝土标准试件耐久性能对比采用（5~31.5）mm粒级和（5~40）mm粒级的粗骨料，在实验室配制不同强度等级的混凝土，并制备耐久性能试件，进行如下耐久性能测试：早期混凝土的自由收缩变形、干燥收缩性能、抗渗性能、碳化性能、抗冻性能、抗氯离子渗透性能、抗冲磨性能、绝热温升。其中早期混凝土的自由收缩变形采用GB/T50082-2009进行试验，其余试验项目均采用Sl352-2006进行试验。（2）两种不同粒级骨料实体混凝土的耐久性能对比在实验室配制不同强度等级的混凝土，浇筑大尺寸试件，并在大尺寸试件上钻取芯样，以模拟工程实体混凝土芯样的力学性能和耐久性能。1）大尺寸试件混凝土浇筑时，测试其拌合物性能（坍落度、泌水率、表观密度和含气量），同时成型立方体抗压强度试件，测定不同龄期工程实体混凝土的强度；2）大尺寸试件混凝土浇筑时，成型混凝土试件，测定自然养护标准试件与取芯试件对抗冻性能和抗渗性能的影响关系；3）对大尺寸试件混凝土进行碳化深度跟踪监测，每隔半年对实体工程的碳化深度进行测量，建立自然碳化深度与时间的关系；4）大尺寸试件混凝土浇筑时，成型混凝土试件，自然养护28d、0.5a、1a、1.5a、2a时进行加速碳化试验，测定3d、7d、14d、28d、56d的碳化深度，建立实验室加速碳化深度与养护龄期的关系。进而建立混凝土自然碳化与实验室加速碳化的相关性。

6．实体耐久性评估

通过实体取芯和自然养护试件室内试验、以及理论分析相结合的方法，建立水利工程现有建筑粗骨料（5~31.5）mm级配混凝土结构实体的力学性能及耐久性评价体系。（1）通过现有粒级粗骨料实体混凝土碳化深度的长观资料，在试验室进行混凝土芯样加速碳化试验的基础上，分析室内加速碳化和室外自然碳化的规律，并研究两者实测碳化的相关性；根据混凝土实测碳化时间及碳化环境下钢筋锈胀理论时间模型，评估碳化环境下的混凝土结构耐久性（混凝土结构实体全寿命预测）。（2）基于混凝土芯样试件与标准试件冻融环境下力学性能退化模型及相关性研究成果，在试验室快速冻融试验的基础上，评估冻融环境下的混凝土结构耐久性。（3）基于混凝土芯样试件与标准试件的抗水渗透性试验相关性研究成果，在试验室抗水渗透性试验的基础上，评估水渗透压作用下的结构耐久性。

四、结论

（1）调研的30个水利工程中，60组粗骨料中，不符合SL677-2014中对粗骨料粒级要求的有52组，不合格率为86.7%。将5~20mm和20~40mm两种粗骨料混合后，均满足GB/T14685-2011中5~31.5mm连续粒级的要求。可见建筑粗骨料已广泛应用于水利工程的建设中。（2）验证建筑粗骨料能否应用于水利工程中，应从混凝土拌合物性能、力学性能及耐久性能进行试验，最终建立建筑粗骨料应用于水利工程中后的实体耐久性能评价体系。

作者:张成银 郑继 刘长顺 单位:安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 安徽省建筑工程质量监督检测站