陶作杰，梁小剛，楊 哲，楊 虎*

（1．蒙城縣城市發(fā)展投資控股集團(tuán)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．南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

1 概述

在混凝土原材料中，骨料占據(jù)絕大部分體積［1－2］，其物理特性，如體積率、顆粒粒徑、顆粒形狀、級(jí)配、表面粗糙度等直接影響到混凝土的配合比及其他性能［3－4］。比如，骨料的體積率將直接影響混凝土的和易性和黏稠度［5］，骨料粒徑和級(jí)配將直接影響到混凝土離析性能［6］。目前對(duì)于骨料形貌特性的量化研究比較缺乏，這些非連續(xù)相對(duì)流變性能的影響也需要從試驗(yàn)和理論上進(jìn)行深入分析，這將有助于混凝土流變本構(gòu)模型的建立［7］。

依托蒙城樞紐，開(kāi)展不同宏觀粒形特征粗骨料對(duì)混凝土配合比及性能影響規(guī)律研究工作，可避免或減少溫度裂縫產(chǎn)生，并與保溫降溫仿真分析、溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制等措施一起，共同構(gòu)建起蒙城樞紐船閘和節(jié)制閘等大體積混凝土施工裂縫控制的技術(shù)保障體系。

2 蒙城樞紐概況及設(shè)計(jì)要求

蒙城樞紐位于安徽省蒙城縣北關(guān)的渦河上，由節(jié)制閘、分洪閘、船閘三座建筑物組成，是一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運(yùn)于一體的樞紐工程，兩岸堤防為1 級(jí)堤防。樞紐下移10．3 km 重建后，節(jié)制閘按20 a 一遇設(shè)計(jì)過(guò)閘流量2 400 m3/s，50 a 一遇校核流量2 900 m3/s。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，工程等別為Ⅲ等，節(jié)制閘為中型水閘。渦河航道為Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，船閘為Ⅳ級(jí)，新建1 000 t 級(jí)船閘。船閘是渦河蒙城樞紐的一部分，節(jié)制閘、船閘上閘首及兩岸堤防形成完全封閉的防洪體系。兩岸穿堤建筑物為1 級(jí)建筑物，節(jié)制閘和船閘的上閘首為2 級(jí)建筑物。

船閘主體結(jié)構(gòu)主要由上閘首、閘室和下閘首三個(gè)主要部分組成。船閘閘室有效尺度為240．0 m ×23．0 m ×4．2 m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深） ，采用整體式鋼筋混凝土倒“Π”型結(jié)構(gòu)，順?biāo)飨蚍殖?2 節(jié)，每節(jié)分縫長(zhǎng)度20．0 m。底板總寬38．8 m，厚2．8 m，一次性澆筑方量最大的部位為15．6 m×20．0 m×2．8 m=874 m3的中間塊。邊墻底部廊道臨土側(cè)壁厚1．5 m，頂板厚1．3 m。上、下閘首皆為整體式閘室、鋼筋混凝土筏式平底板，兩邊墩為空箱式結(jié)構(gòu)。上閘首順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度30．0 m，底板厚2．8 m，底寬42． 6 m，一 次 性 澆 筑 方 量 最 大 部 位 為15． 6 m ×30．0 m×2．8 m=1 310 m3的中間塊；下閘首順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度30．2 m，底板厚3．5 m，底寬42．6 m，一次性澆筑方量最大的部位為15．6 m×30．2 m×3．5 m=1 649 m3的中間塊。

節(jié)制閘為開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，共16 孔，單孔凈寬10．0 m，總過(guò)流寬度160．0 m。閘室底板采用縫墩式結(jié)構(gòu)，兩孔為一聯(lián)，共8 聯(lián)16 孔。閘室長(zhǎng)23．0 m，底檻高程16．5 m。閘室底板厚度為1．8 m。本工程船閘和節(jié)制閘屬于大體積混凝土施工，溫度及裂縫控制是施工一大難點(diǎn)。

蒙城樞紐的船閘與節(jié)制閘的底板、閘墩、閘墻混凝土設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1。

表1 底板、閘墩、閘墻混凝土設(shè)計(jì)要求

3 原材料

項(xiàng)目使用的原材料包括淮北南坪中聯(lián)P． O42．5 水泥、淮南常發(fā)Ⅱ級(jí)粉煤灰、鄱陽(yáng)湖河砂、蒙城萬(wàn)佛新型建材有限公司的WF －J6 減水劑、河北省混凝土外加劑廠的DH9 引氣劑、蘭溪市科建建設(shè)工程材料有限公司的聚丙烯纖維。粗骨料分兩批，第一批為5 mm ～20 mm 小石和20 mm ～40 mm 中石；第二批為5 mm ～16 mm 小石和16 mm ～32 mm 中石，兩批骨料見(jiàn)圖1，圖2。

圖1 第一批粗骨料

圖2 第二批粗骨料

骨料基本性能參數(shù)如表2 所示。表2 中松散穩(wěn)定坡度的測(cè)試及計(jì)算方法如下：將裝滿粗骨料的15 L 容量筒抬起并傾斜，在20 s ～30 s 內(nèi)將骨料連續(xù)傾倒在水平地面上，傾倒時(shí)，筒口下緣與骨料堆最高點(diǎn)距離保持5 cm ～10 cm，倒出后，測(cè)量料堆椎體的底面直徑D和高度H（見(jiàn)圖3） ，則松散穩(wěn)定坡度=2H/D。粗骨料的松散穩(wěn)定坡度與針片狀含量、松散堆積孔隙率也存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，松散穩(wěn)定坡度較小的粗骨料，其針片狀含量和松散堆積空隙率通常也較小。因此，粗骨料的松散穩(wěn)定坡度可以間接衡量粗骨料的粒形，粒形較好的粗骨料，其松散穩(wěn)定坡度通常較小。

表2 骨料基本性能參數(shù)

圖3 骨料松散穩(wěn)定坡度試驗(yàn)

4 混凝土配合比試驗(yàn)

4．1 混凝土配合比調(diào)整

第一批粗骨料混凝土配合比見(jiàn)表3，骨料用量按干料計(jì)算，粗骨料分為2 個(gè)級(jí)配，小石、中石質(zhì)量比為4∶6，減水劑用量按膠材用量的百分比計(jì)算。M1B 組和M1C 組的坍落度分別控制在140 mm ～180 mm 和80 mm ～100 mm 范圍。含氣量影響混凝土的力學(xué)性能，因此根據(jù)要求控制的含氣量值3．5%調(diào)整引氣劑用量，實(shí)際用量為0。

表3 混凝土試驗(yàn)配合比（第一批粗骨料）

第二批粗骨料混凝土配合比見(jiàn)表4，骨料比例、用量及減水劑用量與第一批骨料混凝土的計(jì)算方式相同，M2B 組和M2C 組的坍落度分別控制在140 mm ～180 mm和80 mm ～100 mm 范圍，編號(hào)為“1”的組為原參考配比。表4 中，第二批粗骨料混凝土不加入引氣劑，其含氣量仍能達(dá)到控制要求3% ～4%，因此仍無(wú)需加入引氣劑。

表4 混凝土試驗(yàn)配合比（第二批粗骨料）

對(duì)比表3，表4 可知，在更換粗骨料后，考慮到級(jí)配和骨料粒形的變化，對(duì)砂率和用水量進(jìn)行了調(diào)整，并根據(jù)需要增加了粉煤灰用量，由于坍落度有富余，適當(dāng)降低了用水量，并維持減水劑用量不變。其中以M2B3 組與M2B1組相比為例，由于粉煤灰摻量提高至25%，水泥用量降低了18 kg/m3；再以M2C3 組與M2C1 組相比為例，由于降低了用水量，并提高了粉煤灰摻量至25%，水泥用量降低了29 kg/m3。

4．2 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表3，表4 中混凝土進(jìn)行了拌合物性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)。

4．2．1拌合物性能

混凝土拌合物性能見(jiàn)表5，其中由于M2B1 組含氣量不滿足要求，故后續(xù)力學(xué)性能試驗(yàn)不再繼續(xù)。其余配合比的坍落度均滿足設(shè)計(jì)要求。采用第二批粗骨料時(shí)，盡管骨料最大粒徑變小，但是對(duì)砂率進(jìn)行優(yōu)化后，其骨料整體級(jí)配更加合理，使得用水量和膠材用量可以適當(dāng)降低。

表5 混凝土拌合物性能

4．2．2力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能見(jiàn)表6?？梢?jiàn)，采用兩批骨料的所有配合比的強(qiáng)度均滿足配制強(qiáng)度要求（28 d 達(dá)到31．6 MPa） ，采用第二批粗骨料時(shí)，在調(diào)整了粉煤灰用量、砂率和用水量后，混凝土的強(qiáng)度及其他力學(xué)性能并未下降，甚至略有上升?？梢钥吹?，在保證坍落度和抗壓強(qiáng)度的前提下，混凝土配合比中，粉煤灰摻量可以增加至25%，其中大坍落度配比的用水量保持不變，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 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

4．2．3極限拉伸性能

軸拉強(qiáng)度、抗拉彈模、極限拉伸值見(jiàn)表7。由于第二批粗骨料粒徑較小，砂率調(diào)整得更加合理，使得混凝土軸拉強(qiáng)度略有提高，同時(shí)，軸拉強(qiáng)度隨著水泥用量的降低而略有降低； 由于巖性的變化，和第一批粗骨料相比，抗拉彈模略有提高；極限拉伸值在更換骨料后基本不變，總體也隨水泥用量降低而略有降低。

表7 混凝土軸拉試驗(yàn)結(jié)果

4．2．4熱學(xué)性能

對(duì)第一批骨料配合比及第二批骨料配比中水泥用量最少的兩組M2B3，M2C3 進(jìn)行了線膨脹系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、絕熱溫升等熱學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表8，表9 及圖4。由于骨料巖性不同，線脹系數(shù)略有降低，導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)略有升高，比熱略微降低，兩批骨料混凝土總體相差不大。

圖4 絕熱溫升曲線

表8 混凝土熱學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表9 混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

由絕熱溫升結(jié)果可見(jiàn)，在選用第二批粗骨料，調(diào)整了配合比，降低了水泥用量之后，28 d 絕熱溫升值分別降低了2．3 ℃和4．3 ℃，這對(duì)溫控有利，在采用第一批骨料時(shí)，若根據(jù)實(shí)際情況對(duì)砂率、粉煤灰用量等作適當(dāng)調(diào)整，也可達(dá)到降低絕熱溫升的效果。

4．2．5耐久性能

針對(duì)第一批骨料配合比及第二批骨料配比中水泥用量最少的兩組M2B3，M2C3 進(jìn)行了快速凍融及抗?jié)B試驗(yàn)，抗凍試驗(yàn)進(jìn)行了100 次循環(huán)，滲透最大壓力為0．7 MPa，結(jié)果見(jiàn)表10，表11。

表10 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

表11 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，兩批骨料4 個(gè)配合比混凝土的抗凍性均滿足設(shè)計(jì)要求，隨著水泥用量降低，凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率略有增大，相對(duì)動(dòng)彈模量略有降低，但仍滿足大于60%的要求?？?jié)B試驗(yàn)中，滲水高度隨水泥用量降低有所增大，但均未透水（試件高度150 mm） ，因此，滿足抗?jié)B等級(jí)W6 的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

使用兩批不同宏觀粒形特征的骨料開(kāi)展混凝土配合比驗(yàn)證及優(yōu)化工作，性能試驗(yàn)的結(jié)果表明，兩批粗骨料均能配制出滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土，耐久性完全滿足設(shè)計(jì)要求并且有較大富余。主要結(jié)論如下：

1） 對(duì)兩批粗骨料的松散穩(wěn)定坡度、針片狀含量、松散堆積孔隙率等三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，由檢測(cè)結(jié)果可知，松散穩(wěn)定坡度與粗骨料針片狀含量、松散堆積孔隙率存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，粗骨料的松散穩(wěn)定坡度可以間接衡量粗骨料的粒形，粒形較好的粗骨料，其松散穩(wěn)定坡度通常較小。

2） 分別采用兩批骨料對(duì)原配合比和優(yōu)化后的配合比開(kāi)展了試拌及性能試驗(yàn)。各組混凝土強(qiáng)度和耐久性均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。采用第二批粗骨料時(shí)，對(duì)原配合比進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足拌合物性能的前提下，原配合比有一定的優(yōu)化空間，其中M2B3 組由于提高了粉煤灰摻量至25%，水泥用量降低了18 kg/m3，M2C3 組由于降低了用水量，并提高了粉煤灰摻量至25%，水泥用量降低了29 kg/m3。

3） 采用原配合比及調(diào)整后配合比的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，兩批骨料混凝土均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用第二批骨料時(shí)，降低水泥用量后，混凝土的力學(xué)性能未明顯下降，部分配合比還略有上升，這是由于骨料粒形、級(jí)配不同，且調(diào)整了砂率的結(jié)果。采用相同骨料時(shí)，混凝土力學(xué)性能、極限拉伸值隨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，由于巖性不同，軸拉強(qiáng)度略有提高，彈性模量略微上升，極限拉伸值總體接近。

4） 兩批粗骨料混凝土的熱學(xué)參數(shù)相差不大，采用第二批粗骨料后，線膨脹系數(shù)略有降低，導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)略有升高，比熱略微降低。采用第二批骨料時(shí)，由于配合比的優(yōu)化使得混凝土28 d 絕熱溫升值可降低2．3 ℃～4．3 ℃，這對(duì)溫控有利。

5） 兩批粗骨料混凝土的抗凍性和抗?jié)B性試驗(yàn)表明，均滿足耐久性設(shè)計(jì)要求，采用同一骨料時(shí)，隨著水泥用量降低，凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率略有增大，相對(duì)動(dòng)彈模量略有降低，滲水高度有所增大。