水工混凝土用不同岩性人工骨料特征参数研究.pdf

第 3 9卷第 1 0期 2 0 1 3 年1 0 月 水 力 发 电 水 工 混 凝 土 用 不 同 岩 性 人 工 骨 料 犄 征 参 数 研 究 石 妍 ，董 芸 ，张 亮 ，李 响 ( 长江科 学院水利部水工程安全 与病害 防治工程技术研 究 中心 湖北武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ：对花 岗岩 、玄武岩 、灰 岩 、砂岩和大理岩等 5种水工混凝土人工 骨料 的物理力 学性 质 、化学属性 、长期吸 水特性 、热学参数等进行分 析 ，对 比研究骨料 的特征参数 ，为掌握骨料 特性 ，分析其在混凝土中的行为以及水工混 凝土配合 比的科学设计 、骨料料场的合 理选择等 提供技术支持 ，以实现水工混凝 土的体积稳定性 。 关键词 ：水工混凝土 ；人工骨料 ；物理力学性质 ；化学属性 ；吸水特性 ；热学参数 S t u d y o n Ch a r a c t e r i s t i c Pa r a m e t e r s o f Ar t i fi c i a l Ag g r e g a t e Us e d f o r Hy d r a u l i c Co n c r e t e S HI Ya n ，D ONG Yu n ， Z HANG L i a n g ， L I Xi a n g ( Re s e a r c hC e n t e r o f W a t e r E n g i n e e r i n gS a f e t y a n dD i s a s t e r P r e v e n t i o n o f Mi n i s t r y o f Wa t e r Re s o u r c e s ， C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 , H u b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e p h y s i c al a n d me c h a n i c al p r o p e r t i e s ，c h e mi c a l p r o p e r t i e s ，l o n g - t e r m wa t e r a b s o r b i n g c h a r a c t e r s a n d t h e r ma l p a r a me t e r s o f g r a n i t e ， b a s a l t , l i me s t o n e ， s a n d s t o n e a n d ma r b l e a r e a n a l y z e d h e r e i n b y e x p e r i me n t s T h e s e fi v e k i n d s o f r o c k s are u s u a l l y u s e d a s a rti fi c i a l a g g r e g a t e o f h y d r a u l i c c o n c r e t e Th e c o mp a r i s o n s o f c h a r a c t e ris t i c p a r a me t e r s o f t h e s e a rt i fi c i a l a g g r e g a t e s p r o v i d e s a t e c h n i c a l s u p p o r t t o u n d e r s t a n d t h e c h a r a c t e ris t i c s a n d b e h a v i o r o f a g g r e g a t e s i n c o n c r e t e , d e s i g n t h e mi x p r o p o r t i o n o f h y d r a u l i c c o n c r e t e s c i e n t i fi c all y a n d s e l e c t t h e s o u r c e s o f a g g r e g a t e ma t e ri a l r a t i o n a l l y , a n d t o a c h i e v e t h e v o l u me s t a b i l i t y o f h y d r a u l i c c o n c r e t e Ke y W o r d s ： h y d r a u l i c c o n c r e t e ； a rt i fi c i al a g g r e g a t e ； p h y s i c al a n d me c h a n i c a l p r o p e rti e s ； c h e mi c al p r o p e rt i e s ； w a t e r a b s o r b i n g c h a r a c t e r ；, t h e r mal p ara me t e r 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 8 9 - 0 4 我 国 是 世 界 上 筑 坝 数 量 最 多 的 国 家 ， 相 对 于 其 他 工 程 来 说 水 工 混 凝 土 骨 料 粒 径 大 最 大 达 1 5 0 mm ( 普 通 混凝 土 骨料 为 4 0 mm) ；用 量 比例 高 ， 占 混 凝 土 材 料 质 量 的 9 0 左 右( 普 通 混 凝 土 为 7 5 8 0 ) - 2 。 因 此 ，不 同 的 骨 料 特 性 对 水 工 混 凝 土 性 能 的影 响尤 为显 著 ，甚 至会 起 着 决定 性 的作 用 。正如 P K Me h t a所 言 ： “ 将 骨 料 作 为 一 种 惰 性 填 充 料 这 种 传统 的见 解 确 实应 该 画 上 一个 句 号 。如 果不 像 对 待 水 泥 那 样 来 重 视 骨 料 显 然 是 不 恰 当 的 。 ” _3 J 受 附 近料 源 限制 ，大 型工 程 水 工混 凝 土一 般 采 用 人工 骨 料 ，且 品种 多 样 如 三峡 、大 岗 山 等水 电 工 程采 用 花 岗岩 骨 料 ，溪 洛渡 、金 安 桥 等水 电工 程 采用 玄 武 岩 骨料 ，沙 沱 、观音 岩 、构 皮滩 等 水 电工 程采 用 最 常 见 的灰 岩 骨 料 而 锦 屏 水 电站 采 用 砂 岩 粗 骨 料 和 大 理 岩 细 骨 料 组 合 。 本 文 选 用 花 岗 岩 、 玄 武岩 、灰岩 、砂 岩 和大 理 岩 等 5种 人 工 骨料 ，从 物 理力 学性 质 、化 学性 质 、长 期 吸水 性 及 热学 参 数 等 角 度 ，对 比 研 究 骨 料 的特 征 参 数 ，为 掌 握 骨 料 特 性 、 分 析 其在 混 凝 土 中的行 为 以及 水 工 混 凝 土配 合 比的 科 学设 计 、骨料 料 场 的合 理选 择等 提供 技术 支持 。 1 试验原材料及方法 试 验 用 5种 人 工 骨 料 分 别 为 大 岗 山 花 岗 岩 、溪 洛 渡 玄武 岩 、沙沱 灰 岩 、锦屏 砂 岩 和 大理 岩 ，均取 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 6 0 6 基 金项 目 ：国家 自然科 学基金 项 目( 5 1 1 3 9 0 0 1 ， 5 1 1 0 9 0 1 5 ) ； 国家 科技支撑计划 ( 2 0 1 1 B A E 2 7 B 0 0 ) 作者简 介 ：石妍 ( 1 9 7 9 一 ) ，女 ，河南新 乡人 ，高级 工程师 ，博 士 主要从事水工建 筑材料研究 白水 电工程 现 场 。采用 鄂 式 破碎 机 ，将 岩 石 加 工为 水 工 混 凝 土 所 需 的 颗 粒 粒 径 。 按 照 S L 3 5 2 - 2 0 0 6 水 工 混 凝 土 试 验 规 程 的 规 定 选 取 尺 寸 为 0 5 mm 的 细 骨 料 颗 粒 以 及 5 2 0 mm 的 粗 骨 料 颗 粒 ， 进 行 骨 料 的 物 理 力 学 性 能 指 标 检 测 。 采 用 粒 径 2 0 4 0 mm 的 粗 骨 料 颗 粒 ，测 试 不 同泡 水 时间 的饱 和 面干 吸水 率 ，根据 测 试 结果 绘 制 吸 水 速 率 过 程 线 。 按 照 GB T 1 7 6 2 0 0 8 水 泥 化 学分 析 方法 的 规 定 采 用 化 学 滴 定 法 对 粒 径 0 0 1 6 mm 的 石 粉 进 行 化 学 成 份 分 析 。筛 取 粒 径 小 于 0 3 1 5 mm 的细 颗 粒 冲 洗 烘 干 后 置 于 装 有 1 0 0 mo l L氢 氧 化 钠 溶 液 的 反应 器 中 密 闭反 应 器并 放 入 8 0的恒 温 水 浴 中 ，2 4 h后 取 出 ，冷 却 后 将 溶 液 与 细 颗 粒 样 品 分 离 ， 细颗 粒烘 干进 行 S E M 观 测 ，以观 察骨 料 的表 面化 学 稳 定 性 。 将 岩 石 加 工 为 4 , 8 mmX 5 0 mm 和 6 0 mmX 1 0 0 mmx 1 0 mm 的 样 本 分 别 采 用 热 膨 胀 系 数 测 量 仪 和导 热 系数 测 量仪 ，测定 不 同岩石 的热 膨胀 系 数 和 导 热 系 数 。 2 试验结果及分析 2 1 不 同骨 料的物 理 力学性 质 原 岩 的 成 因 决 定 了 混 凝 土 骨 料 的 组 成 及 反 应 活 性 。 用 于 混 凝 土 生 产 的 骨 料 应 具 有 较 高 的 固 有 强 度 、韧性 和 稳定 性 ，以便 能抵 御 各 种静 态 和 动态 应 力 、冲 击及 磨蚀 作 用 ，而 不 会导 致 混凝 土性 能 的下 降_5 _ 。 冈此 ，在 骨 料 选 择 及 混 凝 土 结 构 设 计 时 应 考 虑 骨料 的力 学性 质 及 其 对 混凝 土 性 能 的 影 响 。5种 不 同 岩 性 骨 料 的 检 测 结 果 见 表 1 。 表 1 骨料品质检测结果 对 于 水 工 混 凝 土 用 骨 料 ，表 观 密 度 、 坚 固 性 及 压 碎指 标 均 为重 要 的物 理力 学 参 数 。骨 料 的表 观 密 度 取决 于 组成 骨 料 矿物 的密度 及 其 孔 隙率 。试 验 用 5种 细 骨 料表 观 密 度 在 2 6 4 0 2 9 2 0 k g m 之 间 粗 骨 料 在 2 6 6 0 2 9 3 0 k g m 之 间 。 花 岗 岩 最 小 玄 武 岩最大 ，即同体 积 的玄武 岩骨料 混凝 土最 重 。 在 气 候 、环 境 变化 或 其他 物理 因素作 用 下抵 抗 破 碎 的 能 力 即 骨 料 的 坚 固性 ，通 过 硫 酸 钠 溶 液 法 5 次循 环后 的质量 损 失 率来 表示 。对 于 有抗 冻 、抗 疲 霍 圃Wa t e r P o e r V o z 3 9 N o 1 0 劳 、抗 冲磨要 求或 处 于水 中含有 腐 蚀 介质 并 经 常 处 于水 位变 化 区的混 凝 土 ，环 境 条件 和 使用 条 件 较 恶 劣 坚 固 性 要 求 较 严 ， 细 骨 料 和 粗 骨 料 质 量 损 失 率 应 分 别 不 大 于 8 和 5 。 本 试 验 细 骨 料 坚 固 性 在 1 9 5 - 3 之 间 ， 粗 骨 料 在 0 6 1 6 之 间 ， 均 满 足 设 计 要 求 。 压 碎 指 标 通 过 被 压 碎 颗 粒 的 质 量 百 分 比 表 示 ， 指标 值 越 低 ，说 明石料 抵 抗 压碎 的能 力越 强 ，而 压 碎指 标过 大 的粗 骨料 可能 在高 强混 凝土 中被 压碎 。5 种 粗 骨 料 抗 压 碎 能 力 由大 到 小 为 ： 玄 武 岩 灰 岩 砂 岩 花 岗岩 大 理 岩 。 根 据 骨 料 的 不 同 成 因 类 别 ，DL T 51 4 4 2 0 0 1 水 工混 凝 土施 工 规 范 对 压 碎指 标 的 要 求 也 不 同 根 据 测 试 结 果 ，5种 粗 骨 料 均 可 用 于配制 C 5 C 9 o 4 0强度等 级 的混凝 土 。 2 2 不 同骨料 的化 学性质 骨 料 的 化 学 性 质 主 要 是 指 骨 料 的 化 学 反 应 活 性 以及 其 对混 凝 土 耐久 性 能 的影 响 。骨 料 中如果 存 在 有 害 物 质 ，会 妨 碍 水 泥 的 水 化 过 程 ，影 响 骨 料 与 水 泥 浆 体 的 粘 结 。 如 果 骨 料 本 身 含 有 一 些 活 性 物 质 ， 并 与水 泥 中的碱 产 生碱 骨 料 膨胀 反 应 ，将 导致混 凝 土结 构 的破 坏 。资料 表 明 ，花 岗岩类 岩石 一般 不 含 高 活 性 的 非 晶 质 蛋 白石 、纤 维 状 玉 髓 和 稳 晶 质 石 英 ， 仅 部分 花 岗岩含 有 低 活性 微 晶石 英 。玄 武岩 中石 英 含 量 较 少 且 颗 粒 细 小 ，基 本 是 隐 晶 质 微 晶 石 英 ，部 分 玄武 岩 杏 仁 中还 含 有高 活 性 玉髓 。而石 英 砂 岩 的 石 英 一 般 颗 粒 较 细 小 。 不 含 高 活 性 的非 晶 质 蛋 白石 ， 含 有 隐 晶 质 微 晶 石 英 和 微 晶 石 英 ，部 分 石 英 砂 岩 还 含 有 高 活 性 硅 质 岩 屑 和 流 纹 岩 屑 。 不 同 岩 性 骨 料 的 化 学 成 分 分 析 结 果 见 表 2，碱 溶 液 浸 泡 后 的 不 同 骨 料 外 观 见 图 1 表 2骨料化学成分 分析结果 试 验 结 果 表 明 ， 花 岗 岩 、 玄 武 岩 以 及 砂 岩 属 硅 质 骨 料 ， 主 要 成 分 为 S i O ， 而 灰 岩 、大 理 岩 属 钙 质 骨料 ，主要成分 为 C a O。经过 氢氧 化钠 溶液 浸 泡后 ， 灰 岩 、大 理 岩 骨 料 结 晶 结 构 清 晰 ，界 面 明 显 ， 表 面 残 留碱 溶 液 颗粒 。但 骨料 本 身无 反 应 迹象 ，表 面 化 学 稳 定 性 良好 ：花 岗 岩 表 面 较 圆润 ， 结 构 不 够 均 匀 ， 块 状 构 造 已 不 明 显 ： 玄 武 岩 骨 料 表 面 圆 润 。且 疑 有 反 应 产物 ：砂 岩骨 料 结 构疏 松 ，空 隙 明显 ，表 面 未 见 碱 溶液 颗 粒 。因此 ，灰岩 与 大 理岩 的表 面化 学 稳 抗 压碎 能 力 由大 到 小 为 ：玄 武 岩 灰 岩 砂 岩 花 岗 岩 大 理岩 ，可满 足 C 9 0 5 5 C 9 a 4 0混 凝土 的配 制要求 。 ( 2)花 岗岩 、玄武 岩及 砂岩 为硅 质骨料 ，灰岩 、 大理 岩 为钙 质 骨料 。灰 岩与 大 理 岩 的表 面化 学 稳定 性 良好 ：而 花 岗岩 、玄 武岩 和 石 英砂 岩 用 作混 凝 土 骨料 时 应采 取 相应 措 施 ，以 防止 发生 危 害 性 的碱 骨 料 反 应 ( 3 )骨 料 的吸 水过 程 是长 期 的 ，2 4 h之前 速 率 很 快 。后 期增 长 缓慢 ；花 岗岩 、玄 武岩 、灰 岩 、砂 岩 及 大 理 岩 的 2 4 h吸 水 率 分 别 为1年 的 8 1 、 5 3 、7 6 、6 4 及 8 4 ，砂 岩 骨料 的吸水 率 最 高 ， 但 玄 武岩 骨料 的后 期 增长 显 著 ，有 可 能影 响 混凝 土 长 期 收 缩 。 ( 4) 石 英 砂 岩 热 膨 胀 系 数 及 导 热 系 数 最 高 ； 而 灰岩 的热稳 定 性最 佳 有利 于 大 体 积混 凝 土 的体 积 ( 上 接 第 7 8 页 ) g ( P) =1 一( 1 _ 1 9 ) ( 1 _ p ) ( 1 _ p ， ) ( 1 ) ( 1 ) ( 7) ( 1 _ p 。 ) ( 1 5 P 6 ) ( 1 _ P ) 从公 式 ( 6) 可 以得 到该故 障树 的 8个 割集 合 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 8 )( 9 )( x s x 6 )( x s x 7 ) 该 最小 割集 合 反 映 了受锚 边 坡 工 程量 清 单 和 计 价 中各组 成 事 件 的发 生 概率 ，即重 要 程 度 ，其 中钢 筋 、混凝 土 、砂 浆 、土 体 、环 境 条 件 和设 计技 术 是 该 类 工程成 本控 制与 管理 的主 体 。 故 障树 法 与遗 传 算 法计 算 结果 较 吻 合 ，这 是对 传 统设 计 图纸 法 的一种 优 化 与改 进 ，该 联 合 评 价技 术 能 够 对 工 程 造 价 与 管 理 提 供 指 导 。 5 结论 ( 1 )通 过 分 析受 锚 边 坡工 程 量 清单 和 计 价 的 组 成 提 出 了设 计 物 、工程 环 境 和设 计 者 3部 分 组 成 的受锚 边坡 工程量 清单 和计 价模 式 。 ( 2)建立 了遗传 算 法 全 局搜 索 受 锚边 坡 工 程 量 清单 的计 算 流 程 ，其 中设 计者 水 平 的适 应 度 函数 值 最 大 ，在工 程 设 计 中 ，设 计者 的业务 能力 是非 常 关 稳定 性 。 参考文献 ： 1 B A Z A N T Z P ， WI T Y MA NN F H C r e e p a n d S h ri n k a g e i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s M Ne w Y o r k ： J o h n Wi l e y&S o n s ， 1 9 8 2 2 刘秉京 混凝土技术 M 北京：人民交通出版社 ，2 0 0 4 3 ME H T A P K 混凝土 的结构 、性能与材 料 M 祝永年 ，译 上 海 ：同济大学 出版社，1 9 9 1 4 杨华全 ，李鹏 翔 ，李珍 混凝 土碱 骨料反应 M 北京 ：中国水 利水电出版社 2 0 1 0 5 汪澜 水泥混凝 土组成 、性能 、应用 M 北 京 ：中国建材 工业 出版社 2 0 0 5 6 S H I Ya n ， L I J i a z h e n g R e s e a r c h o n e f f e c t o f a g g r e g a t e v a r i e t y o n c o n c r e t e v o l u m e d e f o r ma t i o n A d v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e a r c h J 2 01 1 1 4 8 1 4 9 ： 4 6 2 46 6 ( 责 任 编 辑 杨 健 ) 键 的 。 ( 3)建 立 以清单 元 素 为基 本 事 件 的故 障 树 计 算 图 、概率 函数 式 和逻 辑 关 系式 ，得 出 了受锚 边 坡 工 程 量 清单 的 8个 割集 合 。 同时 ，故 障树 法 和遗 传 算 法 的计算 结 果 较 吻合 ，该联 合 分 析技 术 可 为 同类 工 程 的造 价 与管理 提供 指导 。 参考文献 ： 1 陈媛媛 浅 谈滑坡 、边坡 病害整治 工程施 工图预 算的编 制 J 青海交通科技 ，2 0 0 6 ( 3 ) ： 1 1 -1 3 2 丁文军 基 坑边坡稳定 的控制方法技 术和预算分 析 J 沿海企 业与科技 。2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 1 3 1 1 5 3 1 黄桂东 铁 路建设项 目中岩土工程造 价管理 问题 的研究 J 基 建优化 ，2 0 0 6 ，2 7 ( 2 ) ： 4 2 4 4 4 支 刚，袁 希平 ，甘淑 模糊故 障树在土地适 宜性评价 质量控制 中的应用研究 J 昆明理工大学学报 ：自然科学 版 ，2 0 1 1 ，3 6 ( 4) ：7 1 0 5 张 丽 ，陈剑平 ，肖云华 ，等 基于遗传 算法的边坡 稳定性分析 J 煤 田地质与勘探，2 0 0 8 ，3 6 ( 5 ) ： 4 2 4 4 6 解可新 最优化方法 M 天津 ：天津大学 出版社 ，2 0 0 4 7 陈宝智 系统安全评价与预测 M 北京：冶金工业 出版社 ，2 0 0 5 ( 责 任编辑杨健 ) (上 接 第 8 5 页 ) o c e a n O f f s h o r e a n d A r c t i c E n g i n e e ri n g H a w a i i ， AS ME2 0 0 9 ： 0MAE2 0 0 9 8 0 2 4 9 1 2 z A MB R A N0 Ma c C R E AD Y K I C E N I U K J r , e t a 1 Dy n a m i c mo d e l i n g o f d e e p w a t e r o f f s h o r e wi n d t u r b i n e s t r u c t u r e s i n Gu l f o f Me x i c o s t o rm c o n d i t i o n s C #P r o c e e d i n g s o f OMA E 2 0 0 6 2 5 t h i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n o c e a n 0f f s h o r e a n d Ar c t i c En g i n e e r i n g Ha wa i i AS ME2 00 6： OMAE 2 O 0 6 9 2 O2 9 囫W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 1 0 1 3 李玉成 ，滕斌 波浪对海上建筑物的作用 M 北京 ：海洋出版 社 2 0 0 2 1 4 L I U Y H， K I M M H， K I M C H T h e c o m p u t a t i o n o f s e c o n d o r d e r me a n a n d d o u b l e f r e q u e n c y wa v e l o a d s o n a c o mp l i a n t TL P b y HO B E M J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f O f f s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 5 ( 2 ) ： 1 1 1 - 1 1 9 ( 责任 编辑王琪 )