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建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程探析

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建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程探析

摘要:調(diào)研了目前水利工程中所用粗骨料的粒級狀況,結(jié)果表明水利工程中所用粗骨料86.7%不滿足水利行業(yè)相關(guān)規(guī)范對粗骨料粒級的要求,均滿足建筑行業(yè)相關(guān)規(guī)范對粗骨料粒級的要求;同時,從混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能等方面,探討了建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程中的驗證試驗方法。

關(guān)鍵詞:建筑粗骨料;水利工程;力學(xué)性能;耐久性能

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、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)?!薄督ㄔO(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研究

1.試驗研究技術(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)計要求,需對兩種粒級粗骨料的混凝土性能進(jìn)行試驗對比論證。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

針對兩種粒級粗骨料級配現(xiàn)狀統(tǒng)計與試驗分析,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)性能對比試驗研究

采用(5~31.5)mm粒級和(5~40)mm粒級的粗骨料,在實驗室配制不同強度等級的混凝土,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:立方體抗壓強度、抗彎強度、劈裂抗拉強度、軸向抗拉強度、軸心抗壓強度、靜力抗壓彈性模量。其中立方體抗壓強度試件的養(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,在實驗室配制不同強度等級的混凝土,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,其余試驗項目均采用Sl352-2006進(jìn)行試驗。(2)兩種不同粒級骨料實體混凝土的耐久性能對比在實驗室配制不同強度等級的混凝土,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度試件,測定不同齡期工程實體混凝土的強度;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,測定3d、7d、14d、28d、56d的碳化深度,建立實驗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驗室加速碳化的相關(guān)性。

6.實體耐久性評估

通過實體取芯和自然養(yǎng)護(hù)試件室內(nèi)試驗、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)有粒級粗骨料實體混凝土碳化深度的長觀資料,在試驗室進(jìn)行混凝土芯樣加速碳化試驗的基礎(chǔ)上,分析室內(nèi)加速碳化和室外自然碳化的規(guī)律,并研究兩者實測碳化的相關(guān)性;根據(jù)混凝土實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,在試驗室快速凍融試驗的基礎(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相關(guān)性研究成果,在試驗室抗水滲透性試驗的基礎(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??梢娊ㄖ止橇弦褟V泛應(yīng)用于水利工程的建設(shè)中。(2)驗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,最終建立建筑粗骨料應(yīng)用于水利工程中后的實體耐久性能評價體系。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉東.粗骨料品質(zhì)度高強混凝土性能影響研究[D].重慶:重慶大學(xué),2016.

[4]封培然,張超.粗骨料最佳級配的試驗研究[J].2020,(3):8-12.

[5]廖太昌.粗骨料顆粒粒級對混凝土質(zhì)量的影響[J].鐵道建筑技術(shù),2011,(11):43-46.

[6]中華人民共和國國家治理監(jiān)督檢驗檢疫總局.建設(shè)用卵石、碎石.GB/T14685-2011[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

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

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