水利工程提高堰壩埋石混凝土性能研究

詹文虎，諶 釗，秦恩磊，葛 川

（1.高郵市水利綜合服務中心，江蘇 高郵 225600；2.高郵市水利局三垛水利站，江蘇 高郵 225600；3.高郵市水利局周山水利站，江蘇 高郵 225600）

混凝土壩體取材方便、施工簡易、性價比高、安全性好，是國內外壩工界普遍使用的建造材質，但受其工作環境復雜、壩體裂縫等因素影響，依然面臨著諸多安全問題[1，2]。埋石混凝土即用塊石替代普通混凝土中的部分混凝土、澆筑后形成塊石與混凝土粘結一體的混凝土結構[3]，在一定程度上能夠控制大體積混凝土施工中由水化熱引起的溫度變化對混凝土的不利影響、減少澆筑混凝土溫升引起的裂縫和混凝土骨料及膠凝材料的用量，具有環境耐久性。目前國內外學者對其進行了相應研究并取得了部分成果。蔣治國[4]根據湖南竹篙灘水電站埋石混凝土重力壩的施工實踐，對中小型埋石混凝土施工及質量控制等進行了研究；李學軍按重力壩規范方法計算分析混凝土新老結合面狀態[5]；李建彬等[6]以某電源電站大壩為例，對埋石混凝土在大壩中的應用進行了詳細探討；彭躍昆[7]對埋石混凝土施工的相關優勢進行了分析；張曉松[8]結合羅家溝山塘工程地質條件，對埋石混凝土壩體結構進行了相關設計分析。本文以堰壩埋石混凝土性能為主要研究對象，通過室內試驗研究了不同最大粒徑下和不同粒徑級配下混凝土抗壓強度，分析了埋石混凝土現場施工工藝，研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

本研究水利工程新建4 座實體堰壩，從上游至下游分別為A3 堰壩、A2 堰壩、A1 堰壩及A4 堰壩。堰壩的建成可使河道有效蓄水，減少季節性水流對河底及邊坡的沖刷導致的水土流失，保護沿岸群眾的生命財產安全。同時，蓄水后的堰壩可以使河道整體常年裸露的河床得到覆蓋，美化河道，讓外觀更加美麗，有助于當地旅游業的發展及生態保護意識的形成。

2 原材料及試驗設計

2.1 原材料

工程采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質量符合現行國家標準《通用硅酸鹽水泥》要求。此外，骨料采用2.4 ～4.75 mm 的間斷級配碎石，其性能質地堅硬、耐久、潔凈密實，性能指標符合現行國家標準《建設用卵石、碎石》中二類碎石要求。本次使用的普通硅酸鹽水泥化學成分，詳見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥化學成分 %

2.2 配合比設計

埋石混凝土中塊石起著受力分擔的骨架作用，埋石混凝土的強度、抗凍等物理力學性能與其粒徑的尺寸有著直接緊密聯系。埋石在混凝土總體積中占比大小，與混凝土的收縮性能成反比。本文通過室內相似試驗選用不同的骨料粒徑和改變骨料的級配，來研究埋石混凝土的性能。本次試驗骨料最大粒徑取10、15、20、25、30、35 mm，同時還設置了不同的級配區間，具體設計詳見表2。

表2 埋石混凝土各組分配合比設計

本次混凝土立方體抗壓試驗儀器采用混凝土軸心抗壓試驗機，主要參數包括最大試驗力2 000 kN、壓盤Φ300 mm、加荷速率0.1～25 kN/s。試驗時，每組3 塊試件，養護28 d 后，按照最新標準《混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019），分別進行立方體抗壓強度測試，得到其平均值。

3 埋石混凝土電鏡掃描（SEM）分析

埋石混凝土的SEM 圖如圖1 所示，由此可以清楚地看到各種放大倍數的顆粒形狀和表面紋理，有助于理解和分析埋石混凝土的和易性以及硬化混凝土的強度和耐久性。砂粒相對而言比大理石和花崗巖粒更圓，具有光滑的紋理。與砂相比，大理石呈現粗糙的紋理和棱角?；◢弾r粒的SEM 圖像描繪了尖銳、有棱角和拉長的表面紋理。一般而言，與河流砂粒相比，大理石顆粒更具棱角和拉長，而河流砂粒主要呈圓形。此外，埋石混凝土和普通混凝土的游離鈣、二氧化硅、鋁酸鹽和鐵素體組成、尺寸和分布存在差異。

圖1 埋石混凝土SEM圖

4 試驗結果分析

4.1 不同最大粒徑下混凝土抗壓強度

不同最大粒徑下埋石混凝土抗壓強度的變化情況，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著骨料最大粒徑的增大，試樣抗壓強度總體上呈增長趨勢；但試樣抗壓強度并未呈直線增長趨勢，當最大粒徑為20 mm時抗壓強度最小僅為42.3 MPa，當最大粒徑為35 mm時抗壓強度最大達到53.8 MPa。從這個意義上說，石子的粒徑幾乎與埋石混凝土的強度呈正相關，但注意并不是粒徑越大越好。這主要體現在2 個方面：①粒徑越大，在埋石混凝土養護時顆粒內部缺陷存在的概率越大；②大粒徑石子會導致埋石混凝土在拌合中下沉速度更快，造成混凝土整體內部分布不均勻，進而使硬化后的埋石混凝土強度降低。

圖2 不同最大粒徑下混凝土抗壓強度

4.2 不同粒徑級配下混凝土抗壓強度

級配對埋石混凝土的影響主要體現在2 個方面，即和易性和經濟性。本次試驗設計了6 種粗骨料級配區間為2～10、5～15、8～20、11～25、14～30 和17～35 mm，試樣編號A1～A6。不同級配下埋石混凝土抗壓強度的變化規律，如圖3所示。從圖3可以看出，本次試驗中隨著顆粒級配區間的變大，混凝土抗壓強度明顯增加，當級配在2～10 mm區間時，混凝土強度最小，僅為41.3 MPa；當級配在17～35 mm 區間時，混凝土強度達到最大，為50.3 MPa。

圖3 不同級配下埋石混凝土抗壓強度的變化規律

4.3 埋石混凝土抗凍性能

普通混凝土和埋石混凝土的質量變化情況，如圖4 所示。從圖4 可以看出，在未進行凍融試驗之前，普通混凝土的質量為9.56 kg，埋石混凝土的質量為8.98 kg；凍融150 次后，普通混凝土質量損失2.3%，埋石混凝土僅損失1.7%；凍融300 次后，普通混凝土質量損失降低至9.23 kg，埋石混凝土降低至8.76 kg，質量損失分別為3.5%和2.5%。由此可以看出，埋石混凝土能夠緩解混凝土在凍融情況下的質量損失，這是由于加入石塊能夠減緩水對試件入侵，降低基體內部凍脹力，還具有良好的粘結作用，有利于減少基體表面碎片的脫落。此外，還可以得出凍融對混凝土剝蝕破壞作用的大小取決于混凝土的抗凍性能、飽水程度和凍融循環次數等因素，因此在入冬后的北方，更要對這些因素加以重視。

圖4 普通混凝土和埋石混凝土的質量變化

5 結論

本文以堰壩埋石混凝土性能為主要研究對象，通過室內試驗研究了不同最大粒徑和不同粒徑級配下混凝土抗壓強度以及同一級配下的抗凍性能和SEM 圖。結果表明，隨著骨料最大粒徑的增大，試樣抗壓強度總體上呈增長趨勢，但并未呈直線增長趨勢，當最大粒徑為20 mm 時抗壓強度最小僅為42.3 MPa，當最大粒徑為35 mm 時抗壓強度最大達到53.8 MPa。此外，隨著顆粒級配區間的變大，混凝土抗壓強度明顯增加，當級配在2～10 mm區間時，混凝土強度最小，僅為41.3 MPa；當級配在17～35 mm 區間時，混凝土強度達到最大，為50.3 MPa。此外，凍融300次后，普通混凝土質量損失降低至9.23 kg，埋石混凝土降低至8.76 kg，質量損失分別為3.5%和2.5%。