1. 引言
随着建筑的日益增加，其资源的消耗也在逐年增长[1]-[3]。尤其是大体积混凝土所消耗的资源更加巨大，并且由于大体积混凝土建筑的特点，导致出现了很多和温度有关的裂缝问题[4]。其中导热系数是大体积混凝土温控防裂的重要指标。导热系数较高的材料可以迅速将大体积建筑水化产生的热量扩散出去，对大型建筑物的裂缝问题起到至关重要的作用，导热系数较低的材料可以用作建筑物的保温层去使用，尤其是在北方地区，可以起到保暖的作用。
根据国内外学者对混凝土导热系数的研究，其影响因素主要包括：骨料种类、骨料体积分数、级配、温度等因素。其中张立勃[5]等研究了采用石灰岩、砂岩、花岗岩的对导热系数测定试验后，发现以石灰岩混凝土导热系数试验值最小，砂岩的导热系数比石灰岩的略大；朱传庆[6]等测量了135件不同岩石样品的导热系数，测量结果表明典型岩石中，火山岩导热系数最小，碎屑岩与侵入岩导热系数接近，碳酸盐岩的平均导热系数最大。徐拴海[7]等研究了不同岩石对导热系数的影响进行了总结归纳并用实测数据进行验证，发现石料成分不同种类不同，导热系数不同。宋小庆[8]等研究了14种贵州地区的岩石种类样本，进行导热系数测试，结果表明区内岩石的种类不同，导热系数也各不相同；张冉和谌超等通[9] [10]过开展了水工混凝土导热性试验和模拟试验，利用非恒定导热系数测试方法，研究了骨料体积分数对水工混凝土导热性的影响，测试结果表明，水工混凝土导热性随着骨料体积分数的增加而增大。宫经伟等[11]研究了寒区混凝土，将模型计算值与实测值进行对比分析，在0到20的温度区间中，导热系数的数值变化较为缓慢；而在零下10度到零度的温度区间内，导热系数的变化极其明显；随着饱和度的增大，其对混凝土导热系数在0度到10度的变幅影响也越显著。余舜尧等[12]等通过现场试验获得了堆石混凝土在不同季节、不同位置、浇筑前后的温度变化数据，发现了不同条件下混凝土导热性能的差异。
关于常规混凝土导热系数的研究已经成熟，但是对于堆石混凝土导热系数的研究还较为匮乏，而且导热系数作为混凝土大坝温控防裂的重要参数指标，其研究可以作为实际工程的重要参考依据。
2. 堆石混凝土技术简介
2.1. 堆石混凝土材料组成
堆石混凝土一般是由大堆石(粒径 > 300 mm)和高自密实混凝土组成的非均质材料[13]-[15]。突破了连续级配的堆石混凝土，有较小颗粒的砂骨料，也有超大颗粒的堆石材料，小到二十毫米以下的砂石，大到两米的巨石，现场施工中可以利用当地的材料，大体积的石料直接入仓，小体积的石料通过机器生产成粗骨料和砂，既省时又省力。
2.2. 堆石混凝土施工工艺
堆石混凝土按施工工艺主要分为普通型堆石混凝土和抛石型堆石混凝土[16]。如“图1”所示，普通型堆石混凝土是指先将需要的堆石粒径直接入仓，形成堆石体，接着把自密实混凝土浇筑在堆石体上，依靠自身重量，填满堆石产生的空隙，一般运用到重力坝与拱坝坝体、挡土墙等工程；如图2所示，而抛石型混凝土则是和普通型相反，是先浇筑混凝土然后再填入堆石，主要适用于沉井回填、抗滑桩回填、高边墙、挡墙等工程。
Figure 1. Ordinary pouring method
图1. 普通型浇筑方法
Figure 2. Stone throwing pouring method
图2. 抛石型浇筑方法
目前，关于堆石混凝土的相关研究，主要集中于堆石混凝土力学性能和耐久性能等方面[17] [18]，热学相关的研究主要针对环境温度问题，但是国内对于堆石率的研究还未出现，因此研究堆石混凝土对导热系数的影响可以为此方面的研究提供参考。
3. 堆石混凝土导热系数试验
3.1. 原材料
试验水泥采用P·MH42.5中热硅酸盐水泥，由冀东海德堡(泾阳)水泥有限公司生产。粉煤灰采用I级粉煤灰，由陕西正元秦电环保产业有限公司生产。粗骨料为东庄水利枢纽水垫塘二道坝项目部骨料生产系统生产的5~20 mm人工碎石，表观密度2720 kg/m3。细骨料采用细度模数为2.65的人工砂。堆石为东庄水利枢纽水垫塘二道坝粒径为50~100 mm的灰岩。减水剂采用堆石混凝土专用减水剂(HSNG·T)，由北京华石纳固有限公司生产，减水率为27.2%。引气剂是天津鑫永强外加剂公司生产的含气量为5%的YQ·AE引气剂。水采用西安市生活用水[19]。
3.2. 试件制备及配合比
为研究RFC受堆石率影响情况，本试验制作6组试件共30块，其尺寸均为高400 mm × 直径200 mm中间40 mm直径孔洞的圆柱体，放置在温度20℃ ± 2℃，相对湿度不低于95%的标准养护室中养护1、3、7、14、28 d。如表1为SCC配合比，本研究根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016) [20]和《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283-2012) [21]的规范要求，对新拌SCC进行工作性能测试。需要注意的是浇筑RFC时，需要先铺20 mm厚的SCC，为保证SCC能充分包裹堆石，先放堆石再浇筑SCC，分三层浇筑成型，堆石率为50%。
Table 1. SCC mix proportion
表1. SCC配合比
| 强度 |
水泥 |
粉煤灰 |
砂 |
石 |
水 |
减水剂 |
| C25 |
169 |
199 |
1179 |
636 |
126 |
19.47 |
3.3. 设备仪器
本文采用陕西省混凝土结构与耐久性重点实验室内混凝土热物理参数测定仪进行导热系数测试[22]，试验测试所需试样模具：高400 mm × 200 mm直径的圆柱体，如图3所示；导热系数圆柱形实验箱，如图4所示；热物理参数测定仪试验装置，如图5所示。
Figure 3. Thermal conductivity test specimen mold
图3. 导热系数试件模具
Figure 4. Thermal conductivity external box
图4. 导热系数外部箱体
Figure 5. Thermal conductivity testing device
图5. 导热系数试验装置
3.4. 试验原理
试件下方铺上一层不透水且中心有40 mm直径孔洞的密封垫，接着放入试件后在上方继续铺一层相同的密封垫，确保试件中心的水不会渗透外部，在试件的中心和外部箱体内放满水之后，把一个带有搅拌和加热的组件插入试件中，在上方链接一根软轴与搅拌器相连，可以使中心的温度更加均匀，在将试件中心和外部箱体各插入一根测温计，以此来测量内外温度的变化，将试件中心的水温持续加热，与外部箱体内的水形成温度差，接着将试件加热至固定时间后系统会每隔10分钟记录一次内外水温差，由单位时间内试件由中心向四周的传热量和内外温差来计算出导热系数，为了确保准备性，系统会采集10次后计算出平均值来作为此次测试的准确导热系数值。
3.5. 试验过程
试块制作。SCC样品制备前，需将样品原料按照配合比设计用量进行称料，并对模具内部进行脱模剂涂刷。为保证试验测试的堆石率相对准确，应按照体积和密度进行计算。对砂子进行筛分处理，确保砂子细度模数固定。本次试验采用双卧轴混凝土搅拌机对拌合料进行搅拌，搅拌标准参考搅拌机使用规范，搅拌完后进行工作指标测试(坍落扩展度和V漏斗)，测试标准参考《水工混凝土施工规范》[23]。SCC拌合完成后，将拌合物装入试模，试模分三次装入，每次装入前放入准备好的堆石，直到浇筑完毕，将表面多余混凝土刮除，并使用抹刀对表面进行收平[24]。待SCC放置24 h后进行脱模，并对试样进行编号。本次试样采用标准养护1、3、7、14、28 d。
导热试验。本次试验采用混凝土热物理参数测定仪(HR-4A)进行测试。导热系数在仪器大门开的条件下进行测试，将下密封垫放入试样桶内，再放入已制备好的试样，放好上密封垫、试样桶盖，将盖螺钉拧紧，试样中心放满水，装上试样加热、搅拌组件，拧好螺钉，将箱内电源插头插入搅拌组件上端的插座，试样温度测温棒插入搅拌组件上端孔内，箱内温度测温棒插入试样桶内；随后，再将试样桶放入测试仪器箱内，连接箱内上端的软轴端与搅拌器杆，拧紧螺钉，连接好自来水进水和出水阀门[25]，开始测试。
3.6. 数据分析及结果
将所做的不同堆石率的堆石混凝土导热系数据进行整理，见表2；横坐标为龄期d，纵坐标为导热系数KJ/m·h·℃，生成了各龄期与导热系数之间的变化曲线图，如图6所示，设置堆石混凝土初始温度均为25℃，堆石率分别为0% (自密实混凝土)、30%、35%、40%、45%、50%，龄期分别为1 d、3 d、7 d、14 d、28 d。
堆石率直接影响到了混凝土导热系数。通常情况下，当堆石率逐步提高后，混凝土所对应的导热系数将有所上升[26]-[31]。本节选取0、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5这六组不同堆石率的混凝土在25℃的测试温度下的导热系数为研究对象，基于科学严谨的试验，本文得到了堆石率这项参数值在固定温度条件下所产生的导热系数实际影响。
Table 2. Thermal conductivity data of rockfill concrete with different rockfill ratios
表2. 不同堆石率的堆石混凝土导热系数数据表
| 试块编号 |
堆石率 |
1 d |
3 d |
7 d |
14 d |
28 d |
| RFC-0% |
0 |
7.78 |
7.66 |
7.62 |
7.36 |
7.28 |
| RFC-30% |
30 |
8.15 |
8.01 |
7.99 |
7.47 |
7.43 |
| RFC-35% |
35 |
8.22 |
8.04 |
8.01 |
7.60 |
7.53 |
| RFC-40% |
40 |
8.25 |
8.10 |
8.04 |
7.61 |
7.55 |
| RFC-45% |
45 |
8.29 |
8.14 |
8.14 |
7.73 |
7.65 |
| RFC-50% |
50 |
8.32 |
8.19 |
8.18 |
7.87 |
7.78 |
Figure 6. Changes in thermal conductivity under different rock filling rates
图6. 各堆石率下导热系数变化图
综上所述，可以总结出无论堆石率怎样变化，每个阶段的导热系数变化速率是相同的，在7 d至14 d的变化速率最快，其次在1 d至3 d的变化速率仅次于7 d至14 d，接着是14 d至28 d，最后为3 d至7 d阶段。
由图6数据可得，通过固定初始温度为25℃，堆石混凝土导热系数随着堆石率的增大而增加，由图中增长数据可知，导热系数的变化情况基本和堆石率呈线性变化的趋势，且根据具体数据可得堆石率的增减变化对堆石混凝土导热系数的影响较大；而整个导热系数值是随着堆石率的增加而增大，导热系数增大的主要原因为：堆石率增加，由于试件的体积固定不变，自密实混凝土的用量会减少，且由于加入了碎石，替换掉一部分混凝土，碎石的导热系数一般大于砂浆的导热系数，导致堆石混凝土的导热性能得到提升，随着堆石率的增大而增大。
4. 总结
本文通过对堆石混凝土导热系数其中一个影响因素-堆石率来进行试验研究，对比多个堆石率下导热系数的变化规律，可以得到如下结论：
1) 堆石混凝土导热系数随着堆石率的增大而增加。其原因主要是由于加入了碎石，替换掉一部分混凝土，碎石的导热系数一般大于砂浆的导热系数，导致堆石混凝土的导热性能得到提升，随着堆石率的增大而增大。
2) 堆石混凝土导热系数随堆石率的规律整体为线性变化，且随着堆石率的增加，导热系数的变化较为明显。
3) 堆石混凝土导热系数在第7 d至第14 d之间的变化速率最为迅速，第3 d至第7 d之间最为缓慢。