大理岩人工砂石粉含量对锦屏一级水电站大坝混凝土性能的影响研究

大理岩人工砂石粉含量对锦屏一级水电站大坝混凝土性能的影响研究杜青林,王树平田先忠(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都，610072)[摘要]受客观条件的限制，锦屏一级水电站大坝混凝土人工骨料不得不采用砂岩粗骨料和大理岩细骨料。由于受母岩特性的影响，大理岩经过破碎后人工砂石粉含量相当高。结合锦屏一级水电站的实际，对不同石粉含量大理岩人工砂混凝土性能进行试验研究结果表明：适量的石粉可以起到改善混凝土性能的作用。在调整砂率和用水量的情况下，采用石粉含量为15%~25%的大理岩人工砂，可以配制出性能指标满足设计要求的大坝混凝土。综合考虑大坝混凝土的抗裂性能以及有利于资源利用的目的，建议锦屏一级大坝混凝土大理岩人工砂的石粉含量应控制在不大于20%为宜。[关键词]水工材料大理岩人工砂石粉混凝土影响1.前言锦屏一级水电站装机3600MW为一等工程，混凝土拱坝高305m为世界第一高拱坝。整个枢纽工程混凝土总量为761万m3，需混凝土骨料约1828万吨，其中大坝混凝土约528万m3，需要骨料约1275万吨。由于当地天然骨料的匮乏，大坝混凝土只有采用人工骨料。工程区域内出露地层主要为三叠系浅变质岩，岩性以变质砂岩和板岩为主，局部夹大理岩。近坝范围内未发现坚硬的火成岩，从坝址附近出露的地层岩性分析，可作为人工骨料料源的仅有大理岩和变质砂岩。在对当地各个人工骨料料场进行大量的勘探，以及对人工骨料及混凝土进行的试验研究基础上，推荐大坝混凝土采用大奔流沟料场的砂岩作为粗骨料、三滩右岸料场的大理岩作为细骨料的组合骨料方案。三滩右岸大理岩料场地层为三叠系中上统杂谷脑组第二段第7、8层大理岩，岩性以灰色中细晶大理岩、浅灰~灰白色细晶大理岩为主，夹白色中晶大理岩条带。灰色中细晶大理岩和浅灰~灰白色细晶大理岩岩块新鲜较坚硬，白色中晶大理岩条带含量约20~30%，岩块强度偏低，锤击易成粉末。由于三滩右岸料场的大理岩存在着强度偏低，强度的变异性较大的不足，因此在采用“全干法生产风选剔除石粉工艺”生产大理岩人工砂时，仍存在着加工性能差，破碎易成粉的特点，采用颚破、圆锥破、反击破、立轴破及棒磨机等不同种类的破碎机破碎后的大理岩原状砂的石粉含量均在40%左右。DL/T5144-2001“水工混凝土施工规范”中规定：“人工砂石粉含量宜控制在6％～18%”。9 为了使人工砂石粉含量满足该执行规范要求，而盲目地将石粉洗掉，不仅增加了污染物的排放量，而且造成很大的资源浪费。在水泥的生产过程中，常加入一定量的石灰石作为水泥混合材。大量研究表明，石灰石粉尤其是微细颗粒的石灰石粉具有一定的早期活性，可以作为掺和料用于混凝土。大理岩与石灰石同属于碳酸钙质骨料，且大理岩石粉弃料中0.08mm以下的微细石粉颗粒含量也较高，将大理岩石粉大量弃掉势必造成资源浪费和环境污染，因此结合锦屏一级水电站的实际，开展高石粉含量大理岩人工砂大坝混凝土性能的试验研究，探讨人工砂中的石粉含量对大坝混凝土的性能的影响，以确定大坝混凝土大理岩人工砂的最佳石粉含量是十分必要的。2.大理岩石粉的基本性能2.1大理岩石粉的化学成分和矿物组成大理岩石粉的化学成分见表1，其CaO含量和烧失量之和占总质量的90%以上。X射线衍射分析结果表明：大理岩为典型的碳酸盐类岩石，主要矿物成分为方解石。表1大理岩石粉的化学成分（/%）CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3K2ONa2O烧失量52.562.081.150.320.560.030.170.0543.082.2大理岩石粉的物理性能及粒度分析大理岩石粉的密度为2.57g/cm3，需水量比为97.7％，大理岩石粉的粒度分析试验结果见表2。采用显微图像分析仪对大理岩石粉颗粒级配分析结果结果表明：大理岩石粉的颗粒大部分分布在0～5μm粒径范围内，占颗粒总数的90％以上。采用激光粒度分析仪对大理岩石粉的颗粒级配和比表面积进行测试试验结果表明：大理岩石粉的比表面积为213.5m2/m3，中径为80.5μm。表2大理岩石粉显微图像粒度分析结果颗粒个数百分比/%平均粒径/μm最大粒径/μm比表面积/m2/m3中径/μm0~5μm5~20μm20~50μm50~70μm70~100μm100~150μm94.704.380.420.330.1703.6102.5213.580.52.3大理岩石粉水泥胶砂强度特性掺大理岩石粉水泥胶砂强度特性的试验研究结果见图1，掺量固定为30％。9 由试验结果可以看出：掺大理岩石粉的水泥胶砂强度低于掺Ⅱ级粉煤灰的水泥胶砂强度，其28d的强度降低10％左右，表明大理岩石粉的强度特性要逊于粉煤灰。与掺硅酸盐类岩石粉相比，掺大理岩石粉水泥胶砂强度略高，28d的强度提高17％，表明大理岩石粉的强度特性要高于硅酸盐类岩石粉的强度特性。（a）水泥胶砂抗折强度（b）水泥胶砂抗压强度图1掺大理岩石粉水泥胶砂强度特性3.大理岩人工砂石粉含量对混凝土性能影响研究试验研究的基本条件：（1）选用石粉含量分别为15.2%、18.0%、20.6%、22.7%和25.6%的大理岩人工砂，结合锦屏一级水电站的实际开展大理岩人工砂石粉含量对混凝土性能影响的试验研究。（由于无法在生产过程中直接提取到试验选定石粉含量的人工砂，因此采取生产15%左右的石粉含量的人工砂，室内通过人工添加石粉配置成试验预定石粉含量，人工翻拌均匀后备用。）（2）试验研究混凝土配合比为锦屏大坝C区混凝土施工配合比，基本参数包括：水胶比为0.47、粉煤灰掺量为35％、四级配、混凝土拌和物坍落度控制在50mm～70mm、含气量控制4％～6％等。试验采用中热水泥和Ⅰ级粉煤灰，石英砂岩粗骨料，复掺缓凝高效减水剂和引气剂等。试验依照DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》中有关规定进行。3.1对混凝土拌和物性能的影响选择水胶比0.47的大坝混凝土，粉煤灰掺量固定在35％，开展不同石粉含量的大理岩人工砂对大坝混凝土拌和物性能影响的试验研究。混凝土拌和物坍落度控制在50mm～70mm9 ，含气量控制4％～6％，试验项目为混凝土坍落度损失、含气量损失以及泌水率等。大理岩人工砂石粉含量对混凝土拌和物性能影响试验成果见表3。由试验结果可以看出：（1）在保持混凝土拌和物的和易性基本一致的条件下，随着大理岩人工砂石粉含量的增加，混凝土单位用水量相应呈增加趋势。在引气剂掺量不变的情况下，混凝土含气量随着石粉的增加而减小，但变化幅度不大。（2）混凝土的泌水率随着大理岩人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂的石粉含量对混凝土拌合物的泌水性能比较敏感。表3石粉含量对混凝土拌和物性能的影响编号石粉含量/%细度模数用水量/kg坍落度/mm含气量/%泌水率/%坍落度保留率/%含气量/%30min60min30min60minJP-115.22.8076656.22.682644.53.2JP-218.02.7178666.02.879664.43.3JP-320.62.5578596.01.781654.23.3JP-422.72.4479735.71.578604.13.1JP-525.62.2779685.61.080663.92.93.2对混凝土强度性能的影响大理岩人工砂石粉含量对混凝土强度性能影响的试验成果见表4。从试验结果可以看出，当石粉含量在15.2％-25.6%范围内时，混凝土各龄期抗压强度和劈拉强度基本一致,各龄期强度的发展系数基本一致。总体上看，大理岩人工砂石粉含量变化对混凝土强度影响不明显。表4石粉含量对混凝土强度性能的影响编号细度模数石粉含量/％抗压强度/MPa劈拉强度/MPa7d28d90d180d7d28d90d180dJP-12.8015.212.419.830.736.81.061.742.472.85JP-22.7118.013.020.630.437.60.981.702.602.86JP-32.5520.613.020.030.336.21.301.742.622.87JP-42.4422.712.619.128.834.91.011.572.572.959 JP-52.2725.612.519.630.135.11.121.742.502.88平均值12.719.830.136.11.091.702.552.883.3对混凝土变形性能的影响极限拉伸和弹性模量是水工大体积混凝土的重要特性。大理岩人工砂石粉含量对混凝土极限拉伸值和弹性模量影响试验结果表5。从试验结果可以看出：大理岩人工砂石粉含量从15.2％变化到25.6%时，混凝土极限拉伸和弹性模量值差异不大；当石粉含量在20.6%时，混凝土90d和180d龄期的极限拉伸值最高，混凝土90d和180d龄期弹性模量最大。表5石粉含量对混凝土变形性能的影响编号细度模数石粉含量/％极限拉伸值/×10-6弹性模量/GPa90d180d90d180dJP-12.8015.211212523.928.2JP-22.7118.011412624.828.8JP-32.5520.611612825.029.7JP-42.4422.711512424.028.9JP-52.2725.611412223.929.43.4对混凝土耐久性能的影响混凝土的耐久性是指：在环境的作用下，随着时间的推移，混凝土维持其应用性能的能力。混凝土抗渗和抗冻性能是耐久性的重要指标。大理岩人工砂石粉含量对混凝土耐久性能影响的试验成果见表6。从试验结果可以看出：所有混凝土的抗冻等级均大于F300,抗渗等级大于等于W16。可见在石粉含量为15.2％～25.6％时，大理岩人工砂石粉含量对混凝土耐久性能影响不大。表6石粉含量对混凝土耐久性能的影响编号细度模数石粉含量/％冻融300次，180d抗渗等级180d相对动弹模量/％质量损失率/％JP-12.8015.281.42.4≥W16JP-22.7118.082.52.1≥W16JP-32.5520.683.22.3≥W16JP-42.4422.780.62.1≥W169 JP-52.2725.681.72.3≥W163.5对混凝土体积稳定性的影响混凝土体积稳定性用自生体变和干缩指标表示。混凝土在恒温绝湿条件下，由于胶凝材料的水化作用而引起的体积变形称为自生体积变形。大理岩人工砂石粉含量对混凝土自生体积变形的影响试验成果见表7及图2，从试验成果可以看出，不同石粉含量混凝土的自生体积变形规律一致，石粉含量对混凝土的自生体积变形影响较小。表7不同石粉含量的人工砂混凝土自生体积变形试验成果编号细度模数石粉含量（％）试验龄期（天）/自身体积变形*10-6137142128456090120150180JP-1612.8015.20111418961-34456JP-1622.7118.0010122085-2-6-3213JP-1632.5520.608111557-4-2-6012JP-1642.4422.709610750-6-2-1-11JP-1652.2725.60651443-2-5-30-11图2石粉含量对混凝土自生体积变形的影响干缩是指混凝土在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。大理岩人工砂石粉含量对混凝土干缩的影响试验成果见图3，从试验成果可以看出：随着大理岩人工砂石粉含量的增加，混凝土的干缩值相应增加。这是由于随着大理岩人工砂石粉含量的提高，混凝土的用水量将增加，而对混凝土干缩影响最重要的因素是单位体积用水量，随着9 用水量的增加，混凝土在干燥过程中所失去的水也越多，因而干缩也越大。图3石粉含量对混凝土干缩性能的影响3.6对混凝土热物理性能的影响水泥混凝土加水拌合时，其中的水泥水化反应时释放出的一定量的热能，导致混凝土温度升温，这就是混凝土的水泥水化温升现象。混凝土热物理性能包括混凝土的绝热温升、比热、导温系数、导热系数以及线膨胀系数等。混凝土热物理性能对大体积混凝土十分重要，是坝体温度应力和裂缝控制计算的重要参数。其中绝热温升试验是混凝土在与外界不出现热交换条件下，混凝土的温升试验结果。由于混凝土是热的不良导体，且由于大坝混凝土浇筑块体积很大，浇筑块内水泥水化的热量不易散失，所以实验室内试验时近似认为大坝混凝土不向外界传热。绝热温升试验结果从某种程度上体现大坝混凝土浇筑后坝体的温升情况。大理岩人工砂石粉含量对混凝土热物理性能影响的试验成果见表7，从试验成果可以看出：大理岩人工砂石粉含量变化对混凝土热物理性能影响不大。表7石粉含量对混凝土热物理性能的影响编号细度模数石粉含量/％导温系数/m2/h导热系数/W/(m·℃)线膨胀系数/10-6/℃比热/kJ/(kg·℃)绝热温升To/℃JP-12.8015.20.00348.688.111.0523.8JP-22.7118.00.00348.598.111.0424.1JP-32.5520.60.00348.538.111.0424.2JP-42.4422.70.00338.538.111.0424.0JP-52.2725.60.00338.518.111.0324.19 3.7对大坝混凝土抗裂性能的影响水电工程大坝混凝土存在水化热高、收缩率大等问题，因此，混凝土的温控防裂是水工大坝混凝土施工的一个关键技术。选择合适的工程材料，通过对混凝土施工配合比的合理设计与优化，采取了一定的技术途径，可以有效地防止水工大体积混凝土的塑性裂缝及温度裂缝的产生，提高混凝土的抗裂性能。影响水工大体积混凝土抗裂性能的因素很多，归纳起来可分为两类：一类是对混凝土抗裂性能有利因素，如混凝土极限拉伸、抗拉强度、徐变、膨胀型自生体积变形等、另一类为对混凝土抗裂性能不利的因素，如混凝土干缩、温度变形，收缩型自生体积变形等。综合以上影响因素，采用文献[4]提出的抗裂指数评价大理岩石粉含量对混凝土抗裂性能的影响。不同石粉含量大理岩人工砂混凝土180d龄期的抗裂指数见图4。从图4可以看出，随着人工砂中石粉含量的增加，混凝土的抗裂指数呈下降趋势。当石粉含量在15.2％～20.6％时，混凝土抗裂指数呈平缓下降，当大理岩人工砂石粉含量大于20.6%时，混凝土抗裂指数呈直线下降趋势，因此推荐大坝混凝土人工砂石粉含量控制为不大于20%为宜。图4不同石粉含量人工砂混凝土的抗裂指数4.评价与结论人工砂石粉是指岩石经机械加工后形成的粒径小于0.16mm颗粒，石粉含量一般是指石粉占人工砂质量的百分数。人工砂中石粉与天然砂中的泥成分不同、粒径分布不同,在混凝土中所起的作用亦不同。大理岩石粉在混凝土中的作用，不仅体现在以下两个方面：（1）发挥微集料作用。能补充混凝土中缺少的微细颗粒，充填水泥颗粒之间的空隙和优化包括水泥和活性混合料在内的细粉料级配。（2）发挥颗粒的形貌效应。掺入混凝土中的石粉能使得集料与浆体之间的机械咬合力增强，而且还有利于浆—集料界面的改善。石粉还能发挥部分活性效应。石粉一般认为为惰性材料，但是石粉中的部分CaCO3在水泥的水化过程中会参与反应。它在与水泥中的C3A9 反应生成碳铝酸盐的同时，还改善了石粉颗粒的表面状态，有利于石粉颗粒与水化产物间粘结强度的提高。适量的石粉在混凝土中可以起到积极的作用，已经得到大量的试验研究和工程实践的证明。结合锦屏一级水电站的实际，采用锦屏大坝C区四级配混凝土施工配合比，选择粉煤灰掺量35％，在保证混凝土0.47水胶比不变的情况下，分别与15.2%、18.0%、20.6%、22.7%和25.6%石粉含量的大理岩人工砂组合，通过对其配合比中的单位用水量及砂率进行相应的调整，进行对混凝土性能的影响试验性能研究，可以得出：在调整砂率和用水量的情况下，采用石粉含量为15.2%~25.6%的大理岩人工砂，可以配制出抗冻等级大于F300，抗渗等级大于W15，其力学性能满足设计要求的锦屏一级水电站大坝混凝土。但综合考虑大坝混凝土的抗裂性能以及有利于资源利用的目的，建议锦屏一级大坝混凝土大理岩人工砂的石粉含量应控制在不大于20%为宜。参考文献〔1〕王卫东，王雨利.石粉对机制砂混凝土性能影响的研究现状〔J〕商品混凝土，2010.（05）.〔2〕李光伟、詹候全.大理岩石粉作为碾压混凝土掺和料的试验研究〔J〕贵州水力发电，2011（04）.〔3〕李光伟，肖延亮.高石粉含量人工砂在锦屏一级水电站中的应用〔J〕商品混凝土，2009（09）.〔4〕黄国兴.论水工混凝土的抗裂性〔J〕水工大坝混凝土材料和温度控制研究与进展，中国水利水电出版社，2009.11.〔5〕赵长军，董斌，于敬海.石粉对机制砂混凝土性能影响试验研究〔J〕低温建筑技术，2009（04）.〔6〕洪锦祥，人工砂中石粉对混凝土性能的影响及其作用机理研究〔J〕公路交通科技，2005.（11）.9