大理巖人工砂石粉含量對錦屏一級水電站大壩混凝土性能的影響

杜青林, 王樹平，田先忠

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

人工砂石粉是指巖石經機械加工后形成的粒徑小于0.16mm顆粒，石粉含量一般是指石粉占人工砂質量的百分數。人工砂中石粉與天然砂中的泥成分不同、粒徑分布不同,在混凝土中所起的作用亦不同。石粉在混凝土中的作用，一般認為包括以下三個方面：(1)發揮微集料作用。石粉能補充混凝土中缺少的微細顆粒，充填水泥顆粒之間的空隙和優化包括水泥和活性混合料在內的細粉料級配。(2)發揮顆粒的形貌效應。石粉一般表面粗糙，形貌多為棱體，摻入混凝土中的石粉能使得集料與漿體之間的機械咬合力增強，而且還有利于漿—骨料界面的改善。(3)發揮部分活性效應。石粉中的部分CaCO3在水泥的水化過程中會參與反應。

錦屏一級水電站采用當地的大理巖人工砂作為大壩混凝土的細骨料，由于當地的大理巖存在著強度偏低、強度的變異性較大的不足，因此在生產人工砂時，存在著加工性能差、破碎易成粉的特點，采用不同種類的破碎機破碎后的大理巖人工砂的石粉含量均在40%左右。大理巖屬于碳酸鈣質骨料。大量研究表明，石灰石粉尤其是微細顆粒的石灰石粉具有一定的早期活性，可以作為摻和料用于混凝土。大理巖石粉棄料中0.08mm以下的微細石粉顆粒含量也較高，將大理巖石粉大量棄掉勢必造成資源浪費和環境污染。因此，結合錦屏一級水電站的實際，開展高石粉含量大理巖人工砂大壩混凝土性能的試驗研究，探討人工砂中的石粉含量對大壩混凝土的性能的影響，以確定大壩混凝土大理巖人工砂的最佳石粉含量是十分必要的。

2 大理巖人工砂石粉含量對混凝土性能影響的研究

選用石粉含量分別為15.2%、18.0%、20.6%、22.7%和25.6%的五種大理巖人工砂，結合錦屏一級水電站的實際，開展大理巖人工砂石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究。試驗采用中熱水泥和Ⅰ級粉煤灰，石英砂巖粗骨料，復摻緩凝高效減水劑和引氣劑。

2.1 對混凝土拌和物性能的影響

選擇水膠比0.47的大壩混凝土，粉煤灰摻量固定在35%，開展不同石粉含量的大理巖人工砂對大壩混凝土拌和物性能影響的試驗研究。混凝土拌和物坍落度控制在50～70mm，含氣量控制4%～6%，試驗項目為混凝土坍落度損失、含氣量損失以及泌水率等。大理巖人工砂石粉含量對混凝土拌和物性能影響試驗成果見表1。由試驗結果可以看出：

(1)在保持混凝土拌和物和易性基本一致的條件下，隨著大理巖人工砂石粉含量的增加，混凝土單位用水量相應呈增加趨勢。在引氣劑摻量不變的情況下，混凝土含氣量隨著石粉含量的增加而減小，但變化幅度不大。

(2)混凝土的泌水率隨著大理巖人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂的石粉含量對混凝土拌合物的泌水性能比較敏感。

2.2 對混凝土強度性能的影響

大理巖人工砂石粉含量對混凝土強度性能影響的試驗成果見表2。從試驗結果可以看出，當石粉含量在15.2%～25.6%范圍內時，混凝土各齡期抗壓強度和劈拉強度基本一致,各齡期強度的發展系數基本一致。總體上看，大理巖人工砂石粉含量變化對混凝土強度影響不明顯。

表1 石粉含量對混凝土拌和物性能的影響

表2 石粉含量對混凝土強度性能的影響

2.3 對混凝土變形性能的影響

極限拉伸和彈性模量是水工大體積混凝土的重要特性。大理巖人工砂石粉含量對混凝土極限拉伸值和彈性模量影響試驗成果見表3。從試驗結果可以看出：大理巖人工砂石粉含量從15.2%變化到25.6%時，混凝土極限拉伸和彈性模量值差異不大；當石粉含量在20.6%時，混凝土90d和180d齡期的極限拉伸值最高，混凝土90d和180d齡期的彈性模量最大。

表3 石粉含量對混凝土變形性能的影響

2.4 對混凝土耐久性能的影響

混凝土抗滲和抗凍性能是耐久性的重要指標，大理巖人工砂石粉含量對混凝土耐久性能影響的試驗成果見表4。從試驗結果可見：所有混凝土的抗凍等級均大于F300,抗滲等級大于或等于W16。可見在石粉含量為15.2%～25.6%時，大理巖人工砂石粉含量對混凝土耐久性能影響不大。

2.5 對混凝土體積穩定性的影響

混凝土在恒溫絕濕條件下，由于膠凝材料的水化作用而引起的體積變形稱為自生體積變形。大理巖人工砂石粉含量對混凝土自生體積變形的影響試驗成果見圖1。從試驗成果可以看出，不同石粉含量混凝土的自生體積變形規律一致，石粉含量對混凝土的自生體積變形影響較小。

表4 石粉含量對混凝土耐久性能的影響

干縮是指混凝土在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發生的不可逆收縮。它不同于干濕交替引起的可逆收縮。大理巖人工砂石粉含量對混凝土干縮的影響試驗成果見圖2。從試驗成果可以看出：隨著大理巖人工砂石粉含量的增加，混凝土的干縮值相應增加。這是由于隨著大理巖人工砂石粉含量的提高，混凝土的用水量增加，而對混凝土干縮影響最重要的因素是單位體積用水量，隨著用水量的增加，混凝土在干燥過程中所失去的水也越多，因而干縮也越大。

圖1 石粉含量對混凝土自生體積變形的影響

圖2 石粉含量對混凝土干縮性能的影響

2.6 對混凝土熱物理性能的影響

混凝土熱物理性能包括混凝土的絕熱溫升、比熱、導溫系數、導熱系數以及線膨脹系數等。混凝土熱物理性能對大體積混凝土十分重要，是壩體溫度應力和裂縫控制計算的重要參數。大理巖人工砂石粉含量對混凝土熱物理性能影響的試驗成果見表5。從試驗成果可以看出：大理巖人工砂石粉含量變化對混凝土熱物理性能影響不大。

2.7 混凝土抗裂性能的影響

水工大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大等問題，因此，混凝土的溫控防裂是水工大壩混凝土施工的一個關鍵技術。選擇合適的工程材料，通過對混凝土施工配合比的合理設計與優化，采取一定的技術途徑，可以有效地防止水工大體積混凝土的塑性裂縫及溫度裂縫的產生，提高混凝土的抗裂性能。

影響水工大體積混凝土抗裂性能的因素很多，歸納起來可分為兩類：一類是對混凝土抗裂性能有利因素，如混凝土極限拉伸、抗拉強度、徐變、膨脹型自生體積變形等；另一類為對混凝土抗裂性能不利的因素，如混凝土干縮、溫度變形、收縮型自生體積變形等。綜合以上影響因素，采用文獻[4]提出的抗裂指數評價大理巖石粉含量對混凝土抗裂性能的影響。不同石粉含量大理巖人工砂混凝土180d齡期的抗裂指數見圖3。從圖3可以看出，隨著人工砂中石粉含量的增加，混凝土的抗裂指數呈下降趨勢。當石粉含量在15.2%～20.6%時，混凝土抗裂指數呈平緩下降；當大理巖人工砂石粉含量大于20.6%時，混凝土抗裂指數呈直線下降趨勢。因此推薦大壩混凝土人工砂石粉含量的控制以不大于20%為宜。

3 結 論

通過對不同大理巖人工砂石粉含量對混凝土性能的影響試驗研究可以得出以下3點結論：

(1)大理巖人工砂的石粉含量對混凝土拌合物坍落度的保留率影響不大，對混凝土含氣量影響較小；對混凝土拌和物的泌水性能比較敏感，其隨著石粉含量的增加而降低。

表5 石粉含量對混凝土熱物理性能的影響

圖3 不同石粉含量人工砂混凝土的抗裂指數

(2)大理巖人工砂石粉含量的變化對混凝土力學性能、耐久性能以及熱學性能的影響不明顯，但石粉含量變化對混凝土干縮有著一定的影響，混凝土干縮值隨著石粉含量的增加而增大。

(3)在調整砂率和用水量的情況下，采用石粉含量為15.2%～25.6%的大理巖人工砂，可以配制出抗凍等級大于F300、抗滲等級大于W15、其力學性能和溫控參數滿足設計要求的錦屏一級水電站大壩混凝土。綜合考慮大壩混凝土的抗裂性能以及有利于資源利用的目的，建議錦屏一級大壩混凝土大理巖人工砂的石粉含量應控制在不大于20%為宜。

參考文獻：

[1] 王衛東，王雨利.石粉對機制砂混凝土性能影響的研究現狀[J].商品混凝土，2010(5).

[2] 田承宇.石粉作為摻和料對碾壓混凝土性能的影響[C]//王仁坤.水工大壩混凝土材料和溫度控制研究與進展.北京：中國水利水電出版社，2009.

[3] 李光偉.肖延亮.高石粉含量人工砂在錦屏一級水電站中的應用[J].商品混凝土，2009(9).

[4] 黃國興.論水工混凝土的抗裂性[C]//王仁坤.水工大壩混凝土材料和溫度控制研究與進展.北京：中國水利水電出版社，2009.

[5] 趙長軍，董斌，于敬海.石粉對機制砂混凝土性能影響試驗研究[J].低溫建筑技術，2009(4).

[6] 蔡基偉，李北星.周明凱，等.石粉對中低強度機制砂混凝土性能的影響[J].武漢理工大學學報，2006(4).

[7] 洪錦祥.人工砂中石粉對混凝土性能的影響及其作用機理研究[J].公路交通科技，2005(11).