甘肅引洮供水二期工程中的粗砂性能試驗研究

張明榮

（1.甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 7300002；甘肅信創水利水電工程質量檢測有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

引洮供水工程屬于甘肅省比較重大的水利建設工程，工程質量要求較高。工程周邊建筑市場上合格的河砂資源來源極為緊缺，周邊的河砂普遍屬于粗砂，其他地方優質河砂運輸距離較長，運輸成本較高，建設工期緊，遠距離運輸會影響工程建設的進度。重大水利工程對混凝土有較好抗滲性的要求；工程地區冬季氣溫寒冷對混凝土結構抗凍性要求高；工程部分隧洞內環境水硫酸鹽含量較高，對混凝土結構侵蝕嚴重。根據工程的特點，混凝土的各項性能必須滿足設計要求。

混凝土的配制宜通過合理選用原材料，采用適中水膠比、合適的膠凝材料用量和高性能外加劑為基本手段，以工作性能、可泵性，抗滲性等均衡發展為目標進行混凝土配合比設計，提高混凝土的密實性，減少混凝土水化熱和收縮，防止裂縫的產生及擴展，達到耐久性能滿足設計要求的目的[1]。通過多個項目的試驗，研究粗砂制備混凝土的可行性、合理性。項目以引洮供水工程為依托，試驗研究不僅為引洮供水工程的順利建成提供強有力的技術支撐，也拓展了粗砂在混凝土中的應用領域。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 原材料選取

試驗研究所用原材料主要是河砂、水泥、碎石、粉煤灰和引氣減水劑。

1）細骨料：產地為白銀市會寧縣；細度模數為3.4，粗顆粒較多，物理性能見表1，篩分曲線見圖2。

表1 河砂物理性能

圖1 河砂

圖2 河砂篩分曲線

2）其他原材料

中砂：產地為會寧、細度模數為2.7；水泥：產自祁連山的P·O42.5水泥，28 d抗壓強度為 51.6 MPa；粗骨料：規格為5 mm～20 mm、20 mm～40 mm二級配碎石，壓碎指標為8%；粉煤灰：白銀華電F類Ⅱ級粉煤灰，需水量比98%；引氣減水劑：甘肅潤世達引氣減水劑，減水率為15.4%，推薦摻量1.5%～2.0%。

1.2 試驗方法

試驗以細度模數為3.4的細骨料設計C25、C30強度混凝土。依據SL352-2006《水工混凝土試驗規程》和吸收相關施工技術人員意見和建議基礎上進行適配，觀察和易性，測試坍落度、強度、抗滲性和抗凍性。改變粉煤灰摻量，確定粉煤灰摻量對抗凍性能的影響。最后結合工程實際情況，提出合理抗硫酸鹽方案及措施[2]。

2 試驗結果分析

水利工程對混凝土抗滲、抗凍性能均有要求，再者工程區暗渠周邊土壤和隧洞滲水中硫酸鹽含量普遍偏高，對混凝土的侵蝕性較為嚴重。混凝土配合比設計時兼顧良好的施工性能，試驗研究結合實際情況，確定粗砂制備混凝土的可行性和合理性[3]。

2.1 工作性能

根據《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006）相關工程經驗進行水工混凝土配合比的設計。泵送混凝土坍落度一般在160 mm～200 mm內，初設配合比見表2。

表2 初設配合比

由表2可知，相同水膠比、相同用水量、相同砂率的粗砂混凝土的坍落度較中砂混凝土坍落度大；相同用水量、不同水泥用量的混凝土坍落度差別較小。粗砂混凝土用水量為180 kg/m3時，混凝土坍落度＞200 mm，混凝土極易發生流漿、泌水的現象，水泥漿在骨料表面流失造成漿骨料分離。調整粗砂混凝土用水量為172 kg/m3，測得粗砂混凝土坍落度為185 mm，坍落度完全可以滿足施工要求[4]。

2.2 力學性能

對比相同水灰比、不同用水量的粗砂混凝土和中砂混凝土的28d抗壓強度，測試結果如圖2所示，B1、C1組設計強度C25，B2、C2組設計強度C30，B組細骨料為中砂、C組細骨料為粗砂。

圖3 不同用水量抗壓強度

由圖3可知，4組混凝土28d抗壓強度均達到設計強度（C25設計強度 31.6 MPa，C30設計強度 37.4 MPa），B組混凝土抗壓強度較C組高，不同用水量中砂混凝土的水泥和粉煤灰用量較粗砂混凝土多，粗砂混凝土孔隙率較中砂混凝土高。

將C粗砂混凝土砂率提高3%，新拌混凝土的工作性能更好，C25抗壓強度提高2.8 MPa，C30抗壓強度提高1.5 MPa。提高粗砂混凝土砂率，改變了混凝土內部的顆粒級配，混凝土內部骨架之間空隙率被更充分填充使強度提高[5]。C30混凝土提高幅度較C25低，C30混凝土中膠凝材料用量多32 kg/m3，空隙率越低。根據配置強度粗砂混凝土較中砂混凝土砂率可提高2%～4%。

2.3 耐久性能

粗砂混凝土因其采用的細骨料較為特殊，導致其材料與構件方面和普通混凝土存在差異，故其耐久性與普通混凝土有相似之處，但也有其特殊性，目前針對粗砂混凝土耐久性的研究幾乎沒有。

1）抗滲性能

對選定B組、D組配合比制備的抗滲試塊養護28 d后取出，試塊表面干燥后，進行抗滲試驗。設計要求泵送混凝土的抗滲等級為W4。測試結果如表4所示。

表4 抗滲測試結果

4組混凝土發生滲水的最大壓力均已達到0.7 MPa以上，粗砂制備的混凝土抗滲等級可以達到W6級以上。粗砂制備的混凝土抗滲等級滿足工程的設計要求。

2）抗凍性能

引洮工程地區冬季氣溫寒冷，冬季引洮供水暗渠工程部分將會受到不同程度的凍融破壞，要求混凝土有較高的抗凍性。提高混凝土抗凍性的措施有：降低水灰比、摻用引氣劑和選用優質骨料等。同時水灰比降低會使單位水泥用量增大，添加摻合料可以降低孔隙率，從而可以提高混凝土的抗凍性[6]。試驗研究對比C25粗砂混凝土粉煤灰摻量對抗凍性能的影響，結果見表5。

表5 粉煤灰摻量對抗凍性能的影響

由表5可知，隨著粉煤灰摻量增多，混凝土抗凍性先增大后減小，粉煤灰最佳摻量占材料總量的15%～20%。粉煤灰摻量超過20%，混凝土早期強度較低，不易拆模，影響施工進度。粉煤灰的摻入改變了混凝土內部毛細管的形態和結構從而使得抗凍性提高，粉煤灰摻入使得泵送更加容易，混凝土的保水性更好。引洮二混凝土多數抗凍指標為F50，粗砂制備的混凝土抗凍性滿足工程需要[7]。

3）抗硫酸鹽侵蝕性能

引洮二期工程土壤中硫酸鹽和隧洞環境水中硫酸鹽含量偏高，硫酸鹽對混凝土結構的侵蝕較為嚴重，侵蝕會產生開裂、溶蝕、剝落、膨脹、松軟及強度下降等，嚴重影響結構的使用壽命。普通硅酸鹽水泥制備的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能不能滿足對工程抗硫酸鹽性能的要求，普通混凝土受硫酸鹽侵蝕見圖4。

提高混凝土抗硫酸鹽的措施有：選用抗硫酸鹽水泥和外加劑等。試驗研究采用添加抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和添加5%抗腐蝕阻銹劑的措施來提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，具有抗硫酸鹽混凝土強度等級為C30，結果見圖5。

圖4 普通混凝土被硫酸鹽侵蝕圖片

圖5 抗侵蝕試驗結果

由圖5可知，隨著循環次數增加，抗壓強度耐蝕系數逐漸降低；抗腐蝕阻銹劑的抗硫酸鹽腐蝕能力優于抗硫酸鹽水泥。侵蝕初期抗壓強度增加是由于循環高溫促進未水化的部分進一步水化和硫酸鹽侵蝕內部變得更加密實的結果。抗腐蝕和抗硫酸鹽水泥均能滿足粗砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能[8]。

3 粗砂使用存在的問題

粗砂對混凝土用水比較敏感，用水量過少混凝土泵送不易，用水量過多會使混凝土產生離析。在施工過程中需要加強對混凝土用水量的控制，根據粗砂細度模數進行及時調整用量。

4 結語

（1）粗砂用于混凝土中是合理、可行的。

（2）粗砂制備的混凝土的工作性能、力學性能、抗滲性、抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性均可以達到引洮供水工程對混凝土性能的要求，砂的細度模數越大，砂率越需要適當的提高。

（3）試驗研究只是選取一種細度的粗砂進行試驗，在工程實際應用中，各種材料的品質有差別、配制混凝土的性能要求不一致、施工方法和拌合工藝有差別等，在實際工程應用中需重新進行配合比的設計、試配和調整。