大理岩人工骨料在水电工程中的应用实践

李太成

(中国水电工程顾问集团公司，北京 100120)

1 前 言

大理岩用作水电工程混凝土的人工骨料料源尚没有先例。锦屏水电站在国内水电工程中首次采用大理岩加工人工骨料，作为主体工程混凝土骨料，并在高拱坝及泄洪建筑物抗冲磨混凝土中创新性地采用了砂岩粗骨料、大理岩细骨料的组合骨料方案。锦屏水电站的经验表明，大理岩人工骨料应用于水电工程是可行的。通过锦屏水电站的应用实践，在充分认识大理岩的岩性特征及其加工性能，选择高拱坝高性能混凝土组合骨料方案，在大理岩TBM开挖料利用、大理岩石粉综合利用等方面取得了一些有价值的成果。本文对此进行了系统的总结，可为水电工程混凝土骨料料源选择、砂石系统设计、砂石骨料质量控制、大理岩石粉综合利用、TBM开挖料利用、混凝土胶凝材料体系选择和配合比设计等提供参考。

2 锦屏水电站概况

锦屏水电站包括锦屏一级和锦屏二级水电站，二者作为一组电源同期进行开发建设，总装机840万kW，是雅砻江梯级开发的骨干电站和我国西电东送的主要电源点之一。二者已分别于2005年11月12日和2007年1月30日正式开工，目前均处于主体工程施工关键阶段。

锦屏一级水电站双曲拱坝坝高305m，为世界同类坝型中第一高坝。电站装机360万kW，枢纽工程由混凝土拱坝、水垫塘及二道坝、泄洪洞、引水发电系统等组成。锦屏二级水电站系利用雅砻江大河湾裁弯取直引水发电，电站装机480万kW，枢纽工程由首部拦河闸坝、引水系统、尾部地下厂房等组成。锦屏二级水电站穿越锦屏山的7条隧洞构成了世界上最大规模的水工隧洞群，其中4条引水隧洞单洞长16.67km，开挖洞径12.4～13.0m，衬砌内径11.2～11.8m。

锦屏一级水电站主体工程混凝土总量约761万m3，需混凝土成品骨料总量约1828万t，其中大坝混凝土工程量约540万m3，需粗、细骨料分别为910万t、390万t。锦屏二级水电站主体工程混凝土总量418.7万m3，需成品粗、细骨料约921万t。

锦屏一级水电站大坝混凝土采用砂岩粗骨料、大理岩细骨料的组合骨料方案，水垫塘、二道坝及泄洪洞抗冲磨混凝土采用全砂岩骨料，其他主体建筑物混凝土均采用全大理岩骨料。锦屏二级水电站主体建筑物除泄洪闸抗冲磨混凝土采用组合骨料和全砂岩骨料外，其他均采用全大理岩骨料。

锦屏水电站大理岩骨料采用了两种料源，一是锦屏二级引水隧洞和地下厂房系统大理岩洞挖料，在模萨沟砂石系统加工，用于锦屏二级东端引水隧洞、地下厂房系统混凝土骨料;二是三滩石料场大理岩，在三滩砂石系统加工，用于锦屏一级和锦屏二级拉河闸坝、进水口和西端引水隧洞所需的大理岩骨料。锦屏水电站所需砂岩骨料均取自大奔流沟砂岩料场。

3 锦屏水电站大理岩骨料料源概况

锦屏二级水电站地下洞室揭露了盐塘组大理岩(T2y4、T2y5，T2y6)、白山组大理岩(T2b)、杂谷脑组大理岩(T2z)等岩性开挖料，可作为混凝土骨料来源的主要有 T2y4、T2y5、T2b、T2z 四种岩性，岩石单轴饱和抗压强度大于50MPa。盐塘组大理岩由灰白色、灰绿色条带状云母大理岩、灰～灰黑色大理岩、灰白～白色粗晶大理岩、灰～灰黑色泥质灰岩夹深灰色大理岩等组成。白山组大理岩由杂色大理岩与结晶灰岩互层、灰～灰白色致密厚层块状臭大理岩等组成。锦屏二级水电站引水隧洞一般埋深为1500～2000m，最大埋深2525m，地下水位较高。

三滩石料场的岩性主要为三叠系杂谷脑组第二段7～8层灰色中细晶大理岩夹白色中细晶大理岩条带，饱和抗压强度试验平均值68.0MPa。

4 锦屏大理岩加工性能

从锦屏水电站前期料源方案选择研究到施工阶段砂石系统加工的大量数据表明，大理岩的加工性能较差，存在一些不易克服的顽症，主要体现在成品砂颗粒级配不连续，中间级配颗粒0.63～2.5mm偏低;砂子石粉含量超标，细度模数波动较大，且细度模数与石粉含量有一定相关性，石粉含量大的砂子细度模数相对较小，砂子石粉含量小的细度模数相对较大。虽经采取技术措施将石粉含量降低，但细度模数难以同时满足要求。无论是取自三滩料场的石料还是地下工程的洞挖料均存在这一问题。大理岩粗骨料则存在裹粉及逊径含量超标现象突出、中径筛筛余量合格率较低的问题。

总结锦屏大理岩砂石系统几年来的生产和改进实践，大理岩加工性能较差和大理岩原岩本身特性、岩性组成、开采方式、毛料含水率及加工工艺均有关系。

大理岩磨蚀能力和抗撞击能力较差，岩性不耐磨，而且易碎，导致原岩开挖后的毛料(渣料)中普遍存在大量石屑石粉，且大粒径石料裹粉较严重，这也是造成大理岩加工性能不佳的主要原因之一。

锦屏大理岩岩性变异较大，即使是同一种岩性，其物理性质、化学成分、矿物组成及晶体结构有很大变化，在加工性能上也有较大差别。在锦屏二级地下洞室中揭露的盐塘组大理岩(T2y)、白山组大理岩(T2b)、杂谷脑组大理岩(T2z)等岩性开挖料中，盐塘组大理岩制砂石粉含量相对较低。三滩料场大理岩制砂试验表明，白色、灰白中晶、粗晶大理岩制砂石粉含量要高些，颜色深的大理岩则相对要好。

大理岩毛料(渣料)含粉量高和原岩开采方式有一定关系。根据2008年9月同期的检测结果，锦屏二级隧洞采用钻爆法开挖渣料的平均含粉量为45.6%，施工排水洞采用TBM开挖渣料的平均含粉量为47.5%，而三滩大理岩料场采用控制爆破开采的毛料含粉量相对较低。砂石系统的加工试验也表明，较大粒径的大理岩制砂石粉含量较低，TBM开挖渣料块径小，其石粉含量也相应高一些。

锦屏大理岩加工均采用干法生产，用风选法剔除多余石粉。采用干法生产砂石料的工艺受毛料含水率的影响较大，来料含水率高，其裹粉就重，选粉机选粉的效果就差，成品砂的石粉含量就大;来料含水率低，其裹粉就少，成品砂的石粉含量就小。遇到大雨、暴雨季节石粉含量波动较大。如能有效地控制来料的含水率，控制好来料裹粉的情况，就能较好地控制成品砂中的石粉含量。

锦屏三滩和模萨沟两个大理岩砂石系统分别自2007年11月和2008年7月投产以来，针对大理岩制砂存在的问题，建设单位组织了多次专家咨询，砂石生产单位也采取了大量的措施改进系统和工艺。

三滩砂石系统采取的主要措施为:

(1)通过爆破试验选取最优爆破设计，现场严格控制造孔间、排距，对于不同岩层、不同岩性更改爆破参数，尽量控制毛料破碎率，减小成粉率。

(2)增设第四台选粉机，通过四台选粉机联动，回收了弃料中0.16～0.315mm颗粒，相应降低了人工砂石粉含量。

(3)保证破碎设备的最优工作效率，满料破碎减小各破碎成粉率。增加利用率，避免循环破碎，尽量减少闭合生产，制砂同时生产粗骨料。控制选粉机供风量，减少有用料的弃除。

(4)增设皮带秤，安装水流量仪及产量控制数显仪，对生产成品砂流量进行监控。通过用水量的控制保证砂料颗粒的均匀性，通过数显仪保证产量的稳定性。

模萨沟砂石系统采取的主要措施为:

(1)使用钻爆法开挖毛料，TBM开挖料作为废料，减少料源中的石粉含量;

(2)将毛料及初碎后半成品料中含粉量较高的20mm以下颗粒弃掉;

(3)增加可容纳3万t粗碎半成品的料仓，调节堆存半成品料，降低半成品表面含水及裹粉;

(4)调节砂石厂半成品料仓堆料方式，再次降低半成品料源表面含水及裹粉;

(5)对反击破开口进行调整，调节骨料级配、成砂率及石粉含量;

(6)增加毛料处理系统，采用一台美卓圆锥式破碎机，对40mm以上骨料进行再次破碎，降低制砂机故障率;

(7)对风选机风门及分料盘转速进行分档试验，得出不同料源含水的最佳机械参数;

(8)将风选机调节电机更换为变频电机，降低设备故障率。

通过采取上述措施，三滩砂石系统制砂石粉含量已得到较好控制，成品砂的品质有所改善，质量波动有所降低。模萨沟砂石系统由于料源岩石性状变化较大，同时受到渣料含水、雨季和渣料转运等因素影响，仍未有效解决上述大理岩制砂存在的根本问题。砂石生产单位最近一年(2009年9月26日至2010年9月25日)的质量检测数据也说明了这一点，具体检测数据见表1和表2。

表1 三滩砂石系统人工砂检测情况统计

表2 模萨沟砂石系统人工砂检测情况统计

5 锦屏水电站混凝土性能质量

锦屏一级水电站大坝为国内外已建、在建和设计中的最高拱坝，对混凝土抗压强度、抗拉强度、抗渗、抗冻及抗裂性能等均有较高要求，这些性能成为混凝土骨料料源选择的控制因素。在可研阶段初选采用全砂岩骨料，以大奔流沟砂岩料场作为料源。由于砂岩骨料存在潜在的碱骨料反应，且砂岩混凝土线膨胀系数、干缩值较大，对拱坝大体积混凝土质量不利，为了保证工程的长期运行安全、减小变质砂岩骨料混凝土的碱硅酸反应活性膨胀率、改善混凝土的综合性能，设计单位开展了以变质砂岩为粗骨料、大理岩为细骨料的组合骨料方案试验研究。试验表明，随着大理岩人工砂的含量增加，砂浆棒快速法检验的碱活性膨胀减小趋势非常明显。采用砂岩粗骨料、大理岩细骨料的组合骨料和全砂岩骨料的混凝土性能均能满足设计提出的大坝混凝土技术要求。组合骨料与全砂岩骨料比较，采用组合骨料的混凝土用水量比全砂岩骨料低8～9kg/m3，胶凝材料少15～21kg/m3，混凝土和易性有改善;在相同水胶比条件下，组合骨料的混凝土抗压强度比全砂岩骨料略高，且强灰比高，180d弹性模量略高，极限拉伸值略低，耐久性能略低，混凝土热学性能指标线膨胀系数以及干缩率明显降低，说明组合骨料混凝土的抗裂性能略优。

上述试验表明，组合骨料方案有利于抑制骨料的碱硅酸盐活性反应和混凝土综合性能的改善。

锦屏一级大坝左岸垫座混凝土于2008年11月29日正式开始浇筑，大坝混凝土于2009年10月23日正式开始浇筑，截至目前的混凝土性能质量检测数据表明，大坝混凝土的抗压强度、极限拉伸值、耐久性指标均满足规范要求。

锦屏一级引水发电系统和锦屏二级主体建筑物自2008年以来已陆续开始浇筑混凝土，从截至目前的检测结果看，除个别组混凝土和喷混凝土抗压强度、混凝土抗渗不满足设计要求外，其它部位混凝土强度均达到设计要求。

由上可见，锦屏水电站使用组合骨料方案和全大理岩骨料方案在技术上是合理可行的。

6 大理岩石粉对混凝土性能影响研究

针对大理岩制砂存在的问题，锦屏水电站现场开展了一系列相关研究，取得了一些有价值的初步成果，为现场质量控制和工程应用提供了基本依据。

鉴于大理岩人工砂石粉含量波动较大的实际情况，为了验证人工砂石粉含量变化对混凝土单位用水量、砂率、和易性，以及对混凝土力学、热学、变形、耐久等性能的影响，在锦屏一级开展了人工砂不同石粉含量对混凝土性能影响的试验，主要成果为:

(1)人工砂石粉含量在15%～25%范围内，保持混凝土水胶比、砂率、拌和物和易性一致，人工砂石粉含量每增加1%，混凝土单位用水量增加0.6kg;调整混凝土的砂率，可以达到降低混凝土单位用水量增加值的目的，砂率每增减1%，坍落度减增10mm。

(2)用不同石粉含量拌制的混凝土拌和物坍落度保留率基本一致;人工砂的石粉含量的变化对混凝土拌和物的泌水性能比较敏感，泌水率随着人工砂石粉含量的增加而降低;人工砂的石粉含量的变化对混凝土的凝结时间、含气量影响较小。

(3)人工砂石粉含量的变化对混凝土力学性能、变形性能、耐久性能、热学性能影响不明显，存在对应人工砂某一石粉含量下配置的混凝土单项性能最优现象。

(4)石粉含量变化影响混凝土的干缩性能，混凝土干缩值随着石粉含量的增加而增大。

根据上述试验成果，并结合三滩砂石系统改进后大理岩砂石粉含量已降到了一个合理的水平，锦屏一级水电站适当放宽了砂子石粉含量控制标准(目前按不大于20%控制)。

锦屏二级水电站开展了人工砂石粉含量对泵送混凝土性能影响的试验，相关结论为:

(1)人工砂中石粉含量在15%～30%的范围内变化时，对混凝土抗压强度、抗拉强度、静压弹模、轴拉强度、应变、抗拉弹模、耐久性等性能不会造成危害性的影响。

(2)混凝土的抗渗性能及抗冻性能均随人工砂含粉量的增加而有所提高。人工砂含粉量的增加，对提高混凝土耐久性能有积极作用。

(3)砂子含粉量增加，混凝土单位用水量随之增加，混凝土干缩也随之增加。

针对大理岩干法制砂产生的大量石粉弃料，且石粉中0.08mm以下的微细颗粒含量较高的情况，为研究石粉综合利用的可行性，降低工程成本，锦屏一级水电站开展了磨细石粉对混凝土性能的研究。

试验一:采用选粉机选取的原状石粉(比表面积140m2/kg)，及球磨机磨细加工的比表面积分别为 408m2/kg、556m2/kg、721m2/kg 四种细度的石粉，按取代水泥分别为0、2%、4%、6%、8%、10%，进行掺大理岩石粉对水泥净浆和水泥砂浆性能影响的试验研究。试验结果表明:

(1)大理岩石粉部分取代水泥对水泥净浆的流动度变化规律影响不大，水泥净浆的凝结时间有所延长。

(2)大理岩石粉取代部分水泥后，水泥浆体的抗压强度有所降低，降低的幅度随着石粉的取代量增大而增加，随着大理岩石粉的比表面积提高而减小。

(3)与掺用粉煤灰相比，掺用磨细的大理岩石粉后水泥浆体的早期强度较高、后期强度较低，表明磨细大理岩石粉的早期活性要优于粉煤灰，后期活性则逊于粉煤灰。

综合上述试验成果，在锚杆、锚索注浆材料中用磨细大理岩石粉(比表面积为721m2/kg)部分取代Ⅰ级粉煤灰(取代量为2%～10%)用于水泥浆体具有可行性。

试验二:采用选粉机选取的原状石粉(比表面积140m2/kg)，及球磨机磨细加工的比表面积分别为 408m2/kg、556m2/kg、721m2/kg 四种细度的石粉，以大坝C18040W 15F300混凝土作为基准，按取代粉煤灰量分别为0、2%、4%、6%、8%、10%，进行大理岩石粉对混凝土性能影响的试验。试验结果表明:

(1)不同细度的大理岩石粉取代粉煤灰，对混凝土拌和物的坍落度和含气量没有明显影响，对泌水性能和坍落度损失有明显改善效果，对含气量随时间损失有不利影响。

(2)用大理岩石粉取代部分粉煤灰，混凝土抗压强度、劈拉强度总体表现为降低的趋势，取代量增大到10%时，混凝土抗压强度降低幅度相对较大，特别是原状大理岩石粉，90d、180d抗压强度降低较明显(最大降低幅度达17%)。

(3)大理岩石粉的掺入量和石粉细度对混凝土的自生体积变形、弹性模量、极限拉伸值、热学性能以及耐久性能影响不大。

(4)掺用不同细度、不同量的大理岩石粉，对混凝土抗裂性能影响不大。

根据上述试验成果，掺用原状大理岩石粉对混凝土强度降低较多，不宜采用;大坝混凝土中用磨细石粉代替部分粉煤灰(取代量为2%～10%)对混凝土性能影响不大，可基本满足设计提出的指标要求，因此大坝混凝土采用磨细大理岩石粉具有一定可行性。试验还表明，采用“水泥－粉煤灰－磨细大理岩石粉”三元胶凝材料比二元材料体系有一定的技术优势。目前锦屏水电站正在开展进一步的试验，将为下一步大理岩石粉的综合利用提供基本依据。

7 大理岩TBM开挖料的利用研究

锦屏二级水电站长引水隧洞采用TBM法和钻爆法两种方法开挖。招标文件规定两种方法开挖的大理岩均用于混凝土骨料料源，但在施工阶段发现由于引水隧洞大理岩硬度较小，岩性不耐磨且易碎，加之高埋深条件下岩石的脆性破坏，以及TBM刀具破岩与铲斗跌落集渣方式的共同作用，开挖毛料的中块石粒形呈薄片状，开挖料毛料中除含有大量石屑石粉外，大粒径的石料外裹粉也比较严重。毛料的粒径组成和含粉量直接影响了生产工艺和成品料的质量。另外，锦屏二级长引水隧洞一般埋深在2000m以上，地下水位较高，开挖料在含水情况下呈糊泥状，对其的利用也造成了困难。为分析TBM开挖料利用的可行性，现场开展了用TBM开挖料轧制骨料的生产性试验。主要成果为:

(1)毛料中40mm以上颗粒含量较少，分别占1号、3号引水隧洞 TBM开挖料总量的29.7%和38.5%，其中3号引水隧洞补充试验显示，毛料中40mm以上颗粒含量甚至只有8.8%。小于20mm的颗粒含量较高，分别占46.7%和44.2%。毛料含水率较高，最低为4.8%，最高达28.3%。

(2)加工所得的成品料获得率低，在筛除毛料中小于20mm颗粒、其余骨料均进入加工流程的工况下，1号引水隧洞TBM开采料加工所得的成品率为28.7%，3号引水隧洞TBM开采料所得的成品率仅为21%。

(3)成品骨料质量较差，在筛除毛料中小于20mm颗粒、其余骨料均进入加工流程的工况下，中、小石针片状含量均不符合规范要求。1号TBM开采料加工后，中、小石针片状含量分别为23.1%和17.1%;2号TBM开采料加工后，中、小石针片状含量分别为22.9%和17.2%;均超出规范允许值。

(4)人工砂石粉含量过大，分别为29.3%和38.3%，远远超出规范允许值。

由上可见，TBM开挖料虽然没有完全丧失利用价值，但是无论从质量角度、经济角度、技术角度和利用量而言，其利用价值均不高，最终放弃了对TBM开挖料的利用，由此造成的料源缺口通过三滩料场挖潜得到弥补。鉴于国内已实施的TBM开挖隧洞均未进行过TBM开挖料利用方面的研究和论证工作，锦屏水电站已开展的试验为这方面的研究提供了一个较好的参考。

8 结 语

从锦屏水电站的经验看，大理岩人工骨料用于水电工程是可行的，但在料源选择时需充分认识大理岩岩性特点及其加工性能可能存在的问题;在前期设计阶段应开展专项试验，确定适当的料源体系及适应性的砂石系统设计工艺;同时应做好料源查勘工作，查清大理岩岩性组成和变化、料源地下水分布等情况，做好相应的料源开采规划。

锦屏水电站针对大理岩骨料开展的相关试验表明，适当提高大理岩砂的石粉含量，对混凝土力学性能影响不大，适当放宽大理岩砂的石粉含量标准，从而降低砂石系统改造和原材料质量控制难度是合适的。采用磨细大理岩石粉取代部分粉煤灰用于混凝土或水泥浆体具有可行性。大理岩TBM开挖料利用价值不高，在料源选择时应慎重考虑。

［1］阮光华.我国混凝土骨料加工技术的进展［J］.建设机械技术与管理，2009(1).

［2］吴雄鹰，魏尚信.锦屏电站人工骨料生产系统大理岩制砂新工艺［J］.人民长江，2009(18).