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

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)

1 前 言

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。石粉在混凝土中的作用，一般认为包括以下三个方面：(1)发挥微集料作用。石粉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。石粉一般表面粗糙，形貌多为棱体，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—骨料界面的改善。(3)发挥部分活性效应。石粉中的部分CaCO3在水泥的水化过程中会参与反应。

锦屏一级水电站采用当地的大理岩人工砂作为大坝混凝土的细骨料，由于当地的大理岩存在着强度偏低、强度的变异性较大的不足，因此在生产人工砂时，存在着加工性能差、破碎易成粉的特点，采用不同种类的破碎机破碎后的大理岩人工砂的石粉含量均在40%左右。大理岩属于碳酸钙质骨料。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 大理岩人工砂石粉含量对混凝土性能影响的研究

选用石粉含量分别为15.2%、18.0%、20.6%、22.7%和25.6%的五种大理岩人工砂，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。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。

2.1 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50～70mm，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1。由试验结果可以看出：

(1)在保持混凝土拌和物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含量的增加而减小，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。

2.2 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2。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1 石粉含量对混凝土拌和物性能的影响

表2 石粉含量对混凝土强度性能的影响

2.3 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成果见表3。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龄期的弹性模量最大。

表3 石粉含量对混凝土变形性能的影响

2.4 对混凝土耐久性能的影响

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4。从试验结果可见：所有混凝土的抗冻等级均大于F300,抗渗等级大于或等于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。

2.5 对混凝土体积稳定性的影响

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图1。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4 石粉含量对混凝土耐久性能的影响

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2。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1 石粉含量对混凝土自生体积变形的影响

图2 石粉含量对混凝土干缩性能的影响

2.6 对混凝土热物理性能的影响

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。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5。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。

2.7 混凝土抗裂性能的影响

水工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3。从图3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的控制以不大于20%为宜。

3 结 论

通过对不同大理岩人工砂石粉含量对混凝土性能的影响试验研究可以得出以下3点结论：

(1)大理岩人工砂的石粉含量对混凝土拌合物坍落度的保留率影响不大，对混凝土含气量影响较小；对混凝土拌和物的泌水性能比较敏感，其随着石粉含量的增加而降低。

表5 石粉含量对混凝土热物理性能的影响

图3 不同石粉含量人工砂混凝土的抗裂指数

(2)大理岩人工砂石粉含量的变化对混凝土力学性能、耐久性能以及热学性能的影响不明显，但石粉含量变化对混凝土干缩有着一定的影响，混凝土干缩值随着石粉含量的增加而增大。

(3)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、其力学性能和温控参数满足设计要求的锦屏一级水电站大坝混凝土。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。

参考文献：

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