坪头水电站高石粉人工砂混凝土性能试验研究

周麒雯,杜青林,杨 轶

(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

坪头水电站工程区域内缺乏充足的天然骨料资源，因此电站工程混凝土需采用人工骨料。

坪头水电站工程区域内出露的岩石主要为白云岩。由于当地的白云岩具有强度偏低的特点，采用当地白云岩所加工的人工骨料存在着石粉含量较大的弊端。对现场实际加工白云岩人工砂质量抽检的结果表明：人工砂中的石粉含量高达20.5%～25.5%，超过《水工混凝土施工规范》中人工砂的石粉含量宜控制在6%～18%的规定，因此，采用石粉含量偏大的白云岩人工砂能否配制满足设计要求的水工混凝土是坪头水电站设计者十分关注的问题。

石粉是指岩石经机械加工后颗粒小于0.16mm的微细粒。国内外的试验研究表明[1-4]，石粉中粒径小于0.045mm的硅质、钙质颗粒，具有一定的反应活性，能缓慢地与水泥水化产物发生反应，生成具有一定强度的水化产物，充填混凝土孔隙，使混凝土的孔隙细化，降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔隙结构，从而提高混凝土的性能。因此，为了使人工砂石粉含量满足规范要求而盲目将石粉洗掉，不仅增加了污染物的排放量，而且造成很大的资源浪费。为了充分利用高石粉含量的白云岩人工砂，减少工程投资，结合坪头水电站的实际，开展高石粉含量白云岩人工砂混凝土性能的试验研究，探讨人工砂中的石粉含量对混凝土的性能的影响。

2 白云岩岩石的基本性能

对坪头水电站工程区域内的白云岩岩石进行了磨片鉴定，在偏光显微镜下观察组成岩石的各种矿物及其结构构造和含量。白云岩岩石磨片鉴定的试验结果见表1。试验表明：当地的白云岩组分主要由碳酸盐、细粒石英和少量粒状胶磷矿组成。

对当地的白云岩岩石的化学成分进行分析的试验结果见表2，当地的白云岩主要化学成分为CaO和MgO，其烧失量较大，为典型的碳酸盐类岩石。当地的白云岩岩石的物理力学性能表明(见表3)，当地白云岩具有强度较低、饱和吸水率较大的特点。

3 白云岩石粉活性的试验研究

石粉在混凝土中除了具有填充效应和晶核效应外，还具有一定的活性效应。活性效应是指石粉中CaCO3在与水泥中的C3A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。参照GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，对白云岩石粉的活性进行试验研究。试验采用普硅42.5级水泥(水泥28d抗压强度为49.4MPa)，在掺量为30%的条件下，进行掺白云岩石粉替代水泥的胶砂强度试验，并与掺Ⅱ级粉煤灰和石英砂岩石粉进行比较。由试验结果(见图1)可见：在替代30%水泥的条件下，掺白云岩石粉28d胶砂强度值有所降低，比水泥胶砂强度低43.1%；逊于掺Ⅱ级粉煤灰的胶砂强度，比掺Ⅱ级粉煤灰的胶砂强度低10.8%；但比掺石英石粉胶砂强度要高，高于掺石英石粉胶砂强度7.3%。这表明白云岩石粉具有一定的活性，其活性较Ⅱ级粉煤灰的活性低，但高于石英岩石粉。

表1 白云岩岩石磨片鉴定结果

图2 人工砂石粉含量对混凝土强度性能的影响(二级配)

SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO碱含量烧失量5.141.040.4728.8120.110.01743.67

表3 白云岩的物理力学性能

图1 白云岩石石粉活性试验结果

4 白云岩人工砂石粉含量对混凝土性能影响的试验研究

采用工程拟用的水泥、Ⅱ级粉煤灰(掺量为20%)，复掺缓凝高效减水剂和引气剂，混凝土的含气量控制为3%～4.5%。其中二级配泵送混凝土的陷度控制在16～18cm，人工砂的石粉含量分别为15%、21%和24%；三级配常态混凝土的陷度控制在5～7cm，人工砂的石粉含量分别为21%和24%；进行白云岩人工砂石粉含量对混凝土性能影响的试验研究。

4.1 对混凝土拌和物性能的影响

试验表明：在保持混凝土拌和物和易性基本一致的条件下，随着白云岩人工砂石粉含量的增加，混凝土单位用水量略有增加。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。

4.2 对混凝土强度性能的影响

白云岩人工砂石粉含量对混凝土强度性能影响的试验成果见图2、3。从试验结果可见，当石粉含量在15%～24%内时，混凝土各龄期抗压强度基本一致，各龄期强度的发展系数也相当。相比而言，当石粉含量为21%时，混凝土的强度性能最优。

4.3 对混凝土变形性能的影响

极限拉伸和弹性模量是水工混凝土的重要特性。白云岩人工砂石粉含量对混凝土极限拉伸值和弹性模量影响的试验结果见图4。从试验结果可见：白云岩人工砂石粉含量从15%变化到24%时，混凝土的极限拉伸存在着随石粉含量增加有所减少的趋势，混凝土的弹性模量则是当石粉含量为21%时最大。

4.4 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。白云岩人工砂石粉含量对混凝土抗渗以及抗冻性能影响的试验结果见表4。从试验结果可以看出：混凝土28d的抗冻等级均大于F50，满足设计的要求。混凝土28d的抗渗等级大于W8，混凝土90d的抗渗等级大于W10，也满足设计要求。在石粉含量为15%～24%时，白云岩人工砂石粉含量对混凝土抗渗和抗冻性能影响不大。

表4 石粉含量对混凝土耐久性能的影响

混凝土的干缩变形也是评价混凝土耐久特性的一个指标。从试验结果可见：人工砂中石粉含量的变化对混凝土的干缩变形有一定的影响，相比而言，当石粉含量为21%时，混凝土的干缩变形最小。

5 白云岩石粉对混凝土性能影响的机理分析

白云岩石粉在混凝土中的作用主要体现在以下3方面：(1)填充效应。白云岩石粉的颗粒多为无棱角的不规则体，平均颗粒粒径较粉煤灰和水泥颗粒小，细颗粒可填充在胶凝材料粒子之间或胶凝材料与骨料的界面之间，改善混凝土基相材料的颗粒级配，使水泥浆体更加密实。(2)促进C3S的水化。白云岩石粉为氢氧化钙的结晶提供晶核，改变Ca(OH)2晶体的尺寸，且粒度越小，作用越明显。(3)与C3A 反应。白云岩石粉颗粒在水化的过程中可以与水泥中的C3A和C4AF 发生反应，生成水化碳铝酸钙，从而改善水泥基材料的一些性能，且白云岩石粉粒径越小，活性越高。

图3 人工砂石粉含量对混凝土强度性能的影响(三级配)

图4 人工砂石粉含量对混凝土变形性能的影响(二级配)

含有适量石粉的白云岩人工砂对混凝土性能有着一定的改善作用，但随着石粉含量的增加混凝土的性能有劣化的趋势。相比而言，采用石粉含量为21%白云岩人工砂配制的混凝土性能较优。

6 结 语

白云岩属于碳酸盐类岩石，白云岩石粉除了具有硅酸盐岩石石粉所具有的微集料作用以及颗粒的形貌作用外，还具有一定的晶核作用和活性作用。结合坪头水电站的实际，对不同石粉含量白云岩人工砂混凝土性能进行试验的结果表明：含有一定量石粉的白云岩人工砂有利于改善混凝土的性能。因此为了使人工砂石粉含量满足规范要求，而盲目地将白云岩人工砂中的石粉洗掉，不仅增加了污染物的排放量，而且会造成很大的资源浪费。

室内试验结果表明：通过适当调整配合比的参数，复掺一定量的缓凝减水剂和引气剂，采用石粉含量为15%～24%的白云岩人工砂可以配制满足坪头水电站设计的要求、强度等级最高为C30、耐久性指标为W10和F50的各种混凝土。

目前坪头水电站的建设已趋于尾声，对坪头水电站工程已浇筑混凝土进行的检查结果表明：采用高石粉的白云岩人工砂配制的混凝土的耐久性指标满足设计要求，混凝土强度保证率达到96.1%以上，整体评定达到《水工混凝土施工规范》中混凝土强度检验与评定要求。

参考文献：

[1] 刘数华，阎培渝.石粉作为碾压混凝土掺和料的利用和研究综述[J].水力发电,2007(1).

[2] 洪锦祥，蒋林华，黄卫，等.人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究[J].公路交通科技，2005(11).

[3] 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(4).

[4] 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(9).