坪頭水電站高石粉人工砂混凝土性能試驗研究

周麒雯,杜青林,楊 軼

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站工程區(qū)域內(nèi)缺乏充足的天然骨料資源，因此電站工程混凝土需采用人工骨料。

坪頭水電站工程區(qū)域內(nèi)出露的巖石主要為白云巖。由于當(dāng)?shù)氐陌自茙r具有強度偏低的特點，采用當(dāng)?shù)匕自茙r所加工的人工骨料存在著石粉含量較大的弊端。對現(xiàn)場實際加工白云巖人工砂質(zhì)量抽檢的結(jié)果表明：人工砂中的石粉含量高達(dá)20.5%～25.5%，超過《水工混凝土施工規(guī)范》中人工砂的石粉含量宜控制在6%～18%的規(guī)定，因此，采用石粉含量偏大的白云巖人工砂能否配制滿足設(shè)計要求的水工混凝土是坪頭水電站設(shè)計者十分關(guān)注的問題。

石粉是指巖石經(jīng)機械加工后顆粒小于0.16mm的微細(xì)粒。國內(nèi)外的試驗研究表明[1-4]，石粉中粒徑小于0.045mm的硅質(zhì)、鈣質(zhì)顆粒，具有一定的反應(yīng)活性，能緩慢地與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定強度的水化產(chǎn)物，充填混凝土孔隙，使混凝土的孔隙細(xì)化，降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的性能。因此，為了使人工砂石粉含量滿足規(guī)范要求而盲目將石粉洗掉，不僅增加了污染物的排放量，而且造成很大的資源浪費。為了充分利用高石粉含量的白云巖人工砂，減少工程投資，結(jié)合坪頭水電站的實際，開展高石粉含量白云巖人工砂混凝土性能的試驗研究，探討人工砂中的石粉含量對混凝土的性能的影響。

2 白云巖巖石的基本性能

對坪頭水電站工程區(qū)域內(nèi)的白云巖巖石進(jìn)行了磨片鑒定，在偏光顯微鏡下觀察組成巖石的各種礦物及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造和含量。白云巖巖石磨片鑒定的試驗結(jié)果見表1。試驗表明：當(dāng)?shù)氐陌自茙r組分主要由碳酸鹽、細(xì)粒石英和少量粒狀膠磷礦組成。

對當(dāng)?shù)氐陌自茙r巖石的化學(xué)成分進(jìn)行分析的試驗結(jié)果見表2，當(dāng)?shù)氐陌自茙r主要化學(xué)成分為CaO和MgO，其燒失量較大，為典型的碳酸鹽類巖石。當(dāng)?shù)氐陌自茙r巖石的物理力學(xué)性能表明(見表3)，當(dāng)?shù)匕自茙r具有強度較低、飽和吸水率較大的特點。

3 白云巖石粉活性的試驗研究

石粉在混凝土中除了具有填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)外，還具有一定的活性效應(yīng)。活性效應(yīng)是指石粉中CaCO3在與水泥中的C3A反應(yīng)生成碳鋁酸鹽的同時，還改善了石粉顆粒的表面狀態(tài)，有利于石粉顆粒與水化產(chǎn)物間粘結(jié)強度的提高。參照GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，對白云巖石粉的活性進(jìn)行試驗研究。試驗采用普硅42.5級水泥(水泥28d抗壓強度為49.4MPa)，在摻量為30%的條件下，進(jìn)行摻白云巖石粉替代水泥的膠砂強度試驗，并與摻Ⅱ級粉煤灰和石英砂巖石粉進(jìn)行比較。由試驗結(jié)果(見圖1)可見：在替代30%水泥的條件下，摻白云巖石粉28d膠砂強度值有所降低，比水泥膠砂強度低43.1%；遜于摻Ⅱ級粉煤灰的膠砂強度，比摻Ⅱ級粉煤灰的膠砂強度低10.8%；但比摻石英石粉膠砂強度要高，高于摻石英石粉膠砂強度7.3%。這表明白云巖石粉具有一定的活性，其活性較Ⅱ級粉煤灰的活性低，但高于石英巖石粉。

表1 白云巖巖石磨片鑒定結(jié)果

圖2 人工砂石粉含量對混凝土強度性能的影響(二級配)

SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO堿含量燒失量5.141.040.4728.8120.110.01743.67

表3 白云巖的物理力學(xué)性能

圖1 白云巖石石粉活性試驗結(jié)果

4 白云巖人工砂石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究

采用工程擬用的水泥、Ⅱ級粉煤灰(摻量為20%)，復(fù)摻緩凝高效減水劑和引氣劑，混凝土的含氣量控制為3%～4.5%。其中二級配泵送混凝土的陷度控制在16～18cm，人工砂的石粉含量分別為15%、21%和24%；三級配常態(tài)混凝土的陷度控制在5～7cm，人工砂的石粉含量分別為21%和24%；進(jìn)行白云巖人工砂石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究。

4.1 對混凝土拌和物性能的影響

試驗表明：在保持混凝土拌和物和易性基本一致的條件下，隨著白云巖人工砂石粉含量的增加，混凝土單位用水量略有增加。在引氣劑摻量不變的情況下，混凝土含氣量隨著石粉的增加而減小，但變化幅度不大。

4.2 對混凝土強度性能的影響

白云巖人工砂石粉含量對混凝土強度性能影響的試驗成果見圖2、3。從試驗結(jié)果可見，當(dāng)石粉含量在15%～24%內(nèi)時，混凝土各齡期抗壓強度基本一致，各齡期強度的發(fā)展系數(shù)也相當(dāng)。相比而言，當(dāng)石粉含量為21%時，混凝土的強度性能最優(yōu)。

4.3 對混凝土變形性能的影響

極限拉伸和彈性模量是水工混凝土的重要特性。白云巖人工砂石粉含量對混凝土極限拉伸值和彈性模量影響的試驗結(jié)果見圖4。從試驗結(jié)果可見：白云巖人工砂石粉含量從15%變化到24%時，混凝土的極限拉伸存在著隨石粉含量增加有所減少的趨勢，混凝土的彈性模量則是當(dāng)石粉含量為21%時最大。

4.4 對混凝土耐久性能的影響

混凝土抗?jié)B和抗凍性能是耐久性的重要指標(biāo)。白云巖人工砂石粉含量對混凝土抗?jié)B以及抗凍性能影響的試驗結(jié)果見表4。從試驗結(jié)果可以看出：混凝土28d的抗凍等級均大于F50，滿足設(shè)計的要求?；炷?8d的抗?jié)B等級大于W8，混凝土90d的抗?jié)B等級大于W10，也滿足設(shè)計要求。在石粉含量為15%～24%時，白云巖人工砂石粉含量對混凝土抗?jié)B和抗凍性能影響不大。

表4 石粉含量對混凝土耐久性能的影響

混凝土的干縮變形也是評價混凝土耐久特性的一個指標(biāo)。從試驗結(jié)果可見：人工砂中石粉含量的變化對混凝土的干縮變形有一定的影響，相比而言，當(dāng)石粉含量為21%時，混凝土的干縮變形最小。

5 白云巖石粉對混凝土性能影響的機理分析

白云巖石粉在混凝土中的作用主要體現(xiàn)在以下3方面：(1)填充效應(yīng)。白云巖石粉的顆粒多為無棱角的不規(guī)則體，平均顆粒粒徑較粉煤灰和水泥顆粒小，細(xì)顆?？商畛湓谀z凝材料粒子之間或膠凝材料與骨料的界面之間，改善混凝土基相材料的顆粒級配，使水泥漿體更加密實。(2)促進(jìn)C3S的水化。白云巖石粉為氫氧化鈣的結(jié)晶提供晶核，改變Ca(OH)2晶體的尺寸，且粒度越小，作用越明顯。(3)與C3A 反應(yīng)。白云巖石粉顆粒在水化的過程中可以與水泥中的C3A和C4AF 發(fā)生反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，從而改善水泥基材料的一些性能，且白云巖石粉粒徑越小，活性越高。

圖3 人工砂石粉含量對混凝土強度性能的影響(三級配)

圖4 人工砂石粉含量對混凝土變形性能的影響(二級配)

含有適量石粉的白云巖人工砂對混凝土性能有著一定的改善作用，但隨著石粉含量的增加混凝土的性能有劣化的趨勢。相比而言，采用石粉含量為21%白云巖人工砂配制的混凝土性能較優(yōu)。

6 結(jié) 語

白云巖屬于碳酸鹽類巖石，白云巖石粉除了具有硅酸鹽巖石石粉所具有的微集料作用以及顆粒的形貌作用外，還具有一定的晶核作用和活性作用。結(jié)合坪頭水電站的實際，對不同石粉含量白云巖人工砂混凝土性能進(jìn)行試驗的結(jié)果表明：含有一定量石粉的白云巖人工砂有利于改善混凝土的性能。因此為了使人工砂石粉含量滿足規(guī)范要求，而盲目地將白云巖人工砂中的石粉洗掉，不僅增加了污染物的排放量，而且會造成很大的資源浪費。

室內(nèi)試驗結(jié)果表明：通過適當(dāng)調(diào)整配合比的參數(shù)，復(fù)摻一定量的緩凝減水劑和引氣劑，采用石粉含量為15%～24%的白云巖人工砂可以配制滿足坪頭水電站設(shè)計的要求、強度等級最高為C30、耐久性指標(biāo)為W10和F50的各種混凝土。

目前坪頭水電站的建設(shè)已趨于尾聲，對坪頭水電站工程已澆筑混凝土進(jìn)行的檢查結(jié)果表明：采用高石粉的白云巖人工砂配制的混凝土的耐久性指標(biāo)滿足設(shè)計要求，混凝土強度保證率達(dá)到96.1%以上，整體評定達(dá)到《水工混凝土施工規(guī)范》中混凝土強度檢驗與評定要求。

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