張 巖，陳 云，胡志剛，陳雪松，翟紅濤

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610094； 2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；3.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 長江地球物理探測(武漢)有限公司，武漢 430010)

1 研究背景

人工砂中粒徑<0.16 mm的顆粒稱為石粉[1]，適量的石粉對混凝土是有益的。有研究表明[2-5]，適量的石粉含量，彌補(bǔ)了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷，石粉在混凝土中發(fā)揮微集料作用，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土的和易性和密實(shí)性?！端せ炷潦┕ひ?guī)范》(DL/T 5144—2015)中規(guī)定人工砂的石粉含量控制范圍為6%～18%，控制范圍相對較大[6]。為精準(zhǔn)控制混凝土質(zhì)量，提高人工砂混凝土的相關(guān)性能，有必要在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，針對不同種類混凝土，研究提出更適宜的人工砂石粉含量控制范圍。目前，國內(nèi)對人工砂的石粉含量控制范圍進(jìn)行了一些研究，如朱海波等[7]研究提出大壩面板混凝土人工砂石粉含量控制在9%～15%范圍內(nèi)；李北星等[8]研究提出C30、C60、C80機(jī)制砂混凝土工作性能較佳的石粉含量分別在10%～15%、7%～10%、3%～5%范圍；李興貴[9]研究提出在工程建筑中應(yīng)用高石粉含量人工砂來配制混凝土是可靠的，以石粉含量16%左右為較佳；蔡勝華等[10]研究認(rèn)為大壩碾壓混凝土用人工砂中的石粉含量控制在16%～18%較為適宜。由于研究的背景和方向、試驗(yàn)方法的不同，得出的結(jié)論也不盡相同，因此對石粉含量的最佳控制范圍仍存在一定的爭議，需要進(jìn)一步的研究和論證。

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)，為大渡河干流上游控制性水電工程。水庫正常蓄水位2 500 m，總庫容28.9億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量2 000 MW，多年平均發(fā)電量約77.0億kW·h。樞紐工程主要由最大壩高約315 m礫石土心墻堆石壩，右岸洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞，左岸豎井泄洪洞、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。雙江口水電站工程泄水建筑物泄洪最大水頭約240 m，最大泄洪流量約8 200 m3/s，泄水流速最高近50 m/s，具有“窄河谷、高水頭、大泄量、高流速”的特點(diǎn)，對其抗沖耐磨混凝土性能和施工質(zhì)量要求高，配合比試驗(yàn)難度大，對泄水建筑物所用的抗沖磨材料提出了更高的要求[11]。

前期施工單位開展了泄洪系統(tǒng)C9050抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，使用推薦混凝土配合比開展了現(xiàn)場混凝土澆筑工藝性試驗(yàn)，但因其施工性能較差，稠度大、不易排氣，表面氣孔、氣泡較多等諸多問題而未能應(yīng)用于工程。

本文將以雙江口水電站泄洪系統(tǒng)工程C9050抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對雙江口水電站的原材料體系，開展人工砂中的石粉含量對抗沖耐磨混凝土性能的影響研究，提出抗沖耐磨混凝土人工砂最優(yōu)石粉含量，以及經(jīng)濟(jì)適用的人工砂石粉含量控制范圍。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2.1 水 泥

試驗(yàn)采用的水泥為四川錦屏嘉華42.5低熱硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

2.2 摻合料

試驗(yàn)采用的粉煤灰為成都搏磊F類Ⅰ級粉煤灰，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

試驗(yàn)采用的硅粉為成都路達(dá)通微硅粉，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

2.3 外加劑

試驗(yàn)采用的減水劑為江蘇博特PCA-I型緩凝型高性能減水劑，引氣劑為江蘇博特GYQ-Ⅰ引氣劑，減水劑和引氣劑各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

2.4 骨 料

試驗(yàn)所使用的粗、細(xì)骨料均為雙江口水電站1#砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)人工骨料，原巖為花崗巖。

細(xì)骨料為雙江口水電站1#砂石骨料加工系統(tǒng)為試驗(yàn)研究特別生產(chǎn)的4批次人工砂，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。其顆粒級配檢測結(jié)果見表1和圖1。

圖1 細(xì)骨料顆粒級配曲線

表1 細(xì)骨料顆粒級配檢測結(jié)果

粗骨料分為20～40 mm中石和5～20 mm小石兩種規(guī)格，除壓碎指標(biāo)值偏高為16.3%外，其它各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

雙江口水電站工區(qū)洞挖料均為粗顆粒結(jié)晶花崗巖毛料，含有偉晶巖脈較多，云母含量較高，經(jīng)過骨料系統(tǒng)加工后，類似針片狀顆粒含量較多，且棱角鋒利，易破碎，導(dǎo)致壓碎指標(biāo)值偏高。但花崗巖人工骨料也有其優(yōu)點(diǎn)，用其拌和的混凝土的極限拉伸值較高，抗沖磨性僅次于玄武巖骨料混凝土，優(yōu)于灰?guī)r人工骨料混凝土[12]。

2.5 試驗(yàn)方法

混凝土室內(nèi)拌和及成型試驗(yàn)、混凝土試件的養(yǎng)護(hù)、硬化后混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)均按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)

3.1 混凝土拌和物相關(guān)性能試驗(yàn)

當(dāng)配合比相同時(shí)，人工砂巖性對混凝土坍落度的影響輕微[12]，本節(jié)不再研究，而是重點(diǎn)研究人工砂中石粉含量與坍落度和含氣量的關(guān)系。

試驗(yàn)用配合比以泄洪系統(tǒng)C9050抗沖耐磨混凝土配合比為基準(zhǔn)，并采用體積法計(jì)算。試驗(yàn)采用固定配合比，即保持水膠比、用水量、膠凝材料用量等參數(shù)不變，檢測混凝土拌和物坍落度、含氣量等參數(shù)。試驗(yàn)用混凝土配合比參數(shù)和拌和物檢測結(jié)果見表2，石粉含量與坍落度的關(guān)系見圖2(a)，石粉含量與含氣量的關(guān)系見圖2(b)。

表2 混凝土拌和物相關(guān)性能試驗(yàn)成果

圖2 石粉含量與坍落度和含氣量的關(guān)系

由表2的混凝土拌和物檢測成果及圖2(a)的分析結(jié)果可知，在相同混凝土配合比條件下，石粉含量越大，混凝土越黏稠，坍落度就越小。圖2(a)顯示:混凝土坍落度隨石粉含量的增加而降低，石粉含量每增減約2%，坍落度約減增10 mm。根據(jù)混凝土配合比用水量調(diào)整規(guī)律，坍落度每增減10 mm，用水量約增減2 kg/m3。從而可知，當(dāng)石粉含量每增減約2%，用水量約增減2 kg/m3[13]。

由表2的混凝土拌和物檢測成果及圖2(b)的分析結(jié)果可知，在相同混凝土配合比條件下，石粉含量越大，混凝土越黏稠，引氣就越困難。混凝土拌和物含氣量隨石粉含量的增加而降低，石粉含量每增減約2%，含氣量減增約0.6%～0.9%。因此，當(dāng)人工砂石粉含量發(fā)生明顯變化時(shí)，應(yīng)隨時(shí)調(diào)整引氣劑摻量。

3.2 硬化混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)用配合比以泄洪系統(tǒng)C9050抗沖耐磨混凝土配合比為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)坍落度為70～90 mm，設(shè)計(jì)含氣量為3.5%～4.5%，并采用體積法計(jì)算。固定膠凝材料用量、砂率、減水劑摻量，調(diào)整用水量和引氣劑摻量進(jìn)行混凝土拌和。當(dāng)坍落度、含氣量滿足設(shè)計(jì)要求，且測值基本一致時(shí)進(jìn)行混凝土相關(guān)試件的成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d和90 d后進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)。

C9050抗沖耐磨混凝土配合比參數(shù)及拌和物檢測成果見表3，硬化混凝土相關(guān)試驗(yàn)檢測成果見表4，石粉含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖3，石粉含量與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖4(a)，石粉含量與軸心抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖4(b)，石粉含量與極限拉伸值的關(guān)系見圖4(c)，石粉含量與抗沖磨強(qiáng)度的關(guān)系見圖4(d)。

表3 混凝土配合比參數(shù)及拌和物檢測成果

表4 硬化混凝土相關(guān)試驗(yàn)檢測成果

圖3 石粉含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 90 d齡期時(shí)石粉含量與劈拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗沖磨強(qiáng)度的關(guān)系

由表4硬化混凝土相關(guān)試驗(yàn)檢測成果及圖3、圖4(a)、圖4(b)分析結(jié)果可知，在混凝土配合比膠凝材料用量不變，坍落度、含氣量檢測結(jié)果基本相同的情況下，石粉含量約在10%以下時(shí)，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度隨石粉含量的增加而增加。石粉含量約在10%以上時(shí)，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度隨石粉含量的增加而降低，石粉含量與抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的關(guān)系基本相同。這說明了人工砂石粉含量在混凝土拌和物中存在一個(gè)合理的范圍，石粉含量低于此范圍，混凝土拌和物不密實(shí)，孔隙暫由水分填充，容易造成混凝土泌水、離析，硬化后，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生許多細(xì)小的孔隙，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度有所降低；石粉含量高于此范圍，混凝土變得黏稠，達(dá)到相同的坍落度就需要增加用水量，從而導(dǎo)致水膠比提高，降低混凝土強(qiáng)度，而且過高的石粉含量會(huì)對混凝土工作性能、收縮等產(chǎn)生不利影響，對混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制也極為不利[14]。

由表4硬化混凝土相關(guān)試驗(yàn)檢測成果及圖4(c)分析結(jié)果可知，石粉含量與極限拉伸值的關(guān)系也基本遵循石粉含量與強(qiáng)度的規(guī)律，石粉含量在10%左右時(shí)，90 d極限拉伸值達(dá)到了峰值，隨著石粉含量的減少或增加，90 d極限拉伸值均呈下降趨勢。

由表4硬化混凝土相關(guān)試驗(yàn)檢測成果及圖4(d)分析結(jié)果可知，石粉含量與抗沖磨強(qiáng)度的關(guān)系也基本遵循石粉含量與強(qiáng)度的規(guī)律，石粉含量在10%左右時(shí)，90 d抗沖磨強(qiáng)度達(dá)到了峰值，隨著石粉含量的減少或增加，90 d抗沖磨強(qiáng)度均呈下降趨勢。

相關(guān)資料研究表明，石粉含量的變化對抗凍、抗?jié)B性能影響較小[2]，因此，本次未進(jìn)行石粉含量對混凝土耐久性影響的研究。

4 人工砂最優(yōu)石粉含量探討

雙江口水電站1#砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的人工砂石粉含量在16%左右，雖然石粉含量偏大，但仍滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2015)中6%～18%的要求。施工單位前期混凝土配合比澆筑工藝性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，其中一個(gè)最主要的原因就是因石粉含量偏大造成的。因此，雙江口水電站所使用的人工砂石粉含量如果不加以控制，很難配制出滿足要求且各項(xiàng)性能較優(yōu)的抗沖耐磨混凝土。

試驗(yàn)結(jié)果表明，石粉含量過小，石粉不能和膠凝材料一起充分填充骨料之間的空隙，混凝土拌和物和易性差，容易產(chǎn)生離析、泌水等不良現(xiàn)象，對混凝土力學(xué)性能及耐久性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。石粉含量過大，混凝土骨料比表面積增大，會(huì)增加混凝土的單位用水量，從而增加膠凝材料用量，不利于混凝土的溫控防裂；另外，抗沖耐磨混凝土水膠比較低，膠凝材料用量較高，石粉含量過大會(huì)使混凝土拌和物變得很黏稠，不利于混凝土澆筑施工，且排氣困難，導(dǎo)致混凝土澆筑后外觀質(zhì)量差。因此，對于雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖耐磨混凝土來說，人工砂石粉含量存在一個(gè)最優(yōu)范圍。

通過上述試驗(yàn)可知，雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖磨混凝土所使用的人工砂最優(yōu)石粉含量在10%左右，但石粉含量在10%左右的人工砂加工起來比較困難，加工成本高，且不利于環(huán)境保護(hù)及資源節(jié)約。綜合上述各種因素考慮，本文推薦雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖磨混凝土人工砂石粉含量宜控制在11%～13%范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

通過對雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖耐磨混凝土所使用人工砂石粉含量的優(yōu)選試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)固定配合比，即保持水膠比、用水量、膠凝材料用量等參數(shù)不變的情況下，石粉含量每增減2%，坍落度約減增10 mm，含氣量減增約0.6%～0.9%。

(2)抗沖耐磨混凝土所用人工砂石粉含量控制在10%左右時(shí)，其同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗沖磨強(qiáng)度等性能指標(biāo)均能達(dá)到峰值，石粉含量減少或增加，混凝土上述相關(guān)性能指標(biāo)均呈下降趨勢。

(3)雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖磨混凝土所使用的人工砂最優(yōu)石粉含量在10%左右，綜合考慮各方面的因素，推薦人工砂石粉含量控制在11%～13%范圍內(nèi)是合適的。

(4)人工砂石粉含量在6%～18%范圍時(shí)，雖然在一定程度上能改善混凝土拌和物的和易性、抗分離性，亦可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B能力，但是不同種類的混凝土所使用的人工砂存在一個(gè)最優(yōu)的石粉含量范圍，只有石粉含量滿足此范圍要求，才能配制出各項(xiàng)性能優(yōu)良的混凝土。