人工砂中的石粉含量对抗冲磨混凝土性能的影响

张 岩，陈 云，胡志刚，陈雪松，翟红涛

(1.国能大渡河流域水电开发有限公司，成都 610094； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；3.长江设计集团有限公司 长江地球物理探测(武汉)有限公司，武汉 430010)

1 研究背景

人工砂中粒径<0.16 mm的颗粒称为石粉[1]，适量的石粉对混凝土是有益的。有研究表明[2-5]，适量的石粉含量，弥补了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷，石粉在混凝土中发挥微集料作用，改善混凝土的孔隙结构，提高混凝土的和易性和密实性。《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)中规定人工砂的石粉含量控制范围为6%～18%，控制范围相对较大[6]。为精准控制混凝土质量，提高人工砂混凝土的相关性能，有必要在规范规定的范围内，针对不同种类混凝土，研究提出更适宜的人工砂石粉含量控制范围。目前，国内对人工砂的石粉含量控制范围进行了一些研究，如朱海波等[7]研究提出大坝面板混凝土人工砂石粉含量控制在9%～15%范围内；李北星等[8]研究提出C30、C60、C80机制砂混凝土工作性能较佳的石粉含量分别在10%～15%、7%～10%、3%～5%范围；李兴贵[9]研究提出在工程建筑中应用高石粉含量人工砂来配制混凝土是可靠的，以石粉含量16%左右为较佳；蔡胜华等[10]研究认为大坝碾压混凝土用人工砂中的石粉含量控制在16%～18%较为适宜。由于研究的背景和方向、试验方法的不同，得出的结论也不尽相同，因此对石粉含量的最佳控制范围仍存在一定的争议，需要进一步的研究和论证。

双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康县、金川县境内，为大渡河干流上游控制性水电工程。水库正常蓄水位2 500 m，总库容28.9亿m3，具有年调节能力。电站装机容量2 000 MW，多年平均发电量约77.0亿kW·h。枢纽工程主要由最大坝高约315 m砾石土心墙堆石坝，右岸洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞，左岸竖井泄洪洞、地下引水发电系统等建筑物组成。双江口水电站工程泄水建筑物泄洪最大水头约240 m，最大泄洪流量约8 200 m3/s，泄水流速最高近50 m/s，具有“窄河谷、高水头、大泄量、高流速”的特点，对其抗冲耐磨混凝土性能和施工质量要求高，配合比试验难度大，对泄水建筑物所用的抗冲磨材料提出了更高的要求[11]。

前期施工单位开展了泄洪系统C9050抗冲耐磨混凝土配合比设计及试验，使用推荐混凝土配合比开展了现场混凝土浇筑工艺性试验，但因其施工性能较差，稠度大、不易排气，表面气孔、气泡较多等诸多问题而未能应用于工程。

本文将以双江口水电站泄洪系统工程C9050抗冲耐磨混凝土配合比设计及试验为基础，针对双江口水电站的原材料体系，开展人工砂中的石粉含量对抗冲耐磨混凝土性能的影响研究，提出抗冲耐磨混凝土人工砂最优石粉含量，以及经济适用的人工砂石粉含量控制范围。

2 原材料和试验方法

2.1 水 泥

试验采用的水泥为四川锦屏嘉华42.5低热硅酸盐水泥，其各项技术指标均满足相关规范技术要求。

2.2 掺合料

试验采用的粉煤灰为成都搏磊F类Ⅰ级粉煤灰，其各项技术指标均满足相关规范技术要求。

试验采用的硅粉为成都路达通微硅粉，其各项技术指标均满足相关规范技术要求。

2.3 外加剂

试验采用的减水剂为江苏博特PCA-I型缓凝型高性能减水剂，引气剂为江苏博特GYQ-Ⅰ引气剂，减水剂和引气剂各项技术指标均满足相关规范技术要求。

2.4 骨 料

试验所使用的粗、细骨料均为双江口水电站1#砂石骨料加工系统生产人工骨料，原岩为花岗岩。

细骨料为双江口水电站1#砂石骨料加工系统为试验研究特别生产的4批次人工砂，各项技术指标均满足相关规范要求。其颗粒级配检测结果见表1和图1。

图1 细骨料颗粒级配曲线

表1 细骨料颗粒级配检测结果

粗骨料分为20～40 mm中石和5～20 mm小石两种规格，除压碎指标值偏高为16.3%外，其它各项技术指标均满足相关规范要求。

双江口水电站工区洞挖料均为粗颗粒结晶花岗岩毛料，含有伟晶岩脉较多，云母含量较高，经过骨料系统加工后，类似针片状颗粒含量较多，且棱角锋利，易破碎，导致压碎指标值偏高。但花岗岩人工骨料也有其优点，用其拌和的混凝土的极限拉伸值较高，抗冲磨性仅次于玄武岩骨料混凝土，优于灰岩人工骨料混凝土[12]。

2.5 试验方法

混凝土室内拌和及成型试验、混凝土试件的养护、硬化后混凝土相关性能试验均按《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)中的相关规定进行。

3 混凝土相关性能试验

3.1 混凝土拌和物相关性能试验

当配合比相同时，人工砂岩性对混凝土坍落度的影响轻微[12]，本节不再研究，而是重点研究人工砂中石粉含量与坍落度和含气量的关系。

试验用配合比以泄洪系统C9050抗冲耐磨混凝土配合比为基准，并采用体积法计算。试验采用固定配合比，即保持水胶比、用水量、胶凝材料用量等参数不变，检测混凝土拌和物坍落度、含气量等参数。试验用混凝土配合比参数和拌和物检测结果见表2，石粉含量与坍落度的关系见图2(a)，石粉含量与含气量的关系见图2(b)。

表2 混凝土拌和物相关性能试验成果

图2 石粉含量与坍落度和含气量的关系

由表2的混凝土拌和物检测成果及图2(a)的分析结果可知，在相同混凝土配合比条件下，石粉含量越大，混凝土越黏稠，坍落度就越小。图2(a)显示:混凝土坍落度随石粉含量的增加而降低，石粉含量每增减约2%，坍落度约减增10 mm。根据混凝土配合比用水量调整规律，坍落度每增减10 mm，用水量约增减2 kg/m3。从而可知，当石粉含量每增减约2%，用水量约增减2 kg/m3[13]。

由表2的混凝土拌和物检测成果及图2(b)的分析结果可知，在相同混凝土配合比条件下，石粉含量越大，混凝土越黏稠，引气就越困难。混凝土拌和物含气量随石粉含量的增加而降低，石粉含量每增减约2%，含气量减增约0.6%～0.9%。因此，当人工砂石粉含量发生明显变化时，应随时调整引气剂掺量。

3.2 硬化混凝土相关性能试验

试验用配合比以泄洪系统C9050抗冲耐磨混凝土配合比为基准，设计坍落度为70～90 mm，设计含气量为3.5%～4.5%，并采用体积法计算。固定胶凝材料用量、砂率、减水剂掺量，调整用水量和引气剂掺量进行混凝土拌和。当坍落度、含气量满足设计要求，且测值基本一致时进行混凝土相关试件的成型，标准养护28 d和90 d后进行相关性能试验。

C9050抗冲耐磨混凝土配合比参数及拌和物检测成果见表3，硬化混凝土相关试验检测成果见表4，石粉含量与抗压强度的关系见图3，石粉含量与劈拉强度的关系见图4(a)，石粉含量与轴心抗拉强度的关系见图4(b)，石粉含量与极限拉伸值的关系见图4(c)，石粉含量与抗冲磨强度的关系见图4(d)。

表3 混凝土配合比参数及拌和物检测成果

表4 硬化混凝土相关试验检测成果

图3 石粉含量与抗压强度的关系

图4 90 d龄期时石粉含量与劈拉强度、轴心抗拉强度、极限拉伸值、抗冲磨强度的关系

由表4硬化混凝土相关试验检测成果及图3、图4(a)、图4(b)分析结果可知，在混凝土配合比胶凝材料用量不变，坍落度、含气量检测结果基本相同的情况下，石粉含量约在10%以下时，抗压强度、劈拉强度和轴心抗拉强度随石粉含量的增加而增加。石粉含量约在10%以上时，抗压强度、劈拉强度和轴心抗拉强度随石粉含量的增加而降低，石粉含量与抗压强度、劈拉强度和轴心抗拉强度的关系基本相同。这说明了人工砂石粉含量在混凝土拌和物中存在一个合理的范围，石粉含量低于此范围，混凝土拌和物不密实，孔隙暂由水分填充，容易造成混凝土泌水、离析，硬化后，混凝土内部产生许多细小的孔隙，导致混凝土强度有所降低；石粉含量高于此范围，混凝土变得黏稠，达到相同的坍落度就需要增加用水量，从而导致水胶比提高，降低混凝土强度，而且过高的石粉含量会对混凝土工作性能、收缩等产生不利影响，对混凝土生产质量控制也极为不利[14]。

由表4硬化混凝土相关试验检测成果及图4(c)分析结果可知，石粉含量与极限拉伸值的关系也基本遵循石粉含量与强度的规律，石粉含量在10%左右时，90 d极限拉伸值达到了峰值，随着石粉含量的减少或增加，90 d极限拉伸值均呈下降趋势。

由表4硬化混凝土相关试验检测成果及图4(d)分析结果可知，石粉含量与抗冲磨强度的关系也基本遵循石粉含量与强度的规律，石粉含量在10%左右时，90 d抗冲磨强度达到了峰值，随着石粉含量的减少或增加，90 d抗冲磨强度均呈下降趋势。

相关资料研究表明，石粉含量的变化对抗冻、抗渗性能影响较小[2]，因此，本次未进行石粉含量对混凝土耐久性影响的研究。

4 人工砂最优石粉含量探讨

双江口水电站1#砂石骨料加工系统生产的人工砂石粉含量在16%左右，虽然石粉含量偏大，但仍满足《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)中6%～18%的要求。施工单位前期混凝土配合比浇筑工艺性试验中发现的问题，其中一个最主要的原因就是因石粉含量偏大造成的。因此，双江口水电站所使用的人工砂石粉含量如果不加以控制，很难配制出满足要求且各项性能较优的抗冲耐磨混凝土。

试验结果表明，石粉含量过小，石粉不能和胶凝材料一起充分填充骨料之间的空隙，混凝土拌和物和易性差，容易产生离析、泌水等不良现象，对混凝土力学性能及耐久性产生一定的负面影响。石粉含量过大，混凝土骨料比表面积增大，会增加混凝土的单位用水量，从而增加胶凝材料用量，不利于混凝土的温控防裂；另外，抗冲耐磨混凝土水胶比较低，胶凝材料用量较高，石粉含量过大会使混凝土拌和物变得很黏稠，不利于混凝土浇筑施工，且排气困难，导致混凝土浇筑后外观质量差。因此，对于双江口水电站泄洪系统抗冲耐磨混凝土来说，人工砂石粉含量存在一个最优范围。

通过上述试验可知，双江口水电站泄洪系统抗冲磨混凝土所使用的人工砂最优石粉含量在10%左右，但石粉含量在10%左右的人工砂加工起来比较困难，加工成本高，且不利于环境保护及资源节约。综合上述各种因素考虑，本文推荐双江口水电站泄洪系统抗冲磨混凝土人工砂石粉含量宜控制在11%～13%范围内。

5 结 论

通过对双江口水电站泄洪系统抗冲耐磨混凝土所使用人工砂石粉含量的优选试验研究，得出如下结论：

(1)当固定配合比，即保持水胶比、用水量、胶凝材料用量等参数不变的情况下，石粉含量每增减2%，坍落度约减增10 mm，含气量减增约0.6%～0.9%。

(2)抗冲耐磨混凝土所用人工砂石粉含量控制在10%左右时，其同龄期混凝土抗压强度、劈拉强度、轴心抗拉强度、极限拉伸值、抗冲磨强度等性能指标均能达到峰值，石粉含量减少或增加，混凝土上述相关性能指标均呈下降趋势。

(3)双江口水电站泄洪系统抗冲磨混凝土所使用的人工砂最优石粉含量在10%左右，综合考虑各方面的因素，推荐人工砂石粉含量控制在11%～13%范围内是合适的。

(4)人工砂石粉含量在6%～18%范围时，虽然在一定程度上能改善混凝土拌和物的和易性、抗分离性，亦可提高混凝土的抗压强度和抗渗能力，但是不同种类的混凝土所使用的人工砂存在一个最优的石粉含量范围，只有石粉含量满足此范围要求，才能配制出各项性能优良的混凝土。