锦屏二级水电站大理岩人工砂石粉含量限值研究

李新宇 周垂一

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州310014）

摘要：锦屏二级水电站大理岩人工砂石粉含量高于规范上限值，但其石粉中小于45μm的颗粒含量较高，化学成分与工程常用的石灰石粉接近，严格按规范限值控制石粉含量将丢弃大量石粉，有必要合理提高石粉含量限值。不同石粉含量混凝土性能试验结果表明，大理岩人工砂中的石粉含量在15%～30%范围变化时，石粉含量变化对混凝土性能影响较小。根据大理岩人工砂生产实际情况，综合考虑质量控制与验收要求，确定大理岩人工砂中的石粉含量按12%～25%控制。

关键词：水工混凝土；人工砂；石粉；大理岩；锦屏二级水电站

雅砻江锦屏二级水电站混凝土骨料采用引水隧洞大理岩开挖料轧制，因引水隧洞埋深高，母岩受高应力作用，经开挖卸荷后，岩石晶粒出现膨胀性碎裂，且大多为穿晶破坏，加之大理岩自身性脆，造成现场制砂成粉率高达30%～40%，有时甚至达到50%，石粉含量远超过《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）中规定的限值18%。为了降低人工砂中的石粉含量，承包商采取了调整制砂机线速、在中碎与制砂之间增加细碎车间、调整风选设备运行参数、增加阶梯风选、增加粗碎车间、对毛料进行脱水处理等一系列措施，但石粉最大含量仍会达到28.9%。如严格按照规范规定的限值控制大理岩人工砂中的石粉含量，不仅需要丢弃大量的石粉、降低成品砂的获得率，而且会提高单方成品人工砂的能耗和生产成本。因此，根据工程实际情况提高大理岩人工砂中石粉含量的最高限值，对减少甚至避免石粉弃用、降低生产成本，保证人工砂的供应具有重要意义。

1 人工砂石粉对混凝土性能的影响

目前我国的水电工程主要集中在河流的上中游地区，天然骨料匮乏，大量使用人工骨料。人工砂为岩石机械破碎而成，生产过程中不可避免产生一定数量的石粉，这也是人工砂与天然砂最主要的区别之一。天然砂中粒径小于75μm的颗粒主要是泥，对混凝土的工作性、体积稳定性和耐久性都存在不利影响，而人工砂生产过程中产生的石粉则与母岩的矿物组成一样，只是粒径发生了本质改变，其对混凝土性能的影响规律与天然砂中的泥则完全不同。大量研究表明，石粉在混凝土中所起作用与石粉的细度和岩性等因素密切相关。

1.1 不同细度石粉对混凝土性能的影响

早期的研究多直接采用人工砂生产过程中得到的粒径颗粒小于80μm或0.16mm的石粉，石粉中粒径小于45μm的颗粒较少，石粉细度较粗，研究结果多认为石粉属于惰性材料，主要起改善骨料级配，填充砂子与水泥之间的空隙。相应地，研究得到的人工砂中最优石粉含量也较低，以应用于水工混凝土或碾压混凝土的人工砂为例，推荐的最优石粉含量（＜0.16mm）多在15%左右，但此时人工砂中粒径小于80μm的石粉含量可能只有5%左右，石粉含量超过最优含量后，配制的混凝土性能显著下降[1]。且随着石粉含量增加，混凝土干缩增加。

当石粉粒径小于45μm时，石粉的活性可以较明显地表现出来，石粉粒径越小，其活性越高。刘数华等人曾采用粒径主要在5μm以下的石灰石粉研究石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构的影响，结果表明，比水泥颗粒更细的石灰石粉，能够很好地填充水泥浆体中的孔隙，改善浆体的颗粒级配，使浆体更为密实；当砂浆含有石灰石粉时，由于石灰石粉具有填充效应，能有效改善砂浆的孔结构，降低孔隙率[2]。此时，由于用水量降低，砂浆中掺入一定量的石灰石粉替代水泥对砂浆早龄期的干缩影响较小，且随龄期增加，石灰石粉有减小砂浆干缩的作用，石灰石粉掺量越高，砂浆的干缩越小[3]。张大康进行的高细石灰石粉用作水泥混合材的试验研究结果表明，含有大量10μm以下颗粒的高细石灰石粉，掺入水泥后可以明显改善水泥的颗粒群分布，减小水泥颗粒堆积空隙率，从而提高水泥的早期强度、减小水泥的标准稠度用水量[4]。李新宇等人开展的多元胶凝粉体研究结果表明，采用比表面积1000m2/kg左右的石灰石粉作为掺合料的一部分，可以降低混凝土单位用水量和水泥用量，降低同强度混凝土绝热温升，同时减小水化产物中的片状Ca（OH）2含量，使水化产物结构更加致密[5]。

由此可见，石粉在混凝土中所起的作用与其细度密切相关。当石粉颗粒细到一定程度时，可以有效改善以水泥为主的胶凝材料的颗粒级配，降低混凝土单位用水量，并填充水泥浆体中的孔隙，使水泥浆体更致密，从而改善混凝土性能。部分岩石用于轧制人工砂时石粉含量较高，其中含有大量粒径小于45μm的颗粒，如锦屏二级水电站大理岩人工砂，最高石粉含量超过25%，但其石粉中小于45μm的颗粒含量大于80%，此时如严格按照规范要求限制大理岩人工砂中的石粉含量，将会造成大量微细石粉浪费。

1.2 不同岩性石粉对混凝土性能的影响

不同岩性母岩轧制的人工砂中石粉含量存在较大差异，如玄武岩制砂得到的人工砂中石粉含量就较低，而性脆的辉绿岩、强度较低的片麻岩和大理岩等制砂得到的人工砂中石粉含量就较高，大多在20%以上；且不同岩性石粉的自身性能也存在较大差异。

百色水利枢纽工程采用的辉绿岩轧制人工砂，因辉绿岩母岩硬度高、性脆，加工出的人工砂中石粉含量较高，且其中含有大量的粒径在几微米的颗粒，原始干燥状态下筛得的辉绿岩石粉由于受表面分子作用力（范德华力）或静电作用力（如制砂过程中产生的电荷）的影响，颗粒间相互吸附粘结；经水润湿后筛得的辉绿岩人工砂石粉，在水和外部机械力作用下，颗粒间产生的分子粘结力、毛细管粘结力和内摩擦力，使石粉微粒粘结成球粒，经水浸泡后静置干燥，可以结成具有相当强度的硬块，与硅粉加水静置干燥后的状态类似。而工程中常用的花岗岩石粉和石灰石粉加水后静置干燥后虽能保持结块状态，但一触即散。与此同时，因辉绿岩母岩中含有一定量的绿泥石、黝帘石等蚀变物，母岩中K2O、Na2O含量较高，石粉与水接触后易溶出可加速水泥早期水化进程的Na+，辉绿岩石粉需水量比高达107%，与常见石灰石粉的需水量比小于100%存在本质区别；且该石粉使净浆的凝结时间大大缩短[6,7]。

苗尾水电站片麻岩石粉，因母岩中的云母含量高达35%左右，导致石粉中的云母含量达到40%，且石粉中粒径小于0.08mm的颗粒占石粉质量的55.9%，粒径小于45μm的颗粒占石粉质量的31.2%，采用片麻岩人工砂配制混凝土时，人工砂中石粉含量从6%增加到18%时，混凝土单位用水量随石粉含量增加而增加，混凝土拌和物性能则逐渐变差，与其他工程常用的石粉对混凝土单位用水量和拌和物性能的影响规律存在较大差异[8]。

锦屏二级水电站大理岩是一种碳酸盐变质岩，主要由方解石组成，其化学组成与工程中常用的石灰石粉相近，需水量比96%，接近Ⅰ级粉煤灰，石粉中部分粒径较小的微细颗粒可当掺合料使用。为此，可适当提高人工砂中的石粉含量限值。

2 国内外相关规范人工砂石粉含量限值规定

我国应用人工砂的历史相对较短，但经过近年的研究和工程实践，国内工程界对人工砂中石粉的作用认识也有了较大的变化，对人工砂中的石粉含量限值也在逐步提高。表1列出了国内相关规范人工砂石粉含量限值规定，结果显示人工砂中的石粉含量限值逐年增加。

水电行业是我国应用人工砂的先行者，早在1982年，编制的《水工混凝土施工规范》（SDJ 207—1982）就引入了人工砂，其中规定的人工砂石粉（≤0.16mm的颗粒）上限值为12%。尔后的工程实践和研究成果表明，适当提高人工砂中的石粉含量，不仅可以改善混凝土和易性、抗分离性，还可以提高混凝土抗压强度和抗渗能力，同时还可以降低人工砂生产成本。为此，在新出版的《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）中则将人工砂石粉含量上限值提高到18%。

水工碾压混凝土因单位胶凝材料用量较低，适当提高人工砂中的石粉含量，能提高混凝土中细颗粒总的含量，有效改善砂浆和混凝土的和易性、保水性，提高新拌混凝土的均匀性和硬化混凝土性能。工程实践和试验证明，合理控制人工砂石粉含量时提高碾压混凝土质量的重要措施之一。为此，水工碾压混凝土施工规范中一般允许较高的人工砂石粉含量限值，如最早实施的《水工碾压混凝土施工暂行规定》（SDJS 14—86）中规定人工砂中石粉含量宜控制在15%以内；《水工碾压混凝土施工规范》（SL 53—94）中的人工砂中石粉上限值则提高至17%; 《水工碾压混凝土施工规范》（DL/T 5112—2000）中的人工砂中石粉上限值则提高至22%；最新修订的《水工碾压混凝土施工规范》（DL/T 5112—2009）中除规定人工砂含量石粉上限值22%外，还增加了“D≤0.08mm的微粒含量不宜小于5%”的规定。

国家标准《建筑用砂》（GB/T 14684—1993）中尚未纳入人工砂的概念，《建筑用砂》（GB/T 14684—2001）中首次列入人工砂，对人工砂中石粉含量基本上按混凝土强度等级规定，其中对于强度等级大于C60的混凝土，人工砂中石粉含量＜3%；强度等级C30～C60及有抗冻、抗渗或其他要求的混凝土，石粉含量＜5%；强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆，石粉含量＜7%，但根据使用地区和用途，在试验论证的基础上，允许供需双方协商确定。在最新版《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）中则将人工砂中的石粉含量放宽至10%。表2列出了部分国家标准对人工砂石粉含量最高限值的情况[9]。

对比国内外人工中砂石粉含量最高限值发现，我国的人工砂石粉含量限值相对较低，有提高的余地。与此同时，DL/T 5144—2001和DL/T 5112—2009中定义的人工砂石粉是指粒径小于0.16mm的颗粒，而GB 14684—2011中定义的人工砂石粉则是指粒径小于80μm的颗粒，通常情况下，小于0.16mm的颗粒中小于80μm的颗粒可占到50%～80%，由此可见，DL/T 5144—2001和DL/T 5112—2009中的人工砂中石粉含量限值还有提高的余地，具体提高到什么程度需结合工程实际情况根据混凝土试验确定。

3 大理岩人工砂石粉含量限值研究

根据锦屏二级水电站大理岩人工砂石粉含量较高的现实情况，为论证提高人工砂石粉含量上限值的可行性，锦屏水电工程东端中心试验室曾开展不同石粉含量人工砂混凝土性能对比试验，主要研究石粉含量分别为15%、20%、25%、30%的人工砂对混凝土拌和物性能、物理力学性能和耐久性的影响，混凝土试验以C30W8F100二级配泵送混凝土为基准，此时试验未掺加粉煤灰等掺合料。混凝土配合比主要参数和混凝土强度试验成果见表3。

试验结果显示，人工砂中石粉含量在15%～30%的范围内变化时，混凝土抗渗等级和抗冻等级均能满足设计要求，混凝土抗压强度和劈拉强度变化较小，通过适当调整配合比，应能配制出满足设计要求强度的混凝土。但由于试验采用的二级配泵送混凝土配合比砂率为49%，较通常采用的砂率高；混凝土单方用水量为170～180kg，高于通常采用的130～140kg的用水量，混凝土水泥用量分别为354～375kg，这些因素可能掩盖了石粉含量变化带来的影响。

为此，混凝土浇筑前重新开展了不同石粉含量人工砂混凝土性能试验，试验以C25W8F100二级配泵送混凝土为基准，试验采用P.O42.5水泥，掺加25%粉煤灰，水胶比0.46，混凝土配合比主要参数和混凝土强度试验成果见表4。

表4试验结果显示，大理岩人工砂中石粉含量在15.6%～30.4%范围变化时，混凝土单位用水量不变，仅对砂率进行微调，混凝土拌和物和易性无明显差异，坍落度和扩散度可以满足现场的施工要求；石粉含量变化对混凝土抗压强度和劈拉强度影响较小。

由此可见，对于锦屏二级水电站大理岩人工砂而言，将石粉含量上限值提高至25%～30%对混凝土性能的影响较小。根据锦屏二级水电站大理岩人工砂生产的实际情况，综合考虑质量控制与验收，最终确定大理岩人工砂中的石粉含量按12%～25%控制，合格率≥85%。

此外，目前人工砂混凝土的配合比设计方法基本上沿袭天然砂混凝土配合比设计方法，石粉基本上按照人工砂的组成部分对待。石粉含量较低时，石粉中的细颗粒（粒径小于45μm的颗粒）含量较低，对混凝土配合比可忽略；但石粉含量较高时，石粉中的细颗粒含量较高，此时能否忽略石粉含量，特别是其中的微细颗粒对混凝土配合比的影响就值得进一步商榷。田育功等人在百色水电站辉绿岩人工砂碾压混凝土配合比设计中，将人工砂中超出20%含量部分的石粉等量替代粉煤灰，即将石粉中的部分细颗粒含量视作胶凝材料的一部分，起到了较好的效果，既改善了碾压混凝土的工作性，又保证了碾压混凝土各种性能指标满足设计和施工要求[7]，值得高石粉含量大理岩人工砂混凝土配合比设计借鉴。

4 结论与建议

（1）锦屏二级水电站采用引水隧洞大理岩开挖料加工的人工砂中石粉含量偏高，采取措施后的石粉最高含量达到28.9%，超出DL/T 5144—2001规定的人工砂石粉含量上限值18%。

（2）大理岩石粉中小于80μm的颗粒约占石粉总量的80%，且其化学成分与工程常用的石灰石粉接近，根据已有类似研究成果推断大理岩石粉不仅可作为人工砂的一部分，还可以部分替代掺合料。

（3）不同石粉含量的大理岩人工砂混凝土性能试验结果表明，大理岩人工砂中石粉含量在15.6%～30.4%范围变化时，石粉含量变化对混凝土拌和物性能、抗压强度和劈拉强度等影响较小，可适当提高大理岩人工砂中的石粉含量限值。

（4）根据大理岩人工砂生产实际情况，综合考虑质量控制与验收要求，最终确定大理岩人工砂中的石粉含量按12%～25%控制。

建议其他工程人工砂中石粉含量超出标准范围时，通过混凝土试验确定合理的石粉含量限值。同时建议开展高石粉含量人工砂混凝土配合比设计方法。

参考文献

[1] 李兴贵．高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究 [J]．建筑材料学报，2004,7（1）:66-71.

[2] 刘数华，阎培渝．石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构的影响 [J]．硅酸盐学报，2008,36（1）:69-72.

[3] 刘数华，冷发光，李丽华．混凝土辅助胶凝材料 [M]．北京：中国建材工业出版社，2010.

[4] 张大康．高细石灰石粉用作水泥混合材的试验研究结果 [J]．水泥，2005（7）:7-11.

[5] LI Xinyu, CHEN Wenyao, CHEN Weimin.Multi-Powder Dam Concrete with High Performance and Low Adiabatic Temperature Rise [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2009（12）:727-733.

[6] 杨松玲，田育功，林洁．辉绿岩人工砂石粉的研究与利用 [J]．人民长江，2007（1）:113-116.

[7] 程国银，田育功．辉绿岩砂石粉在百色RCC中的研究应用 [A]//水力发电2004论文集 [C]. 2004.5，湖北宜昌，69-76.

[8] 李新宇，任金明，陈永红．高云母含量石粉混凝土性能试验研究 [J]．水力发电学报，2012（8）:211-215.

[9] 中国砂石协会．《建筑用砂》、《建筑用卵石、碎石》国家标准宣贯教材 [M]．北京：中国标准出版社，2001.