石臺抽水蓄能電站骨料物對混凝土性能的影響分析

李紅星 羅飛 賈海萍

摘要：為綜合選定安徽省石臺抽水蓄能電站的混凝土骨料，通過研究長石石英砂巖與灰?guī)r的礦物成分、物理力學性質(zhì)差異，對混凝土性能進行對比分析。結(jié)果表明：以長石石英砂巖與灰?guī)r為骨料的混凝土性能均能滿足大壩混凝土面板的技術(shù)要求，灰?guī)r化學成分與水泥發(fā)生反應(yīng)，其混凝土彈性模量、干縮性、抗凍和抗?jié)B性略優(yōu)于長石砂巖混料混凝土。以混凝土性能滿足防滲面板各項質(zhì)量技術(shù)指標為基礎(chǔ)，從質(zhì)量、經(jīng)濟、環(huán)保等多個指標綜合選擇長石石英砂巖作為混凝土骨料。

關(guān)鍵詞：骨料； 礦物成分； 力學性質(zhì)； 混凝土性能； 石臺抽水蓄能電站

中圖法分類號：TU528

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.020

文章編號：1006-0081（2023）S2-0076-04

0 引 言

骨料占整個混凝土體積和重量的80%～90%，是混凝土的重要組成部分，其主要作用是增加混凝土強度和保持穩(wěn)定性，骨料質(zhì)量決定了混凝土性能優(yōu)劣。抽水蓄能電站建筑物多，混凝土需求量大，其強度、抗?jié)B性等對骨料的要求也更高。骨料本身的物理力學特性，如礦物化學成分、吸水率、孔隙比、抗壓強度、彈模等指標，對混凝土抗壓強度、劈裂強度、彈性模量、極限拉伸值、抗凍和抗?jié)B性都有著重要的影響。通過試驗對比研究不同的骨料礦物及物理力學性質(zhì)對混凝土性能的影響，可以為料源選擇提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

安徽省石臺抽水蓄能電站位于安徽省池州市石臺縣境內(nèi)，由上水庫（壩）、輸水發(fā)電系統(tǒng)和下水庫（壩）等主要建筑物組成。上、下水庫平均落差 490 m、調(diào)節(jié)庫容900萬m3，距高比4.1，裝機120萬kW。上、下水庫大壩混凝土面板，引水發(fā)電系統(tǒng)上、下水庫進/出水口，輸水隧洞，地下廠房洞室，施工導流，施工支洞等結(jié)構(gòu)混凝土及噴混凝土工程量共計約118.56萬m3，原巖設(shè)計需要量約133.44萬m3，其中上水庫（壩）設(shè)計需要量45.16萬m3，下水庫（壩）、輸水發(fā)電系統(tǒng)地下廠房等建筑物設(shè)計需要量88.28萬m3。

上水庫庫盆及輸水發(fā)電系統(tǒng)主要為震旦系下統(tǒng)休寧組（Zax）中厚層、厚層長石石英砂巖，巖石強度較高，適宜作為混凝土骨料料源。下水庫壩址下游和徐村溝分布寒武系上統(tǒng)西陽山（∈3x）灰色-深灰色中厚層狀灰?guī)r。該地層灰?guī)r巖質(zhì)較純，強度高，適宜作為混凝土骨料料源。

長石石英砂巖分布于上庫盆和輸水發(fā)電系統(tǒng)，可以結(jié)合庫盆開挖取料，灰?guī)r分布于下水庫庫外，需要單獨征地開采。壩高大于100 m的面板堆石壩對面板混凝土性能要求較高，需要對兩種骨料開展對比試驗研究，并結(jié)合經(jīng)濟、環(huán)保等因素合理選擇［1］。

2 骨料物理力學性質(zhì)

2.1 礦物及化學成分

（1） 長石石英砂巖細砂狀結(jié)構(gòu)。塊狀構(gòu)造，石英含量45%～55%，斜長石含量15%，絹云母含量22%～33%，黑云母含量0～3%，綠泥石含量1%～2%，鐵質(zhì)含量2%～4%，硅質(zhì)玉髓含量0～3%（表1）。材料層的化學成分：SiO2含量60.32%～70.41%，Al2O3含量10.42%～18.43%，TFe2O3含量3.82%～5.67%，硫酸鹽及硫化物含量（SO3）0.012%～0.053%，燒失量為2.60%～3.28%（表2）。

（2） 灰?guī)r泥晶結(jié)構(gòu)。方解石含量90%～95%，石英含量2%～4%，不透明礦物含量1%～5%，白云母含量＜1%（表1）。材料層的化學成分為CaO含量45.25%～49.63%，MgO含量1.91%～4.46%，SiO2含量5.14%～7.13%，Na2O含量0.094%～0.120%，燒失量為38.32%～40.03%，硫化物含量（換算成SO3）含量0.032%～0.06%，硫酸鹽含量（換算成SO3）含量0.62 %～1.82%，含量大于0.5%，偏高（表2）。

（3） 長石石英砂巖礦物成分以石英為主、斜長石和絹云母次之，含少量黑云母、綠泥石和鐵質(zhì)，化學成分以SiO2為主，Al2O3次之。灰?guī)r礦物成分以方解石為主，含少量石英，化學成分以CaO為主，少量SiO2。長石石英砂巖屬酸性巖石，灰?guī)r屬堿性巖石。

骨料的種類不同，其所含的化學成分也不同，當與水泥等摻合料接觸后會發(fā)生化學反應(yīng)，對混凝土性能有較大影響。通過多個工程混凝土性能對比試驗發(fā)現(xiàn)，骨料為灰?guī)r時，混凝土28 d的抗壓抗拉強度比砂巖或天然砂礫石所制成的混凝土高5%～15%，這是因為灰?guī)r主要成分為碳酸鈣，表面碳酸鈣巖粉能與水泥發(fā)生化學反應(yīng)，其生成物水化碳鋁酸鈣等物質(zhì)能提高骨料與砂漿界面膠結(jié)強度，起到化學強化的作用［2］。

2.2 物理力學性質(zhì)

長石石英砂巖和灰?guī)r原巖各項物理力學指標均符合NB/T 10235-2019《水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》對混凝土骨料原巖的質(zhì)量技術(shù)要求。

（1） 長石石英砂巖。巖石顆粒密度為2.72～2.78 g/cm3，飽水率為0.13%～0.42%，飽和抗壓強度均值為65.28 MPa（48.3～82.9 MPa），軟化系數(shù)均值為0.82（0.71～0.91）。

（2） 灰?guī)r物理力學試驗成果。顆粒密度為2.72～2.75 g/cm3，吸水率為0.33%～0.40%，飽和抗壓強度均值為55.30 MPa（42.25～62.15 MPa），軟化系數(shù)為0.77（0.69～0.81）。

由試驗成果（表3、表4）可知，長石石英砂巖和灰?guī)r顆粒密度相當；長石石英砂巖吸水率和飽水率略低于灰?guī)r；長石石英砂巖飽和抗壓強度略高于灰?guī)r。

3 混凝土性能分析

3.1 抗壓強度與劈裂強度

隨著齡期的延長，采用長石石英砂巖或灰?guī)r作為骨料的面板混凝土抗壓強度和劈拉強度均持續(xù)增長。推薦混凝土配合比28 d齡期抗壓強度均可滿足相應(yīng)設(shè)計要求。從試驗結(jié)果看（表5），長石石英砂巖和灰?guī)r骨料混凝土抗壓強度與劈拉強度總體相當。

3.2 彈性模量和極限拉伸值

混凝土的彈性模量與極限拉伸值是關(guān)乎混凝土變形性能的主要考核指標，特別是極限拉伸值，能較直觀反映混凝土的變形能力，極限拉伸值越大，混凝土的抗裂性越好。影響混凝土彈性模量與極限拉伸變形的因素較多，主要有水泥品種、水膠比、摻和料、骨料級配及種類、齡期等。

從試驗結(jié)果可以看出（表5），推薦配合比面板混凝土的彈性模量和極限拉伸值隨著齡期的延長持續(xù)增長。長石石英砂巖面板混凝土90 d齡期極

限拉伸值119×10-6，軸拉強度4.22 MPa，彈性模量33.6 GPa?；?guī)r面板混凝土90 d齡期極限拉伸值122×10-6，軸拉強度4.30 MPa，彈性模量41.70 GPa。

混凝土同等強度等級下，長石石英砂巖骨料混凝土的彈性模量低于灰?guī)r骨料混凝土。

3.3 干 縮

混凝土在空氣中凝結(jié)硬化時，由于水分蒸發(fā)，水泥石膠凝體逐漸干燥收縮，混凝土產(chǎn)生收縮?；炷粮煽s變形使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起表面裂紋，進而降低混凝土抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕等性能。影響混凝土干縮的因素主要有水泥品種、摻和料、水膠比、骨料級配和用量、養(yǎng)護齡期與養(yǎng)護條件等。

試驗結(jié)果顯示28 d測試齡期內(nèi)（表6），混凝土干縮率增長較快，120 d齡期時，長石石英砂巖C35面板混凝土干縮率達到605×10-6，灰?guī)r骨料的C35面板混凝土干縮率達到357×10-6。同強度等級下的長石石英砂巖骨料配制的面板混凝土干縮率要遠高于灰?guī)r骨料配制的面板混凝土。

根據(jù)多個工程試驗對混凝土性能試驗的分析，骨料的含泥量及泥塊含量越少、級配越好、針片狀含量越少，混凝土的干縮越小。

3.4 抗凍和抗?jié)B性能

推薦配合比面板混凝土養(yǎng)護至28 d齡期，從混凝土凍融試驗結(jié)果來看（表7），經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，推薦配合比面板混凝土的質(zhì)量損失均小于0.5%，相對動彈模均不低于85%，抗?jié)B等級均達到W12。

4 差異分析

4.1 抗壓強度與劈裂強度

普通混凝土水灰比較大，水泥砂漿和骨料間的界面過渡區(qū)強度較低，存在較多的初始微裂隙。荷載作用下，這些微裂隙逐漸擴展至粗骨料和砂漿沿界面過渡區(qū)的裂縫，相互連通發(fā)生破壞。因此，骨料強度對普通混凝土的影響較小，而對于高強混凝土，其強度隨著粗骨料強度的增大而逐漸增大。

雖然長石石英砂巖抗壓強度高于灰?guī)r，灰?guī)r表面能與水泥發(fā)生化學反應(yīng)，生成物水化碳鋁酸鈣等物質(zhì)，使骨料與砂漿界面膠結(jié)強度提高［3］。但長石石英砂巖和灰?guī)r所制成的混凝土抗壓強度與劈拉強度差異不大。

4.2 彈性模量和極限拉伸值

混凝土彈性模量大小主要取決于骨料彈性模量及其體積分數(shù)，膠凝材料漿體彈性模量及其體積分數(shù)，骨料與膠凝材料漿體界面黏結(jié)強度等。試驗結(jié)果表明，長石石英砂巖彈模較高，但其作為骨料混凝土的彈性模量和極限拉伸值均低于灰?guī)r骨料混凝土，這也與灰?guī)r和膠凝材料之間的界面黏結(jié)強度較高有關(guān)。

4.3 干 縮

根據(jù)試驗成果，同強度等級下的長石石英砂巖骨料配制的面板混凝土干縮率要遠高于灰?guī)r骨料配制的面板混凝土。干燥收縮是混凝土開裂的主要原因之一，而骨料的技術(shù)性質(zhì)對混凝土干燥收縮的影響最為復雜。除骨料的體積含量、含砂率之外，骨料本身性質(zhì)對混凝土的干縮起到一定的約束作用，骨料的彈性模量大小決定其抑制干縮的程度。通常情況下，彈性模量較高的骨料配置混凝土干縮較低，灰?guī)r骨料彈性模量雖然低于長石石英砂巖，但其混凝土干縮值相對較小，因為長石石英砂巖骨料中含有一定量黏土礦物會使骨料對混凝土干縮的抑制作用減弱。

4.4 抗凍和抗?jié)B性能

混凝土的抗凍性是指混凝土達到設(shè)計強度后抵抗反復凍融的能力?；炷恋目?jié)B性是指混凝土抵抗壓力水滲透作用的性能。

混凝土構(gòu)成材料的性質(zhì)直接影響混凝土的抗凍性。粗細骨料占混凝土原材料的70%～93%，骨料質(zhì)量的好壞直接影響混凝土的抗凍性。除了骨料的強度外，骨料的吸水性對于混凝土的抗凍性也有影響。這主要是因為混凝土內(nèi)部骨料濕度和強度的變化，引起含針狀物巖石體積變化，導致已硬化的水泥砂漿和混凝土表面產(chǎn)生損壞。

由于骨料顆粒在混凝土中被水泥石包裹，因此，密實混凝土中對滲透性影響最大的是水泥石的滲透性，骨料本身的滲透性影響不大。但在混凝土凝結(jié)過程中骨料沉降形成的沉降孔和由于砂漿和骨料變形不一致或由于骨料表面水膜蒸發(fā)而形成的接觸孔往往是連通的，其直徑比毛細孔大，這是導致混凝土滲水的主要原因［4］。

混凝土的抗凍和抗?jié)B性能受骨料的吸水性影響較大，這與骨料黏土礦物含量、孔隙比等是主要因素。

本次試驗中灰?guī)r原巖吸水率雖然大于長石石英砂巖，但在規(guī)范要求范圍內(nèi)，巖石強度均大于40 MPa，二者抗凍和抗?jié)B性能均滿足設(shè)計要求，且灰?guī)r混凝土抗凍和抗?jié)B性能略優(yōu)于長石石英砂巖混凝土。

5 結(jié) 論

通過試驗研究分析混凝土骨料本身的礦物化學成分、吸水率、孔隙比、抗壓強度、彈模等指標對混凝土性能影響較大。長石石英砂巖與灰?guī)r作為骨料的混凝土性能均能滿足石臺抽水蓄能電站大壩混凝土面板的技術(shù)要求。雖然長石石英砂巖抗壓強度、彈模等高于灰?guī)r，但其礦物成分含有一定量黏土礦物，對混凝土性能有一定減弱作用，而灰?guī)r質(zhì)地較純，其化學成分與水泥發(fā)生反應(yīng)，利于骨料與膠凝材料漿體界面黏結(jié)強度的提高。通過混凝土性能對比，二者混凝土性能相當，灰?guī)r骨料混凝土略優(yōu)。石臺抽水蓄能電站混凝土骨料綜合考慮了質(zhì)量技術(shù)指標、經(jīng)濟性、減少征地、環(huán)保等因素，最終選擇將庫盆內(nèi)開挖的長石石英砂巖作為混凝土骨料。

不同巖性的骨料存在的問題不同，需要根據(jù)混凝土標號、水膠比、含砂率、級配等綜合分析選用；另外，不同強度等級的混凝土受骨料影響程度也不同，高強度混凝土中骨料的影響更加敏感，低標號混凝土中骨料影響相對惰性。在骨料選擇過程要充分了解設(shè)計意圖，大體積混凝土、防滲混凝土、抗凍混凝土等對骨料的要求各有側(cè)重，從混凝土的用途著手，遴選質(zhì)量、經(jīng)濟性等綜合指標較優(yōu)的骨料。

參考文獻：

［1］ 彭尚仕，楊夢卉.安徽石臺抽水蓄能電站混凝土料源比選及配合比試驗［R］.武漢：長江水利委員會長江科學院，2022.

［2］ 黃亞梅，王立華.灰?guī)r人工砂石粉對混凝土微觀結(jié)構(gòu)及力學性能影響［J］.人民長江，2017，48（6）：70-73.

［3］ 王新杰，徐巍，封金財.粗骨料對混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀［J］.低溫建筑技術(shù)，2015，37（1）：31-33.

［4］ 張營營，楊毅.補償收縮混凝土抗?jié)B性研究［J］.人民長江，2015，46（23）：73-76.