第二篇
砂石料质量控制与生产工艺

锦屏一级水电站大坝混凝土骨料料源选择

肖延亮 杨轶 李光伟

（中国水电顾问集团公司成都勘测设计研究院，四川 成都610072）

摘要：锦屏一级水电站的料源选择试验结果表明，三滩大理岩和九龙河口花岗岩的自身强度较低，采用这两种单一骨料配制混凝土的抗拉强度不能满足设计要求，两者都不能单独作为大坝混凝土骨料料源。采用砂岩骨料配制的混凝土力学性能满足设计要求，但砂岩骨料混凝土的绝热温升高、线膨胀系数高，且骨料存在潜在碱硅酸活性。采用组合骨料（砂岩粗骨料+大理岩细骨料）能够降低混凝土中的活性成分，其配制的混凝土性能满足设计要求，且抗裂性能较优，最终选择组合骨料作为锦屏一级水电站大坝混凝土的骨料方案。

关键词：锦屏一级水电站；大理岩；花岗岩；砂岩；组合骨料；料源选择

1 引言

在水工大体积混凝土中，骨料占混凝土的总体积达到60%～80%（质量为75%～90%），骨料对新拌和硬化混凝土的性能、经济性以及大坝的浇筑质量、坝体安全性都有显著的影响。所以在水利水电工程中，使用合适类型且质量优良的骨料是非常重要的[1-2]。锦屏一级水电站装机容量3600MW。大坝坝高305m，是世界上在建的最高混凝土双曲拱坝，大坝混凝土用量约595万m3。坝址附近的天然骨料储量远不能满足设计要求，大坝混凝土只能采用人工骨料，骨料料源选择对锦屏一级水电站的建设至关重要。

2 锦屏一级水电站大坝混凝土设计指标

设计对锦屏一级水电站大坝提出了详细的设计指标（见表1）。为了更好地进行骨料料源选择，我们对设计指标做一些简要的阐述。从设计指标看，不但要求大坝混凝土达到一定的抗压强度，还对混凝土的变形性能、自生体积变形性能、绝热温升、抗冻性能、抗渗性能都有较高的要求，从而保证大坝的安全性。

水工混凝土一般为素混凝土，结构所受的拉应力完全靠混凝土来承担。根据锦屏一级水电站结构模拟计算结果得知，锦屏一级水电站大坝最大拉应力可达到1.0MPa左右，由于混凝土为脆性材料，高拱坝混凝土抗压强度往往比较富裕，而抗拉强度是混凝土的薄弱环节，故混凝土的抗拉强度指标比抗压强度指标显得更加重要。

研究成果表明，当混凝土受到的拉应力不超过混凝土抗拉强度的30%时，混凝土的拉伸变形处于弹性范围，此时混凝土不会产生裂缝，当拉应力超过抗拉强度30%时，混凝土将开始产生裂缝，而裂缝的产生会加速混凝土的劣化，从而降低混凝土的耐久性[3]。保证大坝混凝土在受拉弹性范围内工作对大坝的长期安全十分重要，大坝混凝土的抗拉强度应该大于拱坝最高拉应力的3.0倍以上。根据锦屏一级大坝的应力水平模拟计算结果可知，强度等级C18040混凝土的抗拉强度不低于3.4MPa比较合适。

3 备选料源基本情况

预可研阶段，锦屏一级工程对三滩右岸、兰坝、大奔流沟3个主要料场进行了系统的原岩、骨料及混凝土试验，在可研阶段又增加了九龙河口的花岗岩料场的补充勘探及骨料的相关性能试验。4个料场的简要介绍见表2。

由于兰坝后期因补充勘探储量不足，不能作为锦屏一级水电站的人工骨料料源，在本论文中不作详细论述。

4 料源选择试验

4.1 原岩性能试验

按照《水工混凝土砂石骨料试验规程》（DL/T 5151—2001）要求，建筑材料用的岩石强度是指边长为50mm的立方体或直径与高均为50mm的圆柱体试件单轴抗压强度（以每组六个试件的抗压强度测值，除去最大和最小值，取其余四个测值的平均值作为试验结果），试验结果见表3。

我们常参考两个规范衡量对骨料原岩性能进行评价。其一，《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251—2000）（以下简称规范1），是水利水电工程采用的行业规范，其规定：“混凝土用人工骨料质量要求，岩石单轴饱和抗压强度应大于40MPa。”其二，《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ 53—92）（以下简称规范2）为建工规范，其规定：“岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5，且火成岩（玄武岩、花岗岩）强度不宜小于80MPa，变质岩（大理岩）岩石抗压强度大于60MPa，水成岩强度不宜低于30MPa。”

表3中可知，所有骨料的原岩饱和抗压强度均满足规范1的要求。三滩大理岩、大奔流沟花岗岩饱和抗压强度比规范2要求略低外，另外两种岩石的饱和抗压强度满足规范2的要求。两个规范对骨料原岩的评价产生了较大的差异，哪个规范更合理？我们通过进一步的混凝土性能试验进行评价。从原岩的劈拉强度看，砂岩的劈拉强度远高于花岗岩，花岗岩的劈拉强度略高于大理岩。

4.2 人工骨料基本性能

为了更好的评价骨料，需进行人工骨料品质检验，检验结果见表4。从表4可以看出，锦屏一级工程三滩大理岩骨料和九龙河口花岗岩骨料的压碎指标都很高，分别为20.4%和22.8%，远高于砂岩的压碎指标。同为大理岩骨料，兰坝的大理岩骨料与三滩大理岩骨料的性能差异很明显。

研究证明[6]，原岩的抗压强度与人工骨料的压碎指标有较好的相关关系（见图1），人工骨料的压碎指标越高，原岩的抗压强度越低。表3的人工骨料的压碎指标试验结果表明，三滩大理岩与九龙河口花岗岩人工骨料的强度比砂岩人工骨料低。

4.3 料源选择混凝土试验

采用规范1、规范2对骨料原岩性能结果进行评价，会对骨料的评价产生一定的差异。通过混凝土性能试验，能够对骨料性能做出比较准确的判断，为工程选择合适的骨料料源。锦屏一级水电站的料源选择经历了一个很漫长的过程，跨越了预可研阶段到可行性研究阶段，分别进行了大理岩、砂岩、花岗岩单一骨料混凝土性能试验，料源选择深化试验研究又进行了砂岩粗骨料 +大理岩细骨料的组合骨料混凝土性能试验。

4.3.1 单一骨料混凝土性能试验

对三滩大理岩、大奔流沟砂岩及九龙河口花岗岩的单一骨料进行了混凝土性能试验，试验结果见表5～表7。

从表5～表7的试验结果可知：

（1）采用全三滩大理岩或全花岗岩人工骨料配制的混凝土，抗压强度能够满足锦屏一级水电站的设计要求，但混凝土抗拉强度不满足设计要求，即使在水胶比较低的情况下亦是如此。从两种骨料原岩的劈拉强度和粗骨料的压碎指标结果表明，三滩大理岩和九龙河口花岗岩的抗拉强度较低，骨料的抗断裂能力差，从而限制了混凝土抗拉强度的提高。三滩大理岩混凝土与九龙河口花岗岩混凝土28d轴拉断面照片（图2与图3）可以证明，大理岩粗骨料、九龙河口花岗岩粗骨料在28d轴拉强度较低时均被拉断。根据热力学第二定理，裂缝总是选择能耗最小的路径前进。说明三滩大理岩、九龙河口花岗岩骨料的抗拉强度较低，骨料在混凝土中也是薄弱面之一，三滩大理岩、九龙河口花岗岩粗骨料在混凝土中不能有效地发挥骨架作用，因此三滩大理岩与九龙河口花岗岩均不能单独作为锦屏一级水电站的人工骨料料源。

（2）全砂岩骨料混凝土力学性能满足设计要求，且储量满足工程要求，可作为大坝混凝土的骨料料源。但砂岩骨料存在缺陷：砂岩混凝土的用水量比大理岩骨料混凝土高约8kg，绝热温升将比大理岩混凝土高；砂岩混凝土的自身体积变形收缩量较高，混凝土的线膨胀系数过高，对混凝土的温控防裂不利。更为严重的是砂岩骨料具有潜在碱硅酸活性，其对大坝长期安全性不利。

4.3.2 组合骨料方案与全砂岩方案选择试验

为减少大坝混凝土中活性骨料的含量，进行了料源选择深化性能试验，开展了砂岩粗骨料+大理岩细骨料（简称组合骨料）混凝土与全砂岩混凝土的对比试验，试验结果见表8～表9。

通过表7、表8对比试验结果，并结合表4的试验结果可知：

（1）组合骨料混凝土的用水量比全砂岩混凝土低8kg/m3，混凝土的绝热温升低0.4℃。由于砂岩细骨料棱角发育，比表面积更大，需要更多水泥浆体包裹，故全砂岩混凝土的用水量较高，而大理岩细骨料颗粒形态较好，因此组合骨料混凝土用水量较低。

（2）组合骨料混凝土的28d前强度比同水胶比全砂岩混凝土略高，180d抗压强度与全砂岩混凝土大致相当。Detwiler和Tennis发现石灰石粉在混凝土硬化过程中有加速水泥水化的作用[7]，这种作用在早期是显著的，而28d后往往被忽略不计。由于大理岩与石灰石的主要成分均为CaCO3，大理岩细骨料中微细颗粒可以起到加速水泥早期水化的作用。

（3）组合骨料混凝土的180d劈拉强度比同水胶比的全砂岩混凝土略低，但0.38水胶比为混凝土的180d劈拉强度达到3.51MPa，且可以满足锦屏一级水电站的设计要求。全砂岩混凝土（图4）与组合骨料混凝土（图5）的全级配混凝土90d劈拉断面照片显示，组合骨料混凝土断面上有一部分粗骨料被拉断，其断裂形式与全砂岩混凝土相似。骨料在加工过程中总是按照最薄弱环节破碎，随着骨料粒径的减小，骨料中的缺陷就逐渐减少[8]。当混凝土180d抗压强度大致相当时，组合骨料混凝土的180d劈拉强度、轴拉强度远高于全大理岩混凝土，主要由于组合骨料混凝土采用了强度较高的砂岩粗骨料作为混凝土骨架。

（4）当混凝土抗压强度大致相当时，组合骨料的180d弹性模量与全砂岩混凝土大致相当，而全大理岩骨料混凝土的弹性模量比全砂岩混凝土低得多。由于大理岩强度比砂岩强度低，再加上过程中大理岩粗骨料中产生的微裂隙几率比砂岩高，在受到相同应力作用下，大理岩混凝土体系的变形量比砂岩混凝土的，因此大理岩混凝土的弹性模量比砂岩混凝土低。由于随着骨料粒径的降低，骨料中的缺陷降低，使得组合骨料混凝土的弹性模量与全砂岩混凝土大致相当。

（5）组合骨料混凝土的线膨胀系数比砂岩混凝土低，可以从两点解释：其一，锦屏一级砂岩骨料的线膨胀系数在10×10-6/℃左右，而大理岩的线膨胀系数则为7×10/-6℃左右，大理岩骨料的线膨胀系数较砂岩低；组合骨料采用大理岩细骨料代替砂岩细骨料，降低了骨料体系的平均线膨胀系数；其二，组合骨料混凝土胶材用量低，且水泥石的线膨胀系数高于骨料[9]。

（6）组合骨料混凝土的压缩徐变比全砂岩混凝土小。主要与以下两方面有关：其一，组合骨料混凝土的抗压强度比全砂岩混凝土略高；其二，混凝土胶凝材料用量比全砂岩混凝土略低。

4.3.3 混凝土抗裂性能评价

从表7与表8的试验结果发现，采用混凝土的单一指标较难评价组合骨料混凝土与全砂岩混凝土孰优孰劣。本文采用如式（1）所示的抗裂指数Kz来评价混凝土的抗裂能力。表达式如下：

式中 εp——混凝土的极限拉伸值，10-6；

R——混凝土的抗拉强度，MPa；

C——混凝土的徐变，1/MPa；

G——混凝土的自生体积变形；

τr——混凝土的绝热温升值，℃；

α——混凝土的线膨胀系数，106/℃。

抗裂指数Kz考虑了混凝土的极限拉伸值、抗拉强度、徐变、线膨胀系数、自生体积变形等对混凝土抗裂性能的影响，可综合评价混凝土的抗裂能力，因而采用抗裂指数评价是比较科学的。Kz越大，混凝土的抗裂能力越强。从表8混凝土的抗裂指数计算结果可知，组合骨料的抗裂性能比全砂岩混凝土的抗裂能力高。

5 结语

本文通过锦屏一级水电站的骨料的论述，可以得出以下几点结论：

（1）采用三滩大理岩或九龙河口花岗岩单一骨料配制的混凝土抗拉强度较低，抗拉破坏断面大部分粗骨料被拉断，粗骨料不能有效承担骨架作用，不能单独作为锦屏一级水电站的骨料。

（2）砂岩骨料配制的混凝土力学性能较易达到设计要求，但砂岩骨料具有潜在碱-硅酸活性，混凝土的用水量高，绝热温升高，线膨胀系数高，自生体积变形收缩量大，热学性能较差。

（3）组合骨料混凝土的抗拉强度能够满足设计要求。与全砂岩混凝土相比，虽然组合骨料混凝土劈拉强度、极限拉伸值比全砂岩混凝土略低，组合骨料混凝土的用水量低，胶材用量低，使得混凝土的绝热温升低；组合骨料混凝土线膨胀系数比全砂岩混凝土低。综合评价，组合骨料的抗裂变形指数比砂岩混凝土高，其综合抗裂性能优于全砂岩混凝土。因此，锦屏一级水电站最终采用组合骨料作为大坝混凝土的人工骨料方案。

参考文献

[1] 蒋元駉．混凝土的砂石骨料 [M]．北京：水利电力出版社，1989.

[2] Steven.Kosmatka, Beatrix Kerkhoff, William C.Panarese．混凝土设计与控制 [M]．钱觉时，唐祖全，等，译．重庆：重庆大学出版社，2005.

[3] P．梅泰．混凝土的结构、性能与材料．祝永年，沈威，陈志源，译．上海：同济大学出版社，1991.

[4] SL 251—2000．水利水电工程天然建筑材料勘察规程 [S]．北京：中国水利水电出版社，2000.

[5] JGJ 53—92．普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法 [S]．北京：中国建筑工业出版社，1992.

[6] 李光伟．高拱坝混凝土人工骨料的选择//水工大坝混凝土材料和温度控制研究与进展．北京：中国水利水电出版社，2009.

[7] Detwiler, R.J.and Tennis, P, The use of limestone in Portland cement:a state of the art review, Skokie, IL:Portland Cement Association,1996.

[8] 肖延亮．关于高拱坝混凝土人工骨料原岩强度问题的讨论 [J]．水力发电，2007（7）:94-96.

[9] 方坤河．碾压混凝土材料、结构与性能 [M]．武汉：武汉大学出版社，2004.