大理巖人工骨料在水電工程中的應用實踐

李太成

(中國水電工程顧問集團公司，北京 100120)

1 前 言

大理巖用作水電工程混凝土的人工骨料料源尚沒有先例。錦屏水電站在國內水電工程中首次采用大理巖加工人工骨料，作為主體工程混凝土骨料，并在高拱壩及泄洪建筑物抗沖磨混凝土中創新性地采用了砂巖粗骨料、大理巖細骨料的組合骨料方案。錦屏水電站的經驗表明，大理巖人工骨料應用于水電工程是可行的。通過錦屏水電站的應用實踐，在充分認識大理巖的巖性特征及其加工性能，選擇高拱壩高性能混凝土組合骨料方案，在大理巖TBM開挖料利用、大理巖石粉綜合利用等方面取得了一些有價值的成果。本文對此進行了系統的總結，可為水電工程混凝土骨料料源選擇、砂石系統設計、砂石骨料質量控制、大理巖石粉綜合利用、TBM開挖料利用、混凝土膠凝材料體系選擇和配合比設計等提供參考。

2 錦屏水電站概況

錦屏水電站包括錦屏一級和錦屏二級水電站，二者作為一組電源同期進行開發建設，總裝機840萬kW，是雅礱江梯級開發的骨干電站和我國西電東送的主要電源點之一。二者已分別于2005年11月12日和2007年1月30日正式開工，目前均處于主體工程施工關鍵階段。

錦屏一級水電站雙曲拱壩壩高305m，為世界同類壩型中第一高壩。電站裝機360萬kW，樞紐工程由混凝土拱壩、水墊塘及二道壩、泄洪洞、引水發電系統等組成。錦屏二級水電站系利用雅礱江大河灣裁彎取直引水發電，電站裝機480萬kW，樞紐工程由首部攔河閘壩、引水系統、尾部地下廠房等組成。錦屏二級水電站穿越錦屏山的7條隧洞構成了世界上最大規模的水工隧洞群，其中4條引水隧洞單洞長16.67km，開挖洞徑12.4～13.0m，襯砌內徑11.2～11.8m。

錦屏一級水電站主體工程混凝土總量約761萬m3，需混凝土成品骨料總量約1828萬t，其中大壩混凝土工程量約540萬m3，需粗、細骨料分別為910萬t、390萬t。錦屏二級水電站主體工程混凝土總量418.7萬m3，需成品粗、細骨料約921萬t。

錦屏一級水電站大壩混凝土采用砂巖粗骨料、大理巖細骨料的組合骨料方案，水墊塘、二道壩及泄洪洞抗沖磨混凝土采用全砂巖骨料，其他主體建筑物混凝土均采用全大理巖骨料。錦屏二級水電站主體建筑物除泄洪閘抗沖磨混凝土采用組合骨料和全砂巖骨料外，其他均采用全大理巖骨料。

錦屏水電站大理巖骨料采用了兩種料源，一是錦屏二級引水隧洞和地下廠房系統大理巖洞挖料，在模薩溝砂石系統加工，用于錦屏二級東端引水隧洞、地下廠房系統混凝土骨料;二是三灘石料場大理巖，在三灘砂石系統加工，用于錦屏一級和錦屏二級拉河閘壩、進水口和西端引水隧洞所需的大理巖骨料。錦屏水電站所需砂巖骨料均取自大奔流溝砂巖料場。

3 錦屏水電站大理巖骨料料源概況

錦屏二級水電站地下洞室揭露了鹽塘組大理巖(T2y4、T2y5，T2y6)、白山組大理巖(T2b)、雜谷腦組大理巖(T2z)等巖性開挖料，可作為混凝土骨料來源的主要有 T2y4、T2y5、T2b、T2z 四種巖性，巖石單軸飽和抗壓強度大于50MPa。鹽塘組大理巖由灰白色、灰綠色條帶狀云母大理巖、灰～灰黑色大理巖、灰白～白色粗晶大理巖、灰～灰黑色泥質灰巖夾深灰色大理巖等組成。白山組大理巖由雜色大理巖與結晶灰巖互層、灰～灰白色致密厚層塊狀臭大理巖等組成。錦屏二級水電站引水隧洞一般埋深為1500～2000m，最大埋深2525m，地下水位較高。

三灘石料場的巖性主要為三疊系雜谷腦組第二段7～8層灰色中細晶大理巖夾白色中細晶大理巖條帶，飽和抗壓強度試驗平均值68.0MPa。

4 錦屏大理巖加工性能

從錦屏水電站前期料源方案選擇研究到施工階段砂石系統加工的大量數據表明，大理巖的加工性能較差，存在一些不易克服的頑癥，主要體現在成品砂顆粒級配不連續，中間級配顆粒0.63～2.5mm偏低;砂子石粉含量超標，細度模數波動較大，且細度模數與石粉含量有一定相關性，石粉含量大的砂子細度模數相對較小，砂子石粉含量小的細度模數相對較大。雖經采取技術措施將石粉含量降低，但細度模數難以同時滿足要求。無論是取自三灘料場的石料還是地下工程的洞挖料均存在這一問題。大理巖粗骨料則存在裹粉及遜徑含量超標現象突出、中徑篩篩余量合格率較低的問題。

總結錦屏大理巖砂石系統幾年來的生產和改進實踐，大理巖加工性能較差和大理巖原巖本身特性、巖性組成、開采方式、毛料含水率及加工工藝均有關系。

大理巖磨蝕能力和抗撞擊能力較差，巖性不耐磨，而且易碎，導致原巖開挖后的毛料(渣料)中普遍存在大量石屑石粉，且大粒徑石料裹粉較嚴重，這也是造成大理巖加工性能不佳的主要原因之一。

錦屏大理巖巖性變異較大，即使是同一種巖性，其物理性質、化學成分、礦物組成及晶體結構有很大變化，在加工性能上也有較大差別。在錦屏二級地下洞室中揭露的鹽塘組大理巖(T2y)、白山組大理巖(T2b)、雜谷腦組大理巖(T2z)等巖性開挖料中，鹽塘組大理巖制砂石粉含量相對較低。三灘料場大理巖制砂試驗表明，白色、灰白中晶、粗晶大理巖制砂石粉含量要高些，顏色深的大理巖則相對要好。

大理巖毛料(渣料)含粉量高和原巖開采方式有一定關系。根據2008年9月同期的檢測結果，錦屏二級隧洞采用鉆爆法開挖渣料的平均含粉量為45.6%，施工排水洞采用TBM開挖渣料的平均含粉量為47.5%，而三灘大理巖料場采用控制爆破開采的毛料含粉量相對較低。砂石系統的加工試驗也表明，較大粒徑的大理巖制砂石粉含量較低，TBM開挖渣料塊徑小，其石粉含量也相應高一些。

錦屏大理巖加工均采用干法生產，用風選法剔除多余石粉。采用干法生產砂石料的工藝受毛料含水率的影響較大，來料含水率高，其裹粉就重，選粉機選粉的效果就差，成品砂的石粉含量就大;來料含水率低，其裹粉就少，成品砂的石粉含量就小。遇到大雨、暴雨季節石粉含量波動較大。如能有效地控制來料的含水率，控制好來料裹粉的情況，就能較好地控制成品砂中的石粉含量。

錦屏三灘和模薩溝兩個大理巖砂石系統分別自2007年11月和2008年7月投產以來，針對大理巖制砂存在的問題，建設單位組織了多次專家咨詢，砂石生產單位也采取了大量的措施改進系統和工藝。

三灘砂石系統采取的主要措施為:

(1)通過爆破試驗選取最優爆破設計，現場嚴格控制造孔間、排距，對于不同巖層、不同巖性更改爆破參數，盡量控制毛料破碎率，減小成粉率。

(2)增設第四臺選粉機，通過四臺選粉機聯動，回收了棄料中0.16～0.315mm顆粒，相應降低了人工砂石粉含量。

(3)保證破碎設備的最優工作效率，滿料破碎減小各破碎成粉率。增加利用率，避免循環破碎，盡量減少閉合生產，制砂同時生產粗骨料。控制選粉機供風量，減少有用料的棄除。

(4)增設皮帶秤，安裝水流量儀及產量控制數顯儀，對生產成品砂流量進行監控。通過用水量的控制保證砂料顆粒的均勻性，通過數顯儀保證產量的穩定性。

模薩溝砂石系統采取的主要措施為:

(1)使用鉆爆法開挖毛料，TBM開挖料作為廢料，減少料源中的石粉含量;

(2)將毛料及初碎后半成品料中含粉量較高的20mm以下顆粒棄掉;

(3)增加可容納3萬t粗碎半成品的料倉，調節堆存半成品料，降低半成品表面含水及裹粉;

(4)調節砂石廠半成品料倉堆料方式，再次降低半成品料源表面含水及裹粉;

(5)對反擊破開口進行調整，調節骨料級配、成砂率及石粉含量;

(6)增加毛料處理系統，采用一臺美卓圓錐式破碎機，對40mm以上骨料進行再次破碎，降低制砂機故障率;

(7)對風選機風門及分料盤轉速進行分檔試驗，得出不同料源含水的最佳機械參數;

(8)將風選機調節電機更換為變頻電機，降低設備故障率。

通過采取上述措施，三灘砂石系統制砂石粉含量已得到較好控制，成品砂的品質有所改善，質量波動有所降低。模薩溝砂石系統由于料源巖石性狀變化較大，同時受到渣料含水、雨季和渣料轉運等因素影響，仍未有效解決上述大理巖制砂存在的根本問題。砂石生產單位最近一年(2009年9月26日至2010年9月25日)的質量檢測數據也說明了這一點，具體檢測數據見表1和表2。

表1 三灘砂石系統人工砂檢測情況統計

表2 模薩溝砂石系統人工砂檢測情況統計

5 錦屏水電站混凝土性能質量

錦屏一級水電站大壩為國內外已建、在建和設計中的最高拱壩，對混凝土抗壓強度、抗拉強度、抗滲、抗凍及抗裂性能等均有較高要求，這些性能成為混凝土骨料料源選擇的控制因素。在可研階段初選采用全砂巖骨料，以大奔流溝砂巖料場作為料源。由于砂巖骨料存在潛在的堿骨料反應，且砂巖混凝土線膨脹系數、干縮值較大，對拱壩大體積混凝土質量不利，為了保證工程的長期運行安全、減小變質砂巖骨料混凝土的堿硅酸反應活性膨脹率、改善混凝土的綜合性能，設計單位開展了以變質砂巖為粗骨料、大理巖為細骨料的組合骨料方案試驗研究。試驗表明，隨著大理巖人工砂的含量增加，砂漿棒快速法檢驗的堿活性膨脹減小趨勢非常明顯。采用砂巖粗骨料、大理巖細骨料的組合骨料和全砂巖骨料的混凝土性能均能滿足設計提出的大壩混凝土技術要求。組合骨料與全砂巖骨料比較，采用組合骨料的混凝土用水量比全砂巖骨料低8～9kg/m3，膠凝材料少15～21kg/m3，混凝土和易性有改善;在相同水膠比條件下，組合骨料的混凝土抗壓強度比全砂巖骨料略高，且強灰比高，180d彈性模量略高，極限拉伸值略低，耐久性能略低，混凝土熱學性能指標線膨脹系數以及干縮率明顯降低，說明組合骨料混凝土的抗裂性能略優。

上述試驗表明，組合骨料方案有利于抑制骨料的堿硅酸鹽活性反應和混凝土綜合性能的改善。

錦屏一級大壩左岸墊座混凝土于2008年11月29日正式開始澆筑，大壩混凝土于2009年10月23日正式開始澆筑，截至目前的混凝土性能質量檢測數據表明，大壩混凝土的抗壓強度、極限拉伸值、耐久性指標均滿足規范要求。

錦屏一級引水發電系統和錦屏二級主體建筑物自2008年以來已陸續開始澆筑混凝土，從截至目前的檢測結果看，除個別組混凝土和噴混凝土抗壓強度、混凝土抗滲不滿足設計要求外，其它部位混凝土強度均達到設計要求。

由上可見，錦屏水電站使用組合骨料方案和全大理巖骨料方案在技術上是合理可行的。

6 大理巖石粉對混凝土性能影響研究

針對大理巖制砂存在的問題，錦屏水電站現場開展了一系列相關研究，取得了一些有價值的初步成果，為現場質量控制和工程應用提供了基本依據。

鑒于大理巖人工砂石粉含量波動較大的實際情況，為了驗證人工砂石粉含量變化對混凝土單位用水量、砂率、和易性，以及對混凝土力學、熱學、變形、耐久等性能的影響，在錦屏一級開展了人工砂不同石粉含量對混凝土性能影響的試驗，主要成果為:

(1)人工砂石粉含量在15%～25%范圍內，保持混凝土水膠比、砂率、拌和物和易性一致，人工砂石粉含量每增加1%，混凝土單位用水量增加0.6kg;調整混凝土的砂率，可以達到降低混凝土單位用水量增加值的目的，砂率每增減1%，坍落度減增10mm。

(2)用不同石粉含量拌制的混凝土拌和物坍落度保留率基本一致;人工砂的石粉含量的變化對混凝土拌和物的泌水性能比較敏感，泌水率隨著人工砂石粉含量的增加而降低;人工砂的石粉含量的變化對混凝土的凝結時間、含氣量影響較小。

(3)人工砂石粉含量的變化對混凝土力學性能、變形性能、耐久性能、熱學性能影響不明顯，存在對應人工砂某一石粉含量下配置的混凝土單項性能最優現象。

(4)石粉含量變化影響混凝土的干縮性能，混凝土干縮值隨著石粉含量的增加而增大。

根據上述試驗成果，并結合三灘砂石系統改進后大理巖砂石粉含量已降到了一個合理的水平，錦屏一級水電站適當放寬了砂子石粉含量控制標準(目前按不大于20%控制)。

錦屏二級水電站開展了人工砂石粉含量對泵送混凝土性能影響的試驗，相關結論為:

(1)人工砂中石粉含量在15%～30%的范圍內變化時，對混凝土抗壓強度、抗拉強度、靜壓彈模、軸拉強度、應變、抗拉彈模、耐久性等性能不會造成危害性的影響。

(2)混凝土的抗滲性能及抗凍性能均隨人工砂含粉量的增加而有所提高。人工砂含粉量的增加，對提高混凝土耐久性能有積極作用。

(3)砂子含粉量增加，混凝土單位用水量隨之增加，混凝土干縮也隨之增加。

針對大理巖干法制砂產生的大量石粉棄料，且石粉中0.08mm以下的微細顆粒含量較高的情況，為研究石粉綜合利用的可行性，降低工程成本，錦屏一級水電站開展了磨細石粉對混凝土性能的研究。

試驗一:采用選粉機選取的原狀石粉(比表面積140m2/kg)，及球磨機磨細加工的比表面積分別為 408m2/kg、556m2/kg、721m2/kg 四種細度的石粉，按取代水泥分別為0、2%、4%、6%、8%、10%，進行摻大理巖石粉對水泥凈漿和水泥砂漿性能影響的試驗研究。試驗結果表明:

(1)大理巖石粉部分取代水泥對水泥凈漿的流動度變化規律影響不大，水泥凈漿的凝結時間有所延長。

(2)大理巖石粉取代部分水泥后，水泥漿體的抗壓強度有所降低，降低的幅度隨著石粉的取代量增大而增加，隨著大理巖石粉的比表面積提高而減小。

(3)與摻用粉煤灰相比，摻用磨細的大理巖石粉后水泥漿體的早期強度較高、后期強度較低，表明磨細大理巖石粉的早期活性要優于粉煤灰，后期活性則遜于粉煤灰。

綜合上述試驗成果，在錨桿、錨索注漿材料中用磨細大理巖石粉(比表面積為721m2/kg)部分取代Ⅰ級粉煤灰(取代量為2%～10%)用于水泥漿體具有可行性。

試驗二:采用選粉機選取的原狀石粉(比表面積140m2/kg)，及球磨機磨細加工的比表面積分別為 408m2/kg、556m2/kg、721m2/kg 四種細度的石粉，以大壩C18040W 15F300混凝土作為基準，按取代粉煤灰量分別為0、2%、4%、6%、8%、10%，進行大理巖石粉對混凝土性能影響的試驗。試驗結果表明:

(1)不同細度的大理巖石粉取代粉煤灰，對混凝土拌和物的坍落度和含氣量沒有明顯影響，對泌水性能和坍落度損失有明顯改善效果，對含氣量隨時間損失有不利影響。

(2)用大理巖石粉取代部分粉煤灰，混凝土抗壓強度、劈拉強度總體表現為降低的趨勢，取代量增大到10%時，混凝土抗壓強度降低幅度相對較大，特別是原狀大理巖石粉，90d、180d抗壓強度降低較明顯(最大降低幅度達17%)。

(3)大理巖石粉的摻入量和石粉細度對混凝土的自生體積變形、彈性模量、極限拉伸值、熱學性能以及耐久性能影響不大。

(4)摻用不同細度、不同量的大理巖石粉，對混凝土抗裂性能影響不大。

根據上述試驗成果，摻用原狀大理巖石粉對混凝土強度降低較多，不宜采用;大壩混凝土中用磨細石粉代替部分粉煤灰(取代量為2%～10%)對混凝土性能影響不大，可基本滿足設計提出的指標要求，因此大壩混凝土采用磨細大理巖石粉具有一定可行性。試驗還表明，采用“水泥－粉煤灰－磨細大理巖石粉”三元膠凝材料比二元材料體系有一定的技術優勢。目前錦屏水電站正在開展進一步的試驗，將為下一步大理巖石粉的綜合利用提供基本依據。

7 大理巖TBM開挖料的利用研究

錦屏二級水電站長引水隧洞采用TBM法和鉆爆法兩種方法開挖。招標文件規定兩種方法開挖的大理巖均用于混凝土骨料料源，但在施工階段發現由于引水隧洞大理巖硬度較小，巖性不耐磨且易碎，加之高埋深條件下巖石的脆性破壞，以及TBM刀具破巖與鏟斗跌落集渣方式的共同作用，開挖毛料的中塊石粒形呈薄片狀，開挖料毛料中除含有大量石屑石粉外，大粒徑的石料外裹粉也比較嚴重。毛料的粒徑組成和含粉量直接影響了生產工藝和成品料的質量。另外，錦屏二級長引水隧洞一般埋深在2000m以上，地下水位較高，開挖料在含水情況下呈糊泥狀，對其的利用也造成了困難。為分析TBM開挖料利用的可行性，現場開展了用TBM開挖料軋制骨料的生產性試驗。主要成果為:

(1)毛料中40mm以上顆粒含量較少，分別占1號、3號引水隧洞 TBM開挖料總量的29.7%和38.5%，其中3號引水隧洞補充試驗顯示，毛料中40mm以上顆粒含量甚至只有8.8%。小于20mm的顆粒含量較高，分別占46.7%和44.2%。毛料含水率較高，最低為4.8%，最高達28.3%。

(2)加工所得的成品料獲得率低，在篩除毛料中小于20mm顆粒、其余骨料均進入加工流程的工況下，1號引水隧洞TBM開采料加工所得的成品率為28.7%，3號引水隧洞TBM開采料所得的成品率僅為21%。

(3)成品骨料質量較差，在篩除毛料中小于20mm顆粒、其余骨料均進入加工流程的工況下，中、小石針片狀含量均不符合規范要求。1號TBM開采料加工后，中、小石針片狀含量分別為23.1%和17.1%;2號TBM開采料加工后，中、小石針片狀含量分別為22.9%和17.2%;均超出規范允許值。

(4)人工砂石粉含量過大，分別為29.3%和38.3%，遠遠超出規范允許值。

由上可見，TBM開挖料雖然沒有完全喪失利用價值，但是無論從質量角度、經濟角度、技術角度和利用量而言，其利用價值均不高，最終放棄了對TBM開挖料的利用，由此造成的料源缺口通過三灘料場挖潛得到彌補。鑒于國內已實施的TBM開挖隧洞均未進行過TBM開挖料利用方面的研究和論證工作，錦屏水電站已開展的試驗為這方面的研究提供了一個較好的參考。

8 結 語

從錦屏水電站的經驗看，大理巖人工骨料用于水電工程是可行的，但在料源選擇時需充分認識大理巖巖性特點及其加工性能可能存在的問題;在前期設計階段應開展專項試驗，確定適當的料源體系及適應性的砂石系統設計工藝;同時應做好料源查勘工作，查清大理巖巖性組成和變化、料源地下水分布等情況，做好相應的料源開采規劃。

錦屏水電站針對大理巖骨料開展的相關試驗表明，適當提高大理巖砂的石粉含量，對混凝土力學性能影響不大，適當放寬大理巖砂的石粉含量標準，從而降低砂石系統改造和原材料質量控制難度是合適的。采用磨細大理巖石粉取代部分粉煤灰用于混凝土或水泥漿體具有可行性。大理巖TBM開挖料利用價值不高，在料源選擇時應慎重考慮。

［1］阮光華.我國混凝土骨料加工技術的進展［J］.建設機械技術與管理，2009(1).

［2］吳雄鷹，魏尚信.錦屏電站人工骨料生產系統大理巖制砂新工藝［J］.人民長江，2009(18).