軟硬相間巖體混凝土人工骨料初探

張 順，毛會(huì)永

(1.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理中心，陜西西安 710065;2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710065)

天然建筑材料的類型、質(zhì)量和數(shù)量，以及開(kāi)采運(yùn)輸條件是關(guān)系甚至決定壩址選擇和壩型比較、水工建筑物類型、施工總體布置和施工方案的因素［1－3］。天然建筑材料選擇得合理，將在水電水利建設(shè)中表現(xiàn)出巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，否則，將給水電水利建設(shè)帶來(lái)重大損失［2］。

在軟硬相間巖體的地層中，硬巖強(qiáng)度高，一般能滿足混凝土骨料強(qiáng)度要求;而相對(duì)的軟巖則強(qiáng)度較低，單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般不能達(dá)到40 MPa，原則上不能作為混凝土骨料［1－7］。一般軟硬巖相間地層作為混凝土骨料料源時(shí)，強(qiáng)度較低的巖體含量較少［1－4，7］。

某電站屬二等大(2)型工程，為河床式電站，泄水建筑物為混凝土閘壩，兩岸連接壩采用混凝土壩型。該工程混凝土量共約165.98×104m3，需混凝土骨料約448×104t，約166×104m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，工程區(qū)內(nèi)缺乏天然砂礫石料源，工程擬采用右岸石料場(chǎng)(圖1)。右岸石料場(chǎng)巖性為砂板巖，砂巖相對(duì)較多，板巖類巖體屬軟巖類，一般不適宜直接作為混凝土人工骨料料源。本文以右岸料場(chǎng)地層為例，根據(jù)地質(zhì)特征和巖石力學(xué)性質(zhì)，將兩類不同強(qiáng)度的巖石按不同比例混合，配制成混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)，從強(qiáng)度的角度初步探討不同軟巖和硬巖比例的地層作為混凝土骨料料源的可行性。

1 基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

料場(chǎng)整體為一近南北向山梁。山梁左側(cè)岸坡自然坡度20°～25°，發(fā)育兩個(gè)小沖溝;山梁右側(cè)岸坡自然坡度25°～35°，地形較完整，沖溝不明顯(見(jiàn)圖1)。

1.2 地層巖性

右岸料場(chǎng)表部主要為殘坡積碎石土層，厚度0.5～7.5 m，僅局部有基巖露頭。基巖主要有三種，變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖(見(jiàn)圖1、圖2)?？碧姐@孔中，基巖總進(jìn)尺720.60 m，變質(zhì)砂巖396.33 m約占55.0%;砂質(zhì)板巖(216.18 m，約占 30%)和泥質(zhì)板巖(108.09 m，約占15%)二者合起來(lái)約占45.0%。

變質(zhì)砂巖 灰色—深灰色，風(fēng)化后呈黃褐色，變余砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物為石英、斜長(zhǎng)石及少量絹云母，硅—鈣質(zhì)膠結(jié)較好。

砂質(zhì)板巖 灰黑色—深灰色，風(fēng)化后呈黃褐色，變余砂泥狀結(jié)構(gòu)，板理明顯，主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石、粉細(xì)砂及少量粘土礦物。硅—鈣質(zhì)膠結(jié)較好。

泥質(zhì)板巖 深灰色—黑色，風(fēng)化后呈土黃—黃褐色，變余砂泥狀結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，主要成分由粘土礦物和粉細(xì)砂組成，易崩解成片狀或碎塊狀。鈣質(zhì)膠結(jié)較好。

圖1 右岸石料場(chǎng)工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan of the right bank quarry

圖2 右岸石料場(chǎng)LP1工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 LP1 engineering geological section of the right bank quarry

1.3 巖體結(jié)構(gòu)

料場(chǎng)區(qū)地層總體上呈單斜構(gòu)造，平均產(chǎn)狀45°～75°∠45°～75°，主要為中厚層狀變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖(或泥質(zhì)板巖)，部分變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖互層，少量板巖夾砂巖。變質(zhì)砂巖層厚一般0.5～2.5 m，最厚約5 m，砂質(zhì)板巖(或泥質(zhì)板巖)層厚一般0.1 ～0.5 m，最厚約2 m。

2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 變質(zhì)砂巖

巖石飽和抗壓強(qiáng)度絕大部分為40～90 MPa，個(gè)別樣＜40 MPa，平均62.71 MPa。砂巖總體屬中硬—堅(jiān)硬巖，質(zhì)量指標(biāo)基本滿足混凝土人工骨料規(guī)范要求(表1)。

2.2 板巖

料場(chǎng)中，板巖為砂質(zhì)板巖和泥質(zhì)板巖，取65組巖樣，進(jìn)行平行層理、垂直層理、斜交層理三種條件下的單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(圖3)。試樣飽和抗壓強(qiáng)度離散較大，各方向強(qiáng)度值差別不大，在10～58 MPa之間。其中有19組強(qiáng)度值15～30 MPa，占總65組的29.23%;18組強(qiáng)度值30～40 MPa，占總組數(shù)的27.69%;9組強(qiáng)度值＞40 MPa，占總組數(shù)的13.85%(見(jiàn)圖3)。

表1 砂巖巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果Table 1 Test results of rock physical and mechanical properties for sandstone

圖3 板巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果圖Fig.3 Slate saturated uniaxial compressive strength value

總體上板巖屬軟巖，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度偏低，多在15～40 MPa，平均25～28 MPa;約有 60.87% ～72.22%(32.21 ～34.00 MPa)的巖石飽和抗壓強(qiáng)度 ＞30 MPa，約有16.67% ～33.33%(40.88 ～ 44.00 MPa)的試樣抗壓強(qiáng)度＞40 MPa，大多數(shù)不滿足混凝土人工骨料規(guī)范規(guī)定的飽和單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)＞40 MPa的要求。

按砂巖(55%)和板巖類巖體(45%)的比例推算，料場(chǎng)地層約有82.39% ～87.50%的巖石抗壓強(qiáng)度＞30 MPa，與砂巖和砂質(zhì)板巖二者含量相當(dāng);約有62.50%～70.00%的巖石抗壓強(qiáng)度＞40 MPa，部分不滿足規(guī)范要求。

3 混凝土性能試驗(yàn)

將巖石樣品中砂巖骨料(全部砂巖骨料，簡(jiǎn)稱全砂巖)和板巖骨料(全板巖)按不同的比例(砂巖50%—板巖50%，砂巖70%—板巖30%)進(jìn)行混合，得兩種混合體骨料，根據(jù)規(guī)范要求，分別配制成混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)(表2)。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Concrete compressive strength test results

兩種不同混合比例骨料拌制的混凝土，拌合物性能基本接近，沒(méi)有明顯差別。砂巖∶板巖50∶50比例配制的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度最大33.2 MPa，最小25.6 MPa，平均29.1 MPa;70∶30 配合比的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度最大 34.7 MPa，最小 25.9 MPa，平均30.0 MPa(見(jiàn)表2)。二者混凝土抗壓強(qiáng)度基本接近，后者稍高，差別不大。

4 料場(chǎng)評(píng)價(jià)

泥質(zhì)板巖泥質(zhì)含量偏高，性狀差異大，其強(qiáng)度低，工程性能差，可進(jìn)一步通過(guò)配合比試驗(yàn)確定含泥質(zhì)板巖巖體的可用性。該料場(chǎng)砂板巖中泥質(zhì)板巖含量約有15%，相對(duì)較少，可考慮直接剝離剔除。

由于試驗(yàn)中板巖沒(méi)有細(xì)化砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖，出于安全，可認(rèn)為試驗(yàn)板巖全部為砂質(zhì)板巖。試驗(yàn)結(jié)果表明變質(zhì)砂巖不少于砂質(zhì)板巖的巖體可作為混凝土骨料。因此該料場(chǎng)砂巖夾板巖巖體中，砂巖夾砂質(zhì)板巖可直接使用，其它可將泥質(zhì)板巖剝離后使用;砂巖與砂質(zhì)板巖互層巖體中，應(yīng)根據(jù)砂巖、砂質(zhì)板巖的含量占比慎重使用;板巖夾砂巖不可用，其中砂質(zhì)板巖夾砂巖可添加較多砂巖后使用。綜上，該料場(chǎng)砂板巖混合骨料可行。

5 結(jié)論

(1)右岸料場(chǎng)砂板巖層中，砂巖和板巖巖體含量比例約為55∶45，砂質(zhì)板巖與泥質(zhì)板巖的含量比例約為30∶15，其中變質(zhì)砂巖強(qiáng)度高，能滿足混凝土骨料的質(zhì)量要求，板巖類巖石飽和抗壓強(qiáng)度較低，不適宜單獨(dú)作為混凝土人工骨料。

(2)砂巖與板巖50∶50和70∶30兩種比例的混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果，均能滿足C20、C25標(biāo)號(hào)及其以下混凝土人工骨料建筑要求。則該料場(chǎng)大多數(shù)巖體可直接作為混凝土骨料，料場(chǎng)可行。

(3)軟硬相間巖體中，硬巖強(qiáng)度滿足混凝土骨料質(zhì)量要求，而相對(duì)的軟巖中大多數(shù)為中堅(jiān)硬巖，僅有少部分較軟巖，強(qiáng)度不能滿足混凝土骨料的規(guī)范要求，在硬巖含量不少于相對(duì)的軟巖時(shí)，從強(qiáng)度的角度看，是可以考慮選擇作為混凝土骨料的，但具體的混凝土配合比需做試驗(yàn)研究論證。

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB 50487—2008［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［2］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程:DLT 5388—2007［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［3］ 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程:SL251—2000［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2000.

［4］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范:GB 50021—2001［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］ 肖延亮.關(guān)于高拱壩混凝土人工骨料原巖強(qiáng)度問(wèn)題的討論［J］.水力發(fā)電，2007，33(7):94 －96.

［6］ 劉彬.軟硬相間層狀巖體工程地質(zhì)特性及作為高混凝土重力壩壩基巖體的適宜性研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2010.

［7］ 陳武.功果橋電站碾壓混凝土配合比試驗(yàn)研究［J］.大壩與安全，2009(6):59－64.