熱帶地區(qū)鈣質(zhì)溶失砂巖骨料應(yīng)用研究

王大強(qiáng) 章天長

中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司 陜西西安 710065

隨著大壩安全監(jiān)控及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟化，部分壩料應(yīng)用和壩高通過小型壩體的實(shí)際應(yīng)用和監(jiān)測后有所突破，早年地質(zhì)條件復(fù)雜，技術(shù)開發(fā)程度不能滿足的地區(qū)逐步被開發(fā)。梯級(jí)開發(fā)模式能較好保護(hù)生態(tài)環(huán)境不被破壞，不過較長的開發(fā)線上地質(zhì)條件較復(fù)雜，在地質(zhì)條件較差地區(qū)，安全性和經(jīng)濟(jì)性雙重考慮下，能夠充分利用當(dāng)?shù)夭牧虾徒Y(jié)構(gòu)安全性高的堆石壩成為首選。改變排水結(jié)構(gòu)和面層防滲結(jié)構(gòu)軟巖堆石壩已有建成案例，但是在此環(huán)境下，配套混凝土的骨料問題相對(duì)突出，熱帶地區(qū)特有的粉砂巖，軟巖中代表性的泥巖，鈣質(zhì)溶失后的砂巖等混合后影響骨料品質(zhì)，使骨料品質(zhì)和混凝土質(zhì)量控制具有極大挑戰(zhàn)，針對(duì)以上環(huán)境下的砂巖利用，進(jìn)行了為期幾年的試驗(yàn)和跟蹤觀察。

某電站位于熱帶雨林氣候區(qū)，料場處在強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化界限區(qū)間，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，砂巖成分較多，夾雜有泥巖、粉砂巖和鈣質(zhì)流失砂巖等混合，骨料特性較常見骨料特性偏離較大，多表現(xiàn)為吸水率大且不易脫水，細(xì)度模數(shù)變化大且頻繁，骨料軟弱顆粒含量大且無法剔除，堅(jiān)固性高，骨料開采加工難度大，實(shí)際應(yīng)用中拌和物坍落度損失快，混凝土水灰比高，混凝土氣泡多等現(xiàn)象，現(xiàn)就熱帶地區(qū)此骨料特性的應(yīng)用介紹如下。

1 巖石的特性分析

該料場出露地層為三疊系中統(tǒng)（T2）和第四系（Q）。三疊系中統(tǒng)第一層（T21）主要為紫紅色泥巖，第二層主要為紫紅色長石石英砂巖夾少量泥巖，實(shí)際開挖使用中，夾雜部分石英砂巖“鈣質(zhì)溶失”嚴(yán)重至使“砂化”，同時(shí)夾雜粉砂巖及部分強(qiáng)風(fēng)化巖層料。巖層部分特性多表現(xiàn)為：偏泥質(zhì)砂巖層狀分布較強(qiáng)，可以通過梯段開采形式對(duì)夾層進(jìn)行剔除，或者為石英砂巖的復(fù)雜分布特征：巖層裂隙不規(guī)則，砂化嚴(yán)重，交層分布較多，且成條帶分布的夾層較薄，實(shí)際開采中多為幾公分至幾十公分的夾層，且成不規(guī)則走向分布，夾層巖石較軟，裂隙多，開采過程中容易混入較好砂巖中。且紫紅色砂巖與紫紅色泥巖的分辨對(duì)施工挑選難度增加，部分泥巖初期揭露時(shí)，強(qiáng)度較高，骨料生產(chǎn)后，經(jīng)過雨淋暴曬后容易風(fēng)化。建議在實(shí)際開采中，避免夜間開采帶來的混合，對(duì)于強(qiáng)弱風(fēng)化不容易挑選的巖層，可采用早期開采篩分廠周邊堆存后通過暴曬雨淋自然分解混合料中易崩解和強(qiáng)風(fēng)化料，隨后通過反鏟的挑選可大大增加骨料母巖品質(zhì)保證。

巖石的物理特性表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度不均勻，主要為（14．8-142．3）MPa， 飽 和 抗壓（9．4-120．7）MPa，軟 化 系 數(shù) 0．43-0．97，比重（2．47-2．77）g/cm3，且同類巖石比重分布（2．51-2．72）g/cm3，由此數(shù)據(jù)可以看出，巖石風(fēng)化程度分布較廣，成分較雜，主要是該料場處在強(qiáng)弱風(fēng)化界限區(qū)，提前進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)化剝離，但是由于巖層走向不規(guī)律和較薄夾層的影響，開采出的骨料母巖品質(zhì)較低。過程中有部分區(qū)域巖體較完整，但是由于前期未規(guī)劃堆存轉(zhuǎn)運(yùn)，只能現(xiàn)挖現(xiàn)用，至使部分較好巖石用于結(jié)構(gòu)性安全較低的混凝土部位，在料源不是很豐富的情況下造成了浪費(fèi)。因此，需提前規(guī)劃開采料堆存和較好品質(zhì)巖石的儲(chǔ)備，使用過程中出現(xiàn)料源不足情況下，可進(jìn)行分級(jí)使用。

2 骨料生產(chǎn)分析

骨料生產(chǎn)過程中，開采料的利用率較低，主要表現(xiàn)在棄料多和砂的成品率較低，原因主要有以下2點(diǎn)：①巖層破碎造成巖體開挖后巖塊的粒徑偏小，且小于10cm以下混合料中不合格母料偏多，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，底層細(xì)料統(tǒng)一裝車后生產(chǎn)的骨料均不合格，通過多次試驗(yàn)反饋后，料場底部細(xì)料當(dāng)作棄料堆存。②人工砂通過水洗后，由于母巖鈣質(zhì)溶失后的“砂化”程度不一和夾雜泥巖軟弱顆粒等，水洗流失量超過20%-30%以上。以上兩個(gè)原因是造成原巖利用率低和人工砂生產(chǎn)率低的主要原因，在建設(shè)過程中，骨料挑選后的棄料，相對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化棄料品質(zhì)較高，通過試驗(yàn)后可用于壩體部分結(jié)構(gòu)區(qū)的填筑來提高開采料的利用率。通過對(duì)水洗后排出料顆粒分析，粒徑在0．3mm-1mm的料占比達(dá)60%左右，在骨料生產(chǎn)過程中，可在出料口加裝回收利用裝置，對(duì)較粗人工砂進(jìn)行顆粒分析后，按比例摻入來提高人工砂品質(zhì)以及人工砂生產(chǎn)率和合格率。

泥巖混入為主的砂巖生產(chǎn)的人工砂主要表現(xiàn)為石粉含量高，通過水洗后，石粉含量降低，人工砂品質(zhì)能夠得到保證。粉砂巖和鈣質(zhì)溶失“砂化”的巖石混入為主的砂巖生產(chǎn)的人工砂，主要表現(xiàn)在細(xì)顆粒含量高，細(xì)顆粒主要集中在0．075mm-1mm范圍，未水洗前，人工砂細(xì)度模數(shù)處于特細(xì)砂區(qū)間，通過水洗后，人工砂細(xì)度模數(shù)滿足規(guī)范建議值，但是通過大量試驗(yàn)，經(jīng)過不同程度鈣質(zhì)溶失后的砂巖生產(chǎn)的人工砂，具有保水特性，肉眼可辨的“飽和面干狀態(tài)”時(shí)，砂的含水經(jīng)檢測范圍在8%-15%，實(shí)際檢測的飽和面干吸水率僅為3%左右，且無明水流出，通過振動(dòng)后有明水溢出，在使用過程中，此種砂的主要問題在于脫水時(shí)間過長和吸水率高，特別在雨季期間，問題更加突出。實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)傳統(tǒng)的高頻振動(dòng)脫水裝置需加裝污泥脫水設(shè)備改裝，加快內(nèi)部保水通過高頻擠壓振動(dòng)快速脫出。

3 骨料物理特性分析

砂巖骨料的特性主要表現(xiàn)在吸水率高且吸水飽和時(shí)間長，顆粒級(jí)配變化大，堅(jiān)固性高，軟弱顆粒含量高，部分具有堿活性反應(yīng)。其中砂的粗細(xì)和吸水率對(duì)混凝土性能影響較大，砂的粗細(xì)變化頻繁的主要原因在于巖石風(fēng)化程度不均勻，夾雜的砂巖鈣質(zhì)溶失程度不一致，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中砂的細(xì)度模數(shù)產(chǎn)生局部過粗過細(xì)，在整體生產(chǎn)中首先要盡量保證供應(yīng)母巖的品質(zhì)均一，其次在生產(chǎn)后要通過拌和將過粗過細(xì)砂均勻混合。吸水率高的機(jī)理主要分為微粒含量高導(dǎo)致的吸水率偏高和巖石本身吸水率高兩種，微粒含量高通常表現(xiàn)為石粉含量過高，細(xì)骨料吸水率在1．7%-5．0%，粗骨料吸水率在0．4%-2．6%，巖石本身吸水率高表現(xiàn)為鈣質(zhì)溶失后內(nèi)部產(chǎn)生微小孔隙，細(xì)骨料吸水率在2．0%-3．4%，但是細(xì)骨料保水檢測含水8%-15%，且無明水反光現(xiàn)象，粗骨料吸水率在1．0%-2．3%。對(duì)于微粒含量高造成的吸水率偏高問題，可以通過降低微粒含量減小骨料吸水率，但是對(duì)于母巖本身吸水率高的骨料，使用過程中需要考慮吸水飽和的時(shí)間（通過試驗(yàn)30min吸水率可達(dá)到飽和吸水率的85%以上，60min基本區(qū)域飽和狀態(tài)）和混凝土反應(yīng)參與水和內(nèi)部存水的影響。

骨料堅(jiān)固性高和軟弱顆粒含量高主要是由于地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石風(fēng)化程度較強(qiáng)造成的混合料夾雜影響，實(shí)際應(yīng)用中重要結(jié)構(gòu)部位，需要提前儲(chǔ)備較好骨料，對(duì)于非重要結(jié)構(gòu)區(qū)域，通過耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證后才能使用。通過感官檢查骨料品質(zhì)明顯較差的骨料，不能僅通過壓碎指標(biāo)判斷骨料的品質(zhì)，需結(jié)合堅(jiān)固性和軟弱顆粒指標(biāo)共同判定，試驗(yàn)中顯示新鮮泥巖混合料前期強(qiáng)度較高和“砂化”程度較低的骨料壓碎指標(biāo)沒有明顯偏高的現(xiàn)象，僅通過壓碎指標(biāo)判定骨料品質(zhì)容易造成誤判。

4 配合比設(shè)計(jì)應(yīng)用

拌制的混凝土拌和物，由于“砂化”的影響濕料拌和的砂率增加為2%左右，配合比設(shè)計(jì)過程中需要考慮其影響。拌合物的主要表現(xiàn)為坍落度損失大，且損失快，含氣引入較難。通過試驗(yàn)分析，坍落度損失大主要為石粉對(duì)外加劑的吸附和堿活性骨料對(duì)外加劑的吸附，石粉對(duì)外加劑的吸附可以采用提高外加劑的摻量，通過試驗(yàn)可達(dá)1．5%左右，對(duì)于堿活性骨料對(duì)外加劑的吸附，可采取中酸性外加劑來解決，實(shí)際應(yīng)用中，氨基磺酸系減水劑的表現(xiàn)較佳，但費(fèi)用相對(duì)偏高。鈣質(zhì)溶失后砂巖骨料的含氣引入通過大量試驗(yàn)選擇，傳統(tǒng)的松香型引氣劑能夠有效解決含氣損失快，含氣量低的問題。

通過強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，7天強(qiáng)度較低，7天至90天不同粉煤灰摻量下的混凝土強(qiáng)度增長幅度達(dá)47．8%-69．8%。由于吸水率高的原因，混凝土水灰比偏高，通過耐久性和強(qiáng)度雙重指標(biāo)試驗(yàn)反饋，水灰比的計(jì)算需要減去骨料吸入未參與化學(xué)反應(yīng)的自由水?；旌瞎橇习柚频幕炷量?jié)B效果較好，抗凍試驗(yàn)顯示，100次凍融循環(huán)的指標(biāo)較容易滿足，150次以上凍融循環(huán)的骨料需要單獨(dú)挑選。

砂巖骨料拌制的混凝土另一個(gè)特性表現(xiàn)為混凝土結(jié)構(gòu)面氣泡偏多，在室內(nèi)試驗(yàn)中觀察，表面氣泡的產(chǎn)生多為混凝土拌合物中大氣泡溢出速度較慢，不能隨第一次振搗時(shí)間溢散。此氣泡產(chǎn)生機(jī)理主要為外加劑與混凝土拌合物的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生和骨料內(nèi)部空隙氣體的后期溢出。外加劑產(chǎn)生的氣泡需要降低糖的成分和降低PH值，加快氣泡反應(yīng)和溢出，骨料內(nèi)部氣體逸出，過程中需要通過二次振搗能有效降低混凝土表面氣泡。

5 結(jié)語

熱帶地區(qū)基于氣候原因，砂巖骨料在應(yīng)用過程中問題較突出，工程前期需要對(duì)骨料特性系統(tǒng)分析后，針對(duì)影響骨料應(yīng)用的主要因素采取防范和解決措施，同時(shí)在砂石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮，避免系統(tǒng)建成后影響骨料生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)不能得到有效保證。