灰岩人工砂石粉含量试验检测方法探讨

郭文康，李先高，缪详辅，郭 辉，石正国

(1.长江科学院 工程质量检测中心，武汉 430010； 2.华能澜沧江水电有限公司 黄登·大华桥水电工程建设与管理局，云南 兰坪 671400)

灰岩人工砂石粉含量试验检测方法探讨

郭文康1，李先高2，缪详辅2，郭 辉1，石正国1

(1.长江科学院 工程质量检测中心，武汉 430010； 2.华能澜沧江水电有限公司 黄登·大华桥水电工程建设与管理局，云南 兰坪 671400)

为探讨因《水工混凝土砂石骨料试验规程》修订更新导致新旧版本试验规程所推荐的石粉含量试验检测方法变化对试验检测结果的影响，结合黄登水电站工程实际，开展了不同试验检测方法对灰岩人工砂石粉含量检测结果的影响程度及规律试验研究，试验共检测灰岩人工砂石粉含量535组。试验结果表明：①试验检测方法对灰岩人工砂石粉含量检测结果影响显著，且具有一定规律性；②采用“湿筛水洗法”与“颗粒级配干筛法”得到的石粉含量结果差值和“湿筛水洗法”得到的微粒含量结果数据分布情况基本满足正态分布曲线；③采用2种试验方法检测的常态砂和碾压砂石粉含量结果差值分别为5%～9%和4%～8%，平均差值分别为6.7%和5.2%；④灰岩常态砂和碾压砂微粒含量在石粉含量中所占比例基本相同，约为石粉含量的80.4%。

灰岩人工砂；石粉含量；试验检测方法；微粒含量；黄登水电站

1 研究背景

人工砂石粉含量是指人工骨料中粒径<0.16 mm，且其矿物组成和化学组成与被加工母岩相同的颗粒含量[1]，主要包括细骨料中的石粉以及粗骨料中的裹粉，一般用质量百分数表示。研究表明[2-5]，适量的人工砂石粉在混凝土中可发挥微集料作用改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性；可发挥表面粗糙的颗粒形态效应，增加骨料与浆体之间的机械咬合力，改善混凝土各组分之间的界面作用。此外，达到一定细度的磨细石灰石粉还具有一定的活性效应，可充当混凝土掺合料部分取代水泥、粉煤灰等胶凝材料。因此，灰岩石灰石粉越来越多地被工程科研人员所重视，在水利水电工程中的应用也日益广泛。

当前，水利水电工程用人工砂石粉含量的试验检测方法主要为能源电力行业颁布的《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)和水利行业颁布的《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)[6]等标准提供的“人工砂石粉含量试验”，即“湿筛水洗法”(下文“试验方法”部分详述)。但是，由于行业差异,在2014年8月1日《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)正式实施前，能源电力行业在人工砂石粉含量试验检测中并未采用水利行业《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)推荐的“湿筛水洗法”，而是直接利用能源电力行业颁布的《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2001)提供的“砂料颗粒级配试验”推荐的“颗粒级配干筛法”，通过计量经摇筛机充分筛分后粒径<0.16 mm的颗粒含量百分数来确定人工砂石粉含量。

由于2014年能源电力行业修订的《水工混凝土砂石骨料试验规程》引入了“人工砂石粉含量试验”，导致采用2014版规程与2001版规程检测的灰岩人工砂石粉含量结果差异很大。工程实践中，因检测结果的变化直接影响能源电力行业选用《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)[7]和《水工碾压混凝土施工规范》(DL/T 5433—2009)[8]进行人工砂品质检验结果合格评定。为此，有必要通过科学试验研究探讨不同试验方法对石粉含量指标检测结果的影响程度及其规律。

黄登水电站工程位于云南省兰坪县境内，为碾压混凝土重力坝，最大坝高202 m，属Ⅰ等大(1)型工程。电站装机容量1 900 MW，保证出力507.95 MW，年发电量86.29亿kW·h。黄登水电站混凝土工程中常态混凝土约200万m3，碾压混凝土约270万m3，需大量使用当地生产的灰岩人工骨料。该工程大格拉砂石料生产系统是在《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151— 2014)正式实施前建成投产，因此其生产的人工砂品质指标(含石粉含量)是根据旧版试验规程相关要求进行设计和生产质量控制，导致在使用灰岩人工砂过程中遇到了因试验规程修订更新带来的人工砂石粉含量指标试验结果变化等工程实际问题。为探讨新旧两版《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2001和DL/T 5151—2014)推荐的石粉含量试验“颗粒级配干筛法”和“湿筛水洗法”方法对灰岩人工砂石粉含量结果的影响程度和规律，指导工程实践，开展了“不同试验检测方法对灰岩人工砂石粉含量的影响研究”课题，得到了大量的试验成果数据：共535组，其中常态混凝土用人工砂(以下简称常态砂)244组，碾压混凝土用人工砂(以下简称碾压砂)291组，为解决该工程实际问题和类似工程应用提供了详实可靠的参考成果。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

试验选用的原材料为黄登水电站工程大格拉砂石系统生产的灰岩人工砂，包括常态砂和碾压砂，其中常态砂244组，碾压砂291组。试验用常态砂细度模数为2.62～2.80，平均值为2.74；碾压砂细度模数为2.54～2.77，平均值为2.68，常态砂、碾压砂均属中砂范围。大格拉石料生产系统生产的人工砂石粉含量是根据旧版试验规程相关要求进行设计和生产质量控制，选用“颗粒级配干筛法”进行品质检测，常态砂控制在14%～18%，碾压砂控制在18%～22%。试验选用的常态砂和碾压砂石粉含量均满足设计技术要求。常态砂和碾压砂所有指标均满足《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)和《水工碾压混凝土施工规范》(DL/T 5433—2009)要求。

2.2 试验方法

2.2.1 “颗粒级配干筛法”

根据石粉含量的定义，即人工骨料中粒径<0.16 mm，且其矿物组成和化学组成与被加工母岩相同的颗粒含量。因此，《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2001和DL/T 5151—2014)推荐的“颗粒级配试验”中用方孔筛<0.16 mm的累积筛余量也可认定为石粉含量，由于该方法是将人工砂样品烘干后经筛分得到石粉含量结果，因此本文简称“颗粒级配干筛法”。具体试验步骤和计算方法详见《水工混凝土砂石骨料试验规程》。

2.2.2 “湿筛水洗法”

“湿筛水洗法”为新修订《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)新增的“人工砂石粉含量试验”和《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006) “人工砂石粉含量试验”推荐方法。该法与“颗粒级配干筛法”最大的不同在于，其主要步骤是通过盛砂样桶内注入清水并充分浸泡、多次重复搅拌和淘洗，并将淘洗砂样后的浑水用1.25,0.16,0.08 mm的套筛滤掉<0.08 mm的颗粒，重复上述操作步骤，将附着在颗粒中的石粉充分淘洗干净，直至桶内的水清澈为止。然后将清洗干净的套筛中各级筛余砂滤去水分后分别烘干计算其石粉含量和微粒含量(<0.08 mm方孔筛的含量)。具体试验步骤和计算方法详见《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)和《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)。

2.2.3 2种试验检测方法之间的差异

比较“颗粒级配干筛法”和“湿筛水洗法”的试验方法差异可知，由于灰岩骨料中的微细颗粒比表面积大、具有极强的黏附性，致使单纯通过“颗粒级配干筛法”无法将附着于较粗颗粒表面的细微颗粒完全筛除，而无法真实反映灰岩骨料的真实石粉含量和微粒含量。然而，“湿筛水洗法”通过反复清水淘洗的方式可将附着在各粒径人工砂中的石粉和微粒洗出来，经筛分后烘干可得到相对真实的石粉含量和微粒含量范围。能源水电行业在新修订《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)中引入了更为科学合理的“湿筛水洗法”，但在新版规程实施前，常规的试验方法仍为操作相对简单的“颗粒级配干筛法”。

3 不同试验检测方法对灰岩人工砂石粉含量的影响

根据《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)和《水工碾压混凝土施工规范》(DL/T 5433—2009)要求，水工常态混凝土用人工砂的石粉含量建议控制在6%～18%，经试验论证后可适当放宽；水工碾压混凝土用人工砂的石粉含量宜为12%～22%。黄登水电站工程设计技术要求规定，该工程常态混凝土和碾压混凝土用人工砂石粉含量(干筛法)控制范围分别为14%～18%和18%～22%。采用不同试验检测方法检测的灰岩人工砂石粉含量试验结果统计列于表1。

由表1可知，黄登水电站工程选用干筛法检测的灰岩常态砂和碾压砂满足设计技术要求的合格率均为100%，但当选用水洗法检测时其合格率均降低至0%。由此可知，不同试验方法所得的检测结果差异显著。

表1 采用不同试验方法检测的灰岩人工砂石粉含量结果

3.1 常态混凝土用灰岩人工砂石粉含量

分别采用“颗粒级配干筛法”和“湿筛水洗法”检测的244组常态混凝土用灰岩人工砂石粉含量试验结果离散点分布如图1所示。

图1 采用不同试验方法检测的常态混凝土用灰岩人工砂石粉含量结果散点图Fig.1 Scatter diagram of stone powder content in artificial limestone sand used for normal concrete obtained by different testing methods

从图1可知，试验检测的244组常态砂中“颗粒级配干筛法”得到的石粉含量试验结果绝大部分集中在16%～18%(共计226组，占比92.6%)；“湿筛水洗法”得到的石粉含量试验结果主要集中在22%～26%(共计207组，占比84.8%)。 “颗粒级配干筛法”和“湿筛水洗法”所得石粉含量平均值分别为16.9%和23.5%，平均差值为6.7%。从图1各样品试验结果的离散点分布情况可知，“颗粒级配干筛法”较“湿筛水洗法”所得试验数据分布更为集中，原因是灰岩人工砂表面裹粉情况有较大的随机性，且受生产期间的砂石系统水洗、跌落、运输、碰撞、挤压等不确定因素的影响较大，导致不同样品人工砂表面吸附微细石粉颗粒程度差异较大。

图2 采用不同试验方法检测的常态混凝土用灰岩人工砂石粉含量差值分析Fig.2 Deviation analysis of stone powder content in artificial limestone sand used for normal concrete obtained by different testing methods

采用不同试验方法得到的常态混凝土用灰岩人工砂石粉含量差值区间分布情况和正态分布曲线如图2所示。由图2可知，其石粉含量差值基本满足正态分布曲线分布规律，差值范围主要集中在5%～9%(共计217组，占比88.9%)，其中6%～8%(共计133组，占比54.5%)最为明显。

综上可见，当执行最新的《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)推荐“湿筛水洗法”后，灰岩常态砂的石粉含量将平均提高6%～8%，导致该工程人工砂质量评定中远远超出《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2015)要求的6%～18%以及设计技术要求的14%～18%。

3.2 碾压混凝土用灰岩人工砂石粉含量

分别采用“颗粒级配干筛法”和“湿筛水洗法”检测的291组碾压混凝土用灰岩人工砂石粉含量试验结果散点分布如图3所示。

图3 采用不同试验方法检测的碾压混凝土用灰岩人工砂石粉含量结果Fig.3 Scatter diagram of stone powder content in artificial limestone sand used for roller compacted concrete obtained by different testing methods

从图3可知，试验检测的291组常态砂中“颗粒级配干筛法”得到的石粉含量试验结果绝大部分集中在18%～21%(共计268组，占比92.1%)；“湿筛水洗法”得到的石粉含量试验结果主要集中在23%～26%(共计277组，占比95.2%)。 “颗粒级配干筛法”和“湿筛水洗法”所得石粉含量平均值分别为19.5%和24.4%，平均差值为5.2%。从图3各样品试验结果的散点分布情况可知，“颗粒级配干筛法”较“湿筛水洗法”所得试验数据离散点分布情况差异较常态砂小，2种试验方法得到的检测结果波动情况相似。因为碾压砂的石粉含量相对较大，导致碾压砂的微细颗粒含量稍大于常态砂，而微细颗粒的比表面积相对较大，其颗粒吸附能力也较强，采用“颗粒级配干筛法”试验时难以将该部分微细颗粒完全筛除。然而，采用“湿筛水洗法”时经过较长时间浸泡、淘洗后可将附着于大小颗粒间的绝大部分微细颗粒清洗出来。因此，影响检测结果数据离散点分布差异的微粒含量对碾压砂的影响相对较小，数据离散点分布情况差异较常态混凝土用人工砂小。

采用不同试验方法得到的碾压混凝土用灰岩人工砂石粉含量差值区间分布情况和正态分布曲线如图4所示。

图6 灰岩人工砂微粒含量(水洗法)试验结果分析Fig.6 Test result analysis of microparticle content in artificial limestone sand obtained by wet screening and washing method

图4 采用不同试验方法检测的碾压混凝土用灰岩人工砂石粉含量差值分析Fig.4 Deviation analysis of stone powder content in artificial limestone sand used for roller compacted concrete obtained by different testing methods

由图4可知，其石粉含量差值同样满足正态分布曲线分布规律，差值范围主要集中在4%～8%(共计259组，占比89.0%)，其中5%～7%(共计174组，占比达59.2%)最为集中分布。

综上可见，当执行最新的《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)推荐的“湿筛水洗法”后，碾压砂的石粉含量提高趋势和幅度同人工砂一致，平均提高5%～7%，导致该工程人工砂质量评定中远超出《水工碾压混凝土施工规范》(DL/T 5433—2009)要求的12%～22%及设计技术要求的18%～22%。

3.3 “湿筛水洗法”灰岩人工砂微粒含量

人工砂微粒含量是指人工砂石粉含量中粒径方孔筛筛余<0.08 mm的微细颗粒含量。《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)推荐的石粉含量“湿筛水洗法”中包含微粒含量试验。由于微粒含量的大小对改善混凝土孔结构，提高填充密实性和发挥部分活性效应作用明显，因此，一般要求石粉中微粒含量占有一定的比例。

本试验共检测灰岩人工砂微粒含量535组，其中常态砂244组，碾压砂291组。该工程用灰岩人工砂微粒含量试验结果数据离散点分布如图5所示。

图5 “湿筛水洗法”检测的灰岩人工砂微粒含量结果

由图5试验结果可知，“颗粒级配干筛法”检测的石粉含量主要为16%～18%的常态砂与石粉含量主要为18%～20%的碾压砂的微粒含量平均值相差不大，常态砂微粒含量平均值为19.0%，约为常态砂石粉含量平均值(水洗法)的80.9%；碾压砂微粒含量平均值为19.5%，约为碾压砂石粉含量平均值(水洗法)的79.9%。灰岩人工砂微粒含量平均约为石粉含量的80.4%。比较而言，碾压砂微粒含量的稳定性优于常态砂，碾压砂检测结果离散点的分布更加集中。

根据图6所列灰岩人工砂微粒含量(水洗法)试验结果分析，其常态砂和碾压砂微粒含量分布情况基本满足正态分布曲线分布规律。常态混凝土的微粒含量主要集中在17%～22%(共计227组，占比93.0%)，其中19%～22%(共计170组，占比高达69.7%)最为集中分布；碾压混凝土的分布集中程度更加明显，主要集中在19%～22%(共计253组，占比86.9%)，其中20%～21%(共计134组，占比46.0%)最为显著。

4 结论与建议

通过试验研究，结合黄登水电站工程应用实际，本文探讨了不同试验检测方法对灰岩石粉含量指标检测结果的影响程度及其规律，主要结论及建议如下：

(1) 采用新旧版本《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2001和2014)提供试验方法检测的灰岩石粉含量结果差异显著，且具有一定规律性。

(2) 采用不同试验方法检测的灰岩常态砂、碾压砂的差值和采用“湿筛水洗法”检测灰岩人工砂微粒含量结果基本满足正态分布曲线分布。

(3) 采用“湿筛水洗法”检测的常态砂和碾压砂石粉含量结果与采用“颗粒级配干筛法”的差值分别集中在5%～9%(约为88.9%)和4%～8%(约为89.0%)，平均差值分别为6.7%和5.2%。

(4) 灰岩常态砂和碾压砂微粒含量在石粉含量中所占比例基本相当，约为石粉含量的80.4%。

(5) “湿筛水洗法”较“颗粒级配干筛法”更能准确反映灰岩人工砂石粉含量真实状况，建议工程应用中优先选用“湿筛水洗法”进行石粉含量试验。

(6) 灰岩人工砂水电工程应用中若需将按旧版试验规程确定的石粉含量设计技术指标更改为采用新版试验规程检测时，可将石粉含量设计控制值提高约5%～8%。

[1] DL/T 5151—2014,水工混凝土砂石骨料试验规程[S]．北京:中国电力出版社,2014.[2] 杜青林，王树平，田先忠.大理岩人工砂石粉含量对锦屏一级水电站大坝混凝土性能的影响[J].水电站设计，2011,27(4):106-109.

[3] 王雨利，王稷良，周明凯,等.机制砂及石粉含量对混凝土抗冻性能的影响[J].建筑材料学报，2008，11(6):726-731.

[4] 王述银，覃理利，邓建武.龙滩水电站骨料质量改进措施及效果[J].长江科学院院报，2009，26(5):37-41.

[5] 蔡胜华，孙明伦，王海生.石粉含量对碾压混凝土性能的影响[J].长江科学院院报，2007，24(5):76-78.

[6] SL 352—2006,水工混凝土试验规程[S]．北京:中国水利出版社,2006．

[7] DL/T 5144—2015,水工混凝土施工规范[S]．北京:中国电力出版社,2015．

[8] DL/T 5433—2009,水工碾压混凝土施工规范[S]．北京:中国电力出版社,2009．

(编辑：占学军)

Discussion on Test Methods of Detecting Stone Powder Contentin Artificial Limestone Sand

GUO Wen-kang1, LI Xian-gao2, MIU Xiang-fu2, GUO Hui1, SHI Zheng-guo1

(1. Engineering Quality Inspection Center, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China; 2.Huangdeng & Dahuaqiao Hydropower Engineering Construction and Administration Department, Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Lanping 671400,China)

Test methods for stone powder content (hereafter referred to as SPC) are quite different between the 2001 version and 2014 version ofCodefortestingaggregatesofhydraulicconcrete. In order to investigate the influence of method change on SPC test results, we detected 535 groups of artificial limestone powder (hereafter referred to as ALP) from Huangdeng hydropower station by different test methods. Results indicate that the measured values of ALP are quite different by different SPC test methods, and the influence of test method is of some regularity. The deviations in SPC test results obtained by wet screening & washing method and dry-sieve method accord with normal distribution, and the measured values of micro-particle content of ALP by wet screening & washing method also follows normal distribution. Moreover, the deviations in ALP test results obtained by the two methods in normal concrete mainly varies from 5% to 9%, with the mean value of 6.7%; as for roller compacted concrete, the interval is from 4% to 9%, and the mean value is 5.2%. In addition, the proportions of micro-particle content in ALP in normal concrete and roller compacted concrete are identical in general, approximately accounting for 80.4% of SPC.

artificial limestone sand; stone powder content; testing detection method; microparticle content; Huangdeng hydropower station

2016-05-19；

2016-06-17

郭文康(1986-),男，瑶族，湖南郴州人，工程师，硕士，主要从事水工混凝土性能及原材料应用的研究，(电话)18995627339(电子信箱)guowenkang86@163.com。

10.11988/ckyyb.20160488

2017,34(8):144-148

TU528.042

A

1001-5485(2017)08-0144-05