甘肃引洮供水二期工程中的粗砂性能试验研究

张明荣

（1.甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 7300002；甘肃信创水利水电工程质量检测有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

引洮供水工程属于甘肃省比较重大的水利建设工程，工程质量要求较高。工程周边建筑市场上合格的河砂资源来源极为紧缺，周边的河砂普遍属于粗砂，其他地方优质河砂运输距离较长，运输成本较高，建设工期紧，远距离运输会影响工程建设的进度。重大水利工程对混凝土有较好抗渗性的要求；工程地区冬季气温寒冷对混凝土结构抗冻性要求高；工程部分隧洞内环境水硫酸盐含量较高，对混凝土结构侵蚀严重。根据工程的特点，混凝土的各项性能必须满足设计要求。

混凝土的配制宜通过合理选用原材料，采用适中水胶比、合适的胶凝材料用量和高性能外加剂为基本手段，以工作性能、可泵性，抗渗性等均衡发展为目标进行混凝土配合比设计，提高混凝土的密实性，减少混凝土水化热和收缩，防止裂缝的产生及扩展，达到耐久性能满足设计要求的目的[1]。通过多个项目的试验，研究粗砂制备混凝土的可行性、合理性。项目以引洮供水工程为依托，试验研究不仅为引洮供水工程的顺利建成提供强有力的技术支撑，也拓展了粗砂在混凝土中的应用领域。

1 试验原材料及试验方法

1.1 原材料选取

试验研究所用原材料主要是河砂、水泥、碎石、粉煤灰和引气减水剂。

1）细骨料：产地为白银市会宁县；细度模数为3.4，粗颗粒较多，物理性能见表1，筛分曲线见图2。

表1 河砂物理性能

图1 河砂

图2 河砂筛分曲线

2）其他原材料

中砂：产地为会宁、细度模数为2.7；水泥：产自祁连山的P·O42.5水泥，28 d抗压强度为 51.6 MPa；粗骨料：规格为5 mm～20 mm、20 mm～40 mm二级配碎石，压碎指标为8%；粉煤灰：白银华电F类Ⅱ级粉煤灰，需水量比98%；引气减水剂：甘肃润世达引气减水剂，减水率为15.4%，推荐掺量1.5%～2.0%。

1.2 试验方法

试验以细度模数为3.4的细骨料设计C25、C30强度混凝土。依据SL352-2006《水工混凝土试验规程》和吸收相关施工技术人员意见和建议基础上进行适配，观察和易性，测试坍落度、强度、抗渗性和抗冻性。改变粉煤灰掺量，确定粉煤灰掺量对抗冻性能的影响。最后结合工程实际情况，提出合理抗硫酸盐方案及措施[2]。

2 试验结果分析

水利工程对混凝土抗渗、抗冻性能均有要求，再者工程区暗渠周边土壤和隧洞渗水中硫酸盐含量普遍偏高，对混凝土的侵蚀性较为严重。混凝土配合比设计时兼顾良好的施工性能，试验研究结合实际情况，确定粗砂制备混凝土的可行性和合理性[3]。

2.1 工作性能

根据《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）相关工程经验进行水工混凝土配合比的设计。泵送混凝土坍落度一般在160 mm～200 mm内，初设配合比见表2。

表2 初设配合比

由表2可知，相同水胶比、相同用水量、相同砂率的粗砂混凝土的坍落度较中砂混凝土坍落度大；相同用水量、不同水泥用量的混凝土坍落度差别较小。粗砂混凝土用水量为180 kg/m3时，混凝土坍落度＞200 mm，混凝土极易发生流浆、泌水的现象，水泥浆在骨料表面流失造成浆骨料分离。调整粗砂混凝土用水量为172 kg/m3，测得粗砂混凝土坍落度为185 mm，坍落度完全可以满足施工要求[4]。

2.2 力学性能

对比相同水灰比、不同用水量的粗砂混凝土和中砂混凝土的28d抗压强度，测试结果如图2所示，B1、C1组设计强度C25，B2、C2组设计强度C30，B组细骨料为中砂、C组细骨料为粗砂。

图3 不同用水量抗压强度

由图3可知，4组混凝土28d抗压强度均达到设计强度（C25设计强度 31.6 MPa，C30设计强度 37.4 MPa），B组混凝土抗压强度较C组高，不同用水量中砂混凝土的水泥和粉煤灰用量较粗砂混凝土多，粗砂混凝土孔隙率较中砂混凝土高。

将C粗砂混凝土砂率提高3%，新拌混凝土的工作性能更好，C25抗压强度提高2.8 MPa，C30抗压强度提高1.5 MPa。提高粗砂混凝土砂率，改变了混凝土内部的颗粒级配，混凝土内部骨架之间空隙率被更充分填充使强度提高[5]。C30混凝土提高幅度较C25低，C30混凝土中胶凝材料用量多32 kg/m3，空隙率越低。根据配置强度粗砂混凝土较中砂混凝土砂率可提高2%～4%。

2.3 耐久性能

粗砂混凝土因其采用的细骨料较为特殊，导致其材料与构件方面和普通混凝土存在差异，故其耐久性与普通混凝土有相似之处，但也有其特殊性，目前针对粗砂混凝土耐久性的研究几乎没有。

1）抗渗性能

对选定B组、D组配合比制备的抗渗试块养护28 d后取出，试块表面干燥后，进行抗渗试验。设计要求泵送混凝土的抗渗等级为W4。测试结果如表4所示。

表4 抗渗测试结果

4组混凝土发生渗水的最大压力均已达到0.7 MPa以上，粗砂制备的混凝土抗渗等级可以达到W6级以上。粗砂制备的混凝土抗渗等级满足工程的设计要求。

2）抗冻性能

引洮工程地区冬季气温寒冷，冬季引洮供水暗渠工程部分将会受到不同程度的冻融破坏，要求混凝土有较高的抗冻性。提高混凝土抗冻性的措施有：降低水灰比、掺用引气剂和选用优质骨料等。同时水灰比降低会使单位水泥用量增大，添加掺合料可以降低孔隙率，从而可以提高混凝土的抗冻性[6]。试验研究对比C25粗砂混凝土粉煤灰掺量对抗冻性能的影响，结果见表5。

表5 粉煤灰掺量对抗冻性能的影响

由表5可知，随着粉煤灰掺量增多，混凝土抗冻性先增大后减小，粉煤灰最佳掺量占材料总量的15%～20%。粉煤灰掺量超过20%，混凝土早期强度较低，不易拆模，影响施工进度。粉煤灰的掺入改变了混凝土内部毛细管的形态和结构从而使得抗冻性提高，粉煤灰掺入使得泵送更加容易，混凝土的保水性更好。引洮二混凝土多数抗冻指标为F50，粗砂制备的混凝土抗冻性满足工程需要[7]。

3）抗硫酸盐侵蚀性能

引洮二期工程土壤中硫酸盐和隧洞环境水中硫酸盐含量偏高，硫酸盐对混凝土结构的侵蚀较为严重，侵蚀会产生开裂、溶蚀、剥落、膨胀、松软及强度下降等，严重影响结构的使用寿命。普通硅酸盐水泥制备的混凝土抗硫酸盐侵蚀性能不能满足对工程抗硫酸盐性能的要求，普通混凝土受硫酸盐侵蚀见图4。

提高混凝土抗硫酸盐的措施有：选用抗硫酸盐水泥和外加剂等。试验研究采用添加抗硫酸盐硅酸盐水泥和添加5%抗腐蚀阻锈剂的措施来提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，具有抗硫酸盐混凝土强度等级为C30，结果见图5。

图4 普通混凝土被硫酸盐侵蚀图片

图5 抗侵蚀试验结果

由图5可知，随着循环次数增加，抗压强度耐蚀系数逐渐降低；抗腐蚀阻锈剂的抗硫酸盐腐蚀能力优于抗硫酸盐水泥。侵蚀初期抗压强度增加是由于循环高温促进未水化的部分进一步水化和硫酸盐侵蚀内部变得更加密实的结果。抗腐蚀和抗硫酸盐水泥均能满足粗砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能[8]。

3 粗砂使用存在的问题

粗砂对混凝土用水比较敏感，用水量过少混凝土泵送不易，用水量过多会使混凝土产生离析。在施工过程中需要加强对混凝土用水量的控制，根据粗砂细度模数进行及时调整用量。

4 结语

（1）粗砂用于混凝土中是合理、可行的。

（2）粗砂制备的混凝土的工作性能、力学性能、抗渗性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性均可以达到引洮供水工程对混凝土性能的要求，砂的细度模数越大，砂率越需要适当的提高。

（3）试验研究只是选取一种细度的粗砂进行试验，在工程实际应用中，各种材料的品质有差别、配制混凝土的性能要求不一致、施工方法和拌合工艺有差别等，在实际工程应用中需重新进行配合比的设计、试配和调整。