某水电站工程花岗片麻岩人工骨料原岩试验研究

吴树良, 邓争荣, 粟玉英, 张召松, 程方权

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉　430010)

1　工程背景

某水电站工程位于东南亚某国峡谷区,属于Ⅰ等大(1)型水电工程,枢纽挡水、泄水建筑物布置于主河床,设计为碾压混凝土重力坝,设计最大坝高200余米。该水电站位于开发河流中游河段,河谷狭窄,工程区天然砂砾料缺乏,所需混凝土骨料须采用人工骨料。

水电站场址区内广泛分布花岗片麻岩,可以选择作为混凝土人工骨料原岩开采加工利用。本着料场选择应遵循“技术上可行，经济上合理，尽可能减少对环境产生不利影响,先近后远”[1]的基本原则,经地形地质、开采运输条件比较后,就近选定了位于该水电站工程右坝肩下游1 km以内的花岗片麻岩石料场作为人工骨料料源。料源规划开采范围内剥离层较薄,储量充足,但勘察期需要对原岩进行质量方面的试验论证研究,文中主要论述其试验研究以及质量技术指标评价研究成果,可供同类工程参考借鉴。

2　人工骨料场地质概况

工程选择的人工骨料场位于该水电站工程右坝肩下游1 km,所在地区属于构造剥蚀中低山、河流侵蚀地貌区,山脉主要呈近南北向延伸。料场区总体由“人”字形斜交的两条山脊构成主体骨架,两条山脊于料场北部交汇后形成走向近SN的山脊,其中“人”字形山脊中的西侧山脊向SW方向延伸,东侧山脊向SE方向延伸,两山脊间为向南倾斜的凹槽。

料场区地表多为第四系残坡积层(Qedl)含碎石黏土及碎块石土覆盖,基岩零星出露。第四系覆盖层厚度一般不超过21 m,基岩地层岩性为中上元古界(Pt2-3)花岗片麻岩。料场范围内剥离层厚度1～32 m,局部达50 m,规划开采范围内剥离层厚度<27 m,平均约17 m,有用层储量丰富,远远满足要求。

3　原岩试验研究

3.1　矿物、化学成份及室内物理力学性质试验与评价

3.1.1矿物、化学成份试验

在人工骨料场钻孔中采取有用层岩石芯样9组进行岩矿鉴定及化学成份测试,结果见表1。试验表明,其岩石矿物成份以斜长石、石英、钾长石为主,少量黑云母及角闪石;主要化学成份为SiO2、Al2O3,少量CaO、Fe2O3、Na2O、K2O等。

表1　花岗片麻岩岩石矿物成份镜鉴及化学成份测试成果

3.1.2室内物理力学性质试验

在人工骨料场钻孔中采取有用层岩石(微新状)芯样10组,进行了室内物理力学性质试验,试验成果见表2、表3。由表可知,岩石天然块体密度2.57～2.87 g/cm3,平均2.66 g/cm3;饱和单轴抗压强度128～218 MPa,平均152 MPa,属坚硬岩。

表2　花岗片麻岩岩石室内物理性质试验成果

表3　花岗片麻岩岩石室内力学性质试验成果

3.1.3原岩质量技术指标评价

由原岩矿物、化学成份及室内物理力学性质试验成果,按照规程DL/T 5388—2007中对人工骨料原岩质量技术指标要求,对其评价见表4。由表可知,人工骨料原岩饱和抗压强度力学性质及化学性质指标满足规定要求。

表4　人工骨料原岩质量技术指标评价

3.2　碱活性及抑制试验与评价

花岗片麻岩属于片麻岩类,巴西、法国、印度等国水电工程使用花岗岩或片麻岩作为骨料均出现过碱骨料反应导致的事故[2-4]。鉴于已有的片麻岩骨料具有碱活性的工程案例,本工程对原岩开展了专门碱活性试验研究。

3.2.1碱活性试验

本工程对人工骨料场有用层岩样的碱活性试验按规程DL/T 5388—2007规定的方法进行,首先采用岩相法确定骨料原岩中是否含有碱活性的成份,鉴定结果见表5。结果表明,骨料原岩中存在一定量的微晶石英、应变石英,可能发生碱硅酸反应。其次采用砂浆棒快速法试验进行判定,试验采用中热水泥,试验结果见表6。结果表明,人工骨料场所采取有用层岩石芯样制备的试件中,有近80%的试件具有潜在危害性反应活性。

表5　花岗片麻岩岩石岩相法鉴定结果

3.2.2碱活性抑制试验

最常用的抑制碱骨料反应的掺合料有粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰及偏高岭土、硅藻土、沸石等,国内外对这些掺合料抑制碱骨料反应的有效性进行了广泛的试验研究,掺入粉煤灰作为抑制和防止碱骨料反应已得到广泛应用[5]。

选取具有潜在碱活性反应的花岗片麻岩人工骨料,分别采用在水泥中掺入不同比例I级粉煤灰、火山灰作为抑制材料进行了骨料碱活性抑制效果试验研究,试验方法仍采用砂浆棒快速法。

掺入I级粉煤灰、火山灰后,花岗片麻岩人工骨料碱活性抑制试验结果见表7,不同掺量14 d、28 d龄期膨胀率及膨胀率降低率曲线见图1。结果表明,I级粉煤灰及火山灰掺量逐渐增加,试件各龄期膨胀率递减,对应膨胀率降低率递增;当I级粉煤灰掺量≥10%时,砂浆棒试件14 d、28 d龄期膨胀率均<0.1%,满足规定要求,膨胀率降低率分别>75%、63%;当火山灰掺量≥30%时,砂浆棒试件14 d、28 d龄期膨胀率均<0.1%,满足规定要求,膨胀率降低率分别>60%、56%。

3.2.3碱活性及掺合料抑制效果评价

碱活性试验结果表明,有近80%的砂浆棒试件具有潜在危害性反应活性。因此,综合判定认为,本水电站工程花岗片麻岩人工骨料场原岩具有潜在危害性反应活性。碱活性抑制试验表明:掺入粉煤灰、火山灰掺合料均对花岗片麻岩人工骨料碱活性抑制效果明显,其中,分别掺入I级粉煤灰掺量≥10%、火山灰掺量≥30%时,砂浆棒试件膨胀率均满足规定要求。掺入掺合料砂浆棒试件的膨胀率降低率,I级粉煤灰大于火山灰;14 d、28 d龄期膨胀率满足规定要求的砂浆棒试件掺合料掺量,I级粉煤灰小于火山灰,由此可见,掺合料碱活性抑制效果,I级粉煤灰明显优于火山灰。

表6　花岗片麻岩岩样碱活性试验结果

表7　掺入掺合料人工骨料碱活性试验结果

图1　掺合料不同掺量14 d、28 d龄期膨胀率及膨胀率降低率曲线

3.3　人工轧制骨料试验与评价

3.3.1人工轧制骨料试验

对人工骨料场有用层采取岩样进行了人工轧制混凝土细骨料、粗骨料试验各6组,试验成果见表8-表9。由结果可知,原岩人工轧制混凝土细骨料细度模数2.37～2.82,平均2.58;平均粒径0.33～0.42 mm,平均值0.38 mm;石粉含量18.0%～21.0%,平均20.0%。原岩人工轧制混凝土粗骨料压碎指标10.1%～15.6%,平均13.3%;无泥块含量。

3.3.2人工轧制混凝土骨料质量技术指标评价

由试验成果,按照规程DL/T 5388—2007对人工轧制混凝土细、粗骨料的质量技术指标要求,对其评价见表10、表11。结果表明,人工轧制混凝土细、粗骨料除物理性质堆积密度偏小外,其余质量技术指标满足规定要求;骨料原岩具有碱活性潜在危害性反应。原岩加工的骨料存在的碱活性反应,须采取碱活性抑制措施。

4　结论

某水电站工程选定的花岗片麻岩人工骨料料源,经对原岩试验研究与评价,结果表明:

表8　原岩人工轧制混凝土细骨料试验成果

表9　原岩人工轧制混凝土粗骨料试验成果

表10　原岩人工轧制混凝土细骨料质量技术指标评价

说明:表中“试验成果”列括号内数值为平均值,下同。

表11　原岩人工轧制混凝土粗骨料质量技术指标评价

(1)原岩和其人工轧制混凝土细、粗骨料质量技术指标除堆积密度外,其余均满足规定要求;

(2)碱活性专门试验结果显示骨料具有潜在危害性反应活性,经抑制试验,得出在混凝土中掺入适量的I级粉煤灰或火山灰,可以达到理想的抑制效果。

(3)工程建设时应采取低碱水泥严格控制含碱量与碱活性抑制措施,从而提高混凝土耐久性。

参考文献:

[1]DL/T 5388—2007水电水利工程天然建筑材料勘察规程[S].北京:中国电力出版社,2007.

[2]A.J.C.T.Cavalcanti.Alkali-Aggregate Reaction at Moxoto Dam,Brazil,Proceedings of the 7th International Conference on Alkali- Aggregate Reaction in Concrete[J].Ottawa city,1986:168-172.

[3]马赛尔·阿罗德.法国硅碱骨料中碱骨料反应的最新研究[J].中国三峡工程建设,1998(5)：60-63.

[4]Gote,B.S.An Evaluation of Some Common Indian Rocks with Special Reference to Alkali-Aggregate Reaction [J].Engineering Geology,1973(7):135-183.

[5]许继刚,王立明,唐晓芳.中低热水泥对人工骨料碱活性抑制影响研究[J].人民长江,2010(18)：71-72.