藏木水電站大壩摻石灰石粉混凝土性能研究

李光偉，鄧長軍

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610071)

藏木水電站位于西藏山南地區(qū)加查縣境內(nèi)，為雅魯藏布江中游沃卡河下游峽谷段最后一級(jí)電站.電站裝機(jī)容量510 MW，年發(fā)電量25.089億kW·h，以發(fā)電為主，兼有下游防洪和灌溉等綜合功能.水電站擋水建筑物為壩高116 m的混凝土重力壩，混凝土總量約300萬m3，需摻合料約20萬t.由于當(dāng)?shù)貨]有水工混凝土所需的粉煤灰或礦渣摻和料，大壩混凝土的摻和料需從內(nèi)地長距離運(yùn)輸.這樣不僅增加了工程造價(jià)，而且會(huì)受客觀條件的影響得不到有效保障，進(jìn)而影響工程建設(shè)進(jìn)度，因此大壩混凝土摻合料的選擇是藏木水電站大壩混凝土設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

石灰石粉主要指由石灰?guī)r經(jīng)機(jī)械加工后的顆粒小于0.16 mm的微細(xì)粒.大量的試驗(yàn)研究成果［1－4］表明:石灰石粉不完全是一種惰性材料，它具有一定的反應(yīng)活性，能緩慢地與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的水化產(chǎn)物，充填混凝土孔隙，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的性能.近年來，隨著對(duì)石灰石粉認(rèn)識(shí)的不斷深入，將石灰石粉作為混凝土摻和料亦開始被水電工程所接受，并開展了大量的應(yīng)用研究［5－8］，但研究主要圍繞在碾壓混凝土中摻石灰石粉展開，而對(duì)在常態(tài)混凝土中摻用石灰石粉則涉及較少.本文結(jié)合西藏地區(qū)石灰石儲(chǔ)量豐富的實(shí)際，開展石灰石粉作為單一摻合料用于大壩常態(tài)混凝土的試驗(yàn)研究，并與摻Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土進(jìn)行比較，對(duì)石灰石粉用于藏木水電站大壩混凝土的可行性進(jìn)行探討.

1 混凝土原材料

試驗(yàn)采用的主要膠凝材料為P.MH42.5水泥和Ⅱ級(jí)粉煤灰，以及工程當(dāng)?shù)厥規(guī)r加工而成的石灰石粉，主要化學(xué)成分見表1.其中水泥的28 d抗壓強(qiáng)度為52.0 MPa，抗折強(qiáng)度為8.6 MPa.粉煤灰的細(xì)度為15%，需水量比為98%.石灰石粉的比表面積為300 m2/kg，需水量比為97%.試驗(yàn)采用花崗巖人工骨料，骨料的密度為2.66 kg/m3，人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.92，石灰石粉含量為11.5%.

圖1為石灰石粉和粉煤灰的顆粒形貌，可見，石灰石粉顆粒為不規(guī)則體，表面粗糙，顆粒表面有細(xì)微顆粒吸附現(xiàn)象;粉煤灰中含有大量的球形顆粒，表面致密、光滑;從粒徑看，石灰石粉和粉煤灰的顆粒粒徑分布在同一個(gè)量級(jí)內(nèi).

表1 水泥、粉煤灰和石灰石粉化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of cement，fly ash and limestone powder

圖1 石灰石粉和粉煤灰的顆粒形貌Fig.1 Particle morphology of limestone powder and fly ash

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

結(jié)合藏木水電站的實(shí)際需求，進(jìn)行單摻石灰石粉和Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)，石灰石粉和Ⅱ級(jí)粉煤灰均等量替代30%的水泥，試驗(yàn)所采用的混凝土為四級(jí)配.混凝土中加摻一定量的緩凝高效減水劑和引氣劑，混凝土的坍落度控制在30～50 mm，含氣量控制在3% ～5%，混凝土配合比見表2.由于石灰石粉沒有類似于粉煤灰的火山灰活性，因此配制滿足設(shè)計(jì)耐久性要求相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r，其水泥用量有所增加，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高增加的水泥用量越多.

表2 大壩混凝土配合比Tab.2 Dam concrete mixture ratio

2.1 對(duì)大壩混凝土和易性的影響

在混凝土用水量相同的條件下，采用石灰石粉混凝土的和易性要優(yōu)于采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，其原因在于石灰石粉具有良好的填充效應(yīng).超細(xì)石灰石粉填充在水泥顆粒之間，具有良好的分散作用，對(duì)水泥的“絮凝結(jié)構(gòu)”有著解絮作用［9］.由于超細(xì)石灰石粉的需水量較Ⅱ級(jí)粉煤灰低，因而在混凝土用水量一致的條件下，可以提高混凝土的坍落度，改善混凝土的工作性能.

2.2 對(duì)大壩混凝土力學(xué)性能的影響

采用石灰石粉作為摻和料對(duì)大壩混凝土強(qiáng)度性能的影響見圖2.由試驗(yàn)結(jié)果可見:與采用Ⅱ級(jí)粉煤灰相比，采用石灰石粉混凝土的早期抗壓強(qiáng)度要高.其中7 d抗壓強(qiáng)度高15.8%，28 d抗壓強(qiáng)度高9.2%，28 d抗拉強(qiáng)度高36.1%.其原因在于石灰石粉具有一定的加速效應(yīng)，超細(xì)石灰石粉顆粒作為一個(gè)個(gè)成核場所，致使溶解狀態(tài)中的C－S－H遇到固相粒子并接著沉淀其上的概率有所增大，石灰石粉在水泥漿中充當(dāng)了水化硅酸鈣(C－S－H)的成核基體，降低了成核位壘，加速了水泥的水化［10］.

圖2 摻石灰石粉對(duì)大壩混凝土強(qiáng)度性能的影響Fig.2 Influence of limestone powder on strength properties of dam concrete

采用石灰石粉作為摻和料對(duì)大壩混凝土變形性能的影響見圖3.可見:與采用Ⅱ級(jí)粉煤灰相比，采用石灰石粉混凝土彈性模量和極限拉伸均有所提高，其中28和90 d的彈性模量分別提高了18.6%和7.9%.28和90 d的極限拉伸分別提高了14.6%和2.8%.

圖3 摻石灰石粉對(duì)大壩混凝土變形性能的影響Fig.3 Influence of limestone powder on deformation properties of dam concrete

2.3 對(duì)大壩混凝土絕熱溫升的影響

采用石灰石粉作為摻和料對(duì)大壩混凝土絕熱溫升的影響見圖4.可見:與采用Ⅱ級(jí)粉煤灰相比，采用石灰石粉混凝土7 d齡期前的絕熱溫升要略高0.1～0.3℃，其原因在于摻石灰石粉混凝土的水泥用量較高，且石灰石粉具有一定的加速水泥水化的效應(yīng).10 d齡期后，其絕熱溫升比摻粉煤灰混凝土有所降低，到28 d齡期時(shí)低0.3～0.4℃，這是由于粉煤灰后期參與水化的緣故.

圖4 摻石灰石粉對(duì)大壩混凝土絕熱溫升的影響Fig.4 Influence of limestone powder on dam adiabatic temperature rise

2.4 對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響

采用石灰石粉作為摻和料對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響見圖5.可見:采用石灰石粉混凝土的干縮變形以及自生體積收縮變形均要大于采用粉煤灰混凝土.這是由于石灰石粉在加速水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣形成的同時(shí)，其自身與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣晶體，從而造成混凝土的收縮變形增大.

圖5 摻石灰石粉對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influence of limestone powder on stability of dam concrete volume

2.5 對(duì)大壩混凝土耐久性能的影響

采用石灰石粉作為摻和料對(duì)大壩混凝土耐久性能的影響見表3.可見:采用石灰石粉混凝土的抗凍等級(jí)可以滿足設(shè)計(jì)的要求(F100～F150).相同強(qiáng)度等級(jí)下，采用石灰石粉混凝土的滲透系數(shù)較采用粉煤灰混凝土的小，表明采用石灰石粉混凝土的抗?jié)B透能力較強(qiáng).這是由于石灰石粉可以提高集料的有效堆積，在水泥水化過程中阻止毛細(xì)孔道的形成，從而提高混凝土的抗?jié)B性能.

表3 石灰石粉對(duì)大壩混凝土耐久性能的影響Tab.3 Influence of limestone powder on dam concrete durability

3 結(jié)語

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和水電開發(fā)向西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)的轉(zhuǎn)移，使得粉煤灰資源的緊俏和地域性匱乏已影響到水工大壩混凝土的建設(shè)，尋找一種容易獲取，優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的新型混凝土摻和料勢在必行.與水工混凝土常用的Ⅱ級(jí)粉煤灰相比，采用石灰石粉可以改善大壩混凝土的和易性，提高大壩混凝土的抗?jié)B能力和早期的力學(xué)性能，減少大壩混凝土后期的絕熱溫升，但同時(shí)也存在著對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性不利的弊端.

結(jié)合西藏藏木水電站實(shí)際工程，開展了采用石灰石粉作為大壩摻和料的試驗(yàn)研究.結(jié)果表明:在藏木水電站采用石灰石粉作為摻和料可以配制滿足設(shè)計(jì)要求的大壩混凝土，將石灰石粉作為摻和料用于藏木水電站大壩混凝土在技術(shù)上是可行的.

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