石灰石粉替代粉煤灰對藏木水電站大壩混凝土性能影響的試驗研究

鄧長軍 ，李光偉

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

藏木水電站位于西藏自治區(qū)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電站。電站裝機容量510MW，年發(fā)電量25.089億kW·h，梯級聯(lián)合運行時年發(fā)電量22.30億kW·h。電站以發(fā)電為主，兼有下游防洪和灌溉等綜合開發(fā)任務(wù)。擋水建筑物為壩高116m的混凝土重力壩，混凝土總量約300萬m3，需摻合料約20萬t。藏木工程地處高原，工程所處地區(qū)無水工混凝土常用的粉煤灰、礦渣等摻合料資源，借助青藏鐵路長距離運輸，既增加工程造價，又受地域、氣候及運輸條件的影響而得不到有效保障，進而影響工程建設(shè)。因此摻合料的方案選擇和穩(wěn)定供應(yīng)將成為制約藏木水電站建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

石灰石粉主要指由石灰?guī)r經(jīng)機械加工后的顆粒小于0.16mm的微細粒。國內(nèi)外的試驗研究成果表明，石粉中粒徑小于0.045mm的鈣質(zhì)顆粒，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)，生成具有一定強度的水化產(chǎn)物，充填混凝土孔隙，使混凝土的孔隙細化，降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的性能。

西藏地區(qū)石灰石儲量豐富，加工成本低，運距相對較短，可利用價值高。針對藏木水電站的工程特點，進行石灰石粉作為新型摻合料用于大壩混凝土的試驗研究，在解決西藏地區(qū)水電工程混凝土摻合料短缺的緊迫需要、保障水工大壩混凝土性能和施工進度的同時，也可為業(yè)主節(jié)約建設(shè)成本，同時拓寬了現(xiàn)行混凝土礦物摻合料的種類，有著非常重要的社會經(jīng)濟價值和良好的應(yīng)用前景，符合國家建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境協(xié)調(diào)型社會的產(chǎn)業(yè)政策，具有巨大的環(huán)保效應(yīng)和社會效益。

2 混凝土原材料

試驗采用西藏山南華新P.MH42.5水泥，水泥的化學(xué)成分見表1，品質(zhì)檢驗結(jié)果見表2。采用西電宏大Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的化學(xué)成分見表1，品質(zhì)檢驗結(jié)果見表3。試驗所采用的石灰石粉化學(xué)成分見表1，品質(zhì)檢驗結(jié)果見表3。

3 石灰石粉替代粉煤灰對大壩混凝土性能影響的試驗研究

試驗結(jié)合藏木水電站進行。試驗所用粗骨料為花崗巖人工碎石和礫石的混合骨料，細骨料為花崗巖人工砂，復(fù)摻緩凝高效減水劑和引氣劑。骨料級配為三級配，混凝土的陷度控制在4～6cm，含氣量控制在4%～5%。粉煤灰的摻量為30%。在保持混凝土水膠比不變的條件下，石灰石粉等量替代粉煤灰，替代量考慮三種，分別為60%、80%和100%。

3.1 對混凝土拌和物和易性的影響

采用石灰石粉替代粉煤灰對混凝土拌合物和易性影響的試驗結(jié)果見表4。由試驗結(jié)果可見，在保持拌合物性能大致相當(dāng)條件下，隨著石灰石粉替代粉煤灰的量的增加，相同水膠比的混凝土單位用水量需增加1～3kg。采用石灰石粉替代粉煤灰對混凝土的含氣量影響不大。

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 石灰石粉和粉煤灰的物理性能

3.2 對混凝土強度性能的影響

硬化混凝土強度往往是評價混凝土質(zhì)量的重要依據(jù)，它與混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性等有密切的關(guān)系。石灰石粉替代粉煤灰對大壩混凝土強度性能的影響試驗結(jié)果見表5和圖1。由試驗結(jié)果可見:在相同條件下，隨著石灰石粉替代量的增加，混凝土7d抗壓強度有所增加，混凝土28d、90d抗壓強度、抗拉強度有所下降;隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土早期強度增長率隨之提高，后期強度增長率有所降低。

表4 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土拌和物性能影響

圖1 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響(水膠比為0.5)

表5 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土強度性能影響

3.3 對混凝土變形性能的影響

混凝土彈性模量主要與骨料性能和用量關(guān)系密切，一般來講，骨料本身的彈性模量越大、骨料用量越多，混凝土的彈性模量也就越大。

極限拉伸是混凝土軸向受拉斷裂時在極限狀態(tài)下的應(yīng)變值。由于混凝土的抗拉強度約為抗壓強度的十二分之一，為了防止大壩混凝土產(chǎn)生裂紋，對混凝土極限拉伸值作出限定并以該值作為混凝土抗裂性指標(biāo)之一。

石灰石粉替代粉煤灰對混凝土彈性模量及極限拉伸的影響見表6。試驗表明，在相同水膠比條件下，隨著石灰石粉替代量的增加，混凝土28d彈性模量基本相當(dāng)，90d彈性模量略有下降。隨著石灰石粉替代量的增加，混凝土極限拉伸值有所減小。

表6 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土變形性能影響

3.4 對混凝土體積穩(wěn)定性的影響

混凝土干縮對混凝土的結(jié)構(gòu)性能影響較大，在一般使用條件下，由于混凝土干縮變形而引起的應(yīng)力足以使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生變形以至裂縫，從而降低其強度和剛度，破壞混凝土微觀結(jié)構(gòu)，降低混凝土耐久性。石灰石粉替代粉煤灰對混凝土干縮的影響見表7。由試驗結(jié)果可見:在相同條件下，隨著石灰石粉替代粉煤灰的量的增加，混凝土干縮變形隨之增大，摻30%石灰石粉混凝土180d干縮率比摻30%粉煤灰混凝土干縮率大12%。

表7 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土干縮性能影響

混凝土在恒溫絕濕的條件下，由膠材的水化作用而引起的體積變形稱為自生體積變形。石灰石粉替代粉煤灰對混凝土自生體積變形的影響見圖2。由圖2可見:在相同條件下，采用石灰石粉替代粉煤灰混凝土自生體積收縮變形值有所增加。

圖2 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土自生體積變形的影響

從石灰石粉替代粉煤灰對混凝土干縮和自生體積變形的影響試驗結(jié)果可以看出:采用石灰石粉替代粉煤灰對混凝土的體積穩(wěn)定性不利。

3.5 對混凝土耐久性能的影響

混凝土的耐久性試驗主要對混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能進行檢測。石灰石粉替代粉煤灰對混凝土耐久性能的影響試驗結(jié)果見表8。由試驗結(jié)果可見，在相同水膠比條件下，隨著石灰石粉替代量的增加，混凝土抗?jié)B系數(shù)有所增加，抗?jié)B能力有所下降。隨著石灰石粉替代量的增加，在相同的凍融次數(shù)條件下，混凝土的質(zhì)量損失有所增加，混凝土的抗凍能力有所降低。

3.6 對混凝土熱學(xué)性能的影響

混凝土的熱物理參數(shù)主要是指混凝土產(chǎn)生或消除熱量的各種性能，包括混凝土由于水泥的水化熱所產(chǎn)生的絕熱溫升，以及混凝土的導(dǎo)溫、導(dǎo)熱、比熱和線膨脹系數(shù)等。石灰石粉替代粉煤灰對混凝土熱學(xué)性能的影響試驗結(jié)果見表9。由試驗結(jié)果可以看出:采用石灰石粉全部替代粉煤灰對混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及線膨脹系數(shù)等影響不大，但可以降低混凝土的絕熱溫升，在同等條件下，可降低0.8℃。

表8 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土耐久性能的影響

表9 石灰石粉替代粉煤灰對混凝土熱學(xué)性能的影響

4 石灰石粉替代粉煤灰在大壩混凝土中應(yīng)用的可行性

在保持水膠比不變的條件下，對石灰石粉等量替代粉煤灰對大壩混凝土性能影響進行的試驗研究表明:石灰石粉沒有類似粉煤灰的球形“形態(tài)效應(yīng)”，因此采用石灰石粉替代粉煤灰會增加混凝土用水量。石灰石粉有促進水泥水化的作用，因此采用石灰石粉替代粉煤灰后，會提高混凝土的早齡期的力學(xué)性能。由于石灰石粉沒有火山灰活性，采用石灰石粉替代粉煤灰后，混凝土的后齡期混凝土的力學(xué)性能有所降低，混凝土的絕熱溫升有所減少。

由此可以看出:作為水工混凝土的摻和料，摻粉煤灰混凝土的性能要優(yōu)于摻石灰石粉混凝土。藏木水電站大壩混凝土應(yīng)優(yōu)先選用粉煤灰作為大壩混凝土的摻和料。但西藏地區(qū)粉煤灰資源比較匱乏，長距離運輸粉煤灰又難以保證大壩混凝土的施工進度，因此需要采用石灰石粉部分替代粉煤灰作為大壩混凝土的摻和料。

采用石灰石粉部分替代粉煤灰作為摻和料配制的大壩混凝土性能指標(biāo)見表10，其中石灰石粉替代量為60%和80%。由表10可以看出:采用石灰石粉部分替代粉煤灰可以配制出滿足設(shè)計要求的大壩混凝土，因此，采用石灰石粉部分替代粉煤灰的方案用于藏木水電站大壩混凝土是可行的。與摻粉煤灰大壩混凝土性能相比，采用石灰石粉部分替代粉煤灰混凝土的早齡期力學(xué)性能較優(yōu)，絕熱溫升較低，但其后齡期混凝土的力學(xué)性能則稍遜，筆者建議替代量為60%較為適宜。

5 結(jié) 語

石灰石粉在混凝土中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)能發(fā)揮微集料作用;(2)能發(fā)揮顆粒的形貌效應(yīng);(3)能發(fā)揮晶核效應(yīng);(4)能發(fā)揮部分活性效應(yīng)。

結(jié)合藏木水電站的實際開展的石灰石粉替代粉煤灰對大壩混凝土性能影響的試驗研究表明:采用石灰石粉部分替代粉煤灰可以配制滿足設(shè)計要求的大壩混凝土，在藏木水電站大壩常態(tài)混凝土中采用石灰石粉部分替代粉煤灰在技術(shù)上是可行的，石灰石粉替代粉煤灰的量建議選為60%較為適宜。

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