大理巖石粉特性及其在碾壓混凝土中的應(yīng)用

詹候全，李光偉

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

目前我國已建成碾壓混凝土壩共66座，在建的35座，近期擬建的24座。我國已建和在建碾壓混凝土筑壩材料的主要特點(diǎn)是低水泥用量，高摻粉煤灰，粉煤灰摻量一般為50% ～70%。在碾壓混凝土硬化以前，粉煤灰主要發(fā)揮“填充效應(yīng)”，保證碾壓混凝土的和易性和可碾性;在硬化以后，粉煤灰還能發(fā)揮"火山灰效應(yīng)"，使碾壓混凝土獲得較高的后期強(qiáng)度增長。然而，由于近年來我國的水電、交通以及工民建等行業(yè)的迅速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得粉煤灰出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。另外目前我國的水電工程大多地處西南、西北、新疆和西藏的偏僻地區(qū)，粉煤灰的長距離運(yùn)輸將大大提高混凝土的單位成本，因此尋找能適用于碾壓混凝土筑壩施工工藝，來源豐富、經(jīng)濟(jì)易得的新型摻和料勢在必行。

水工混凝土人工砂石粉是指加工前經(jīng)除土處理、加工后形成粒徑小于0.16mm的顆粒，其礦物組成和化學(xué)成分與被加工母巖相同。人工砂石粉與天然砂中的泥的成分不同、粒徑分布不同，在混凝土中所起的作用亦不同。適量的石粉對混凝土是有益的，它可以彌補(bǔ)人工砂配制混凝土和易性差的缺陷;它的摻入對完善混凝土特細(xì)骨料的級配、提高混凝土密實(shí)性都有益處，進(jìn)而起到提高混凝土綜合性能的作用。大理巖由碳酸鹽巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用或接觸變質(zhì)作用形成，主要由方解石和白云石組成。大理巖石粉除了具有硅酸鹽類巖石粉的微集料作用及顆粒的形貌作用外，還具有一定的晶核作用和活性作用。現(xiàn)結(jié)合官地水電站的實(shí)際，開展大理巖石粉部分替代粉煤灰作為碾壓混凝土摻和料的試驗(yàn)研究。

2 大理巖石粉的基本特性

2.1 大理巖石粉的化學(xué)成分和礦物組成

大理巖石粉的化學(xué)成分見表1，其CaO含量和燒失量之和占總質(zhì)量的90%以上。X射線衍射分析結(jié)果表明:大理巖為典型的碳酸鹽類巖石，主要礦物成分為方解石。

表1 大理巖石粉的化學(xué)成分 %

2.2 大理巖石粉的物理性能及粒度分析

大理巖石粉的密度為2.57g/cm3，需水量比為97.7%。大理巖石粉的粒度分析試驗(yàn)結(jié)果見表2。采用顯微圖像分析儀對大理巖石粉進(jìn)行顆粒級配分析的結(jié)果表明:大理巖石粉的顆粒大部分分布在0～5μm粒徑范圍內(nèi)，占顆?？倲?shù)的90%以上。采用激光粒度分析儀對大理巖石粉的顆粒級配和比表面積進(jìn)行測試的結(jié)果表明:大理巖石粉的比表面積為213.5 m2/g，中徑為80.5μm。

2.3 大理巖石粉水泥膠砂強(qiáng)度特性

摻大理巖石粉水泥膠砂強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究結(jié)果見圖1，摻量固定為30%。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:摻大理巖石粉的水泥膠砂強(qiáng)度低于摻Ⅱ級粉煤灰的水泥膠砂強(qiáng)度，其28d的強(qiáng)度降低10%左右，表明大理巖石粉的強(qiáng)度特性要遜于粉煤灰。與摻硅酸鹽類巖石粉相比，摻大理巖石粉水泥膠砂強(qiáng)度略高，28d的強(qiáng)度提高17%，表明大理巖石粉的強(qiáng)度特性要高于硅酸鹽類巖石粉的強(qiáng)度特性。

表2 大理巖石粉的粒度分析

圖1 摻大理巖石粉水泥膠砂強(qiáng)度特性

3 大理巖石粉作為碾壓混凝土摻和料的試驗(yàn)研究

3.1 大理巖石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土性能的影響

采用官地水電站工程實(shí)際所用的中熱水泥、Ⅱ級粉煤灰和玄武巖人工骨料，復(fù)摻高效緩凝減水劑，在保持混凝土水膠比和摻和料總摻量不變的條件下，進(jìn)行大理巖石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土性能影響的試驗(yàn)研究。

在保持摻和料的摻量為55%的條件下，采用大理巖石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土強(qiáng)度性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表3，對碾壓混凝土彈性模量和極限拉伸性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表4，采用大理巖石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土干縮性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表5。其中大理巖石粉替代粉煤灰的比例分別為27.2%、45.5%和63.6%，單方混凝土的替代量分別為27kg、45kg和62kg。

表3 石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土強(qiáng)度的影響

從試驗(yàn)結(jié)果來看，將大理巖石粉部分替代粉煤灰后，碾壓混凝土的7d強(qiáng)度有所增加，其余齡期碾壓混凝土的強(qiáng)度有所降低。這是由于大理巖石粉的微集料效應(yīng)要優(yōu)于粉煤灰，后期的活性要遜于粉煤灰的緣故。將石粉部分替代粉煤灰后，碾壓混凝土的彈性模量和極限拉伸均有所降低，碾壓混凝土的干縮變形有所減少。

在保持摻和料的摻量為50%的條件下，采用大理巖石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土耐久性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表6，對碾壓混凝土絕熱溫升性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表7，其中大理巖石粉替代粉煤灰的比例分別為20%和40%，單方混凝土的替代量分別為17kg和34kg。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在凍融100次的情況下，采用大理巖石粉部分替代粉煤灰碾壓混凝土的剩余相對動彈模隨著石粉的替代量的增加而有所減少，表明采用大理巖石粉部分替代粉煤灰后，碾壓混凝土的抗凍性能有降低的趨勢。采用大理巖石粉部分替代粉煤灰則對碾壓混凝土的抗?jié)B性能影響不大，碾壓混凝土的絕熱溫升隨著大理巖石粉替代量的增加而有所降低。

表4 石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土彈模和極拉的影響

表5 石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土干縮變形影響

表6 石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土耐久性能影響

3.2 大理巖石粉部分替代粉煤灰在工程中的應(yīng)用

采用中熱水泥(28d抗壓強(qiáng)度為48.6MPa)，Ⅱ級粉煤灰(細(xì)度為19.0%、需水比為93.0%)，官地水電站竹子壩料場的玄武巖人工骨料(密度為2.97g/cm3、石粉含量為16.9%)，進(jìn)行大理巖石粉部分替代粉煤灰大壩碾壓混凝土的配合比設(shè)計及基本性能試驗(yàn)研究。

官地水電站大壩碾壓混凝土主要品種為C18025W6F100和C18020W6F100，采用大理巖石粉替代粉煤灰的碾壓混凝土配合比見表8，其中每方混凝土替代粉煤灰34～37kg。碾壓混凝土拌和物泛漿好且振搗容易，其Vc值為5.3～5.5s，滿足Vc值5±2s的要求。采用大理巖石粉替代粉煤灰碾壓混凝土性能指標(biāo)見表9，采用大理巖石粉部分替代粉煤灰配制的C9025和C9020碾壓混凝土的抗凍等級大于F100，抗?jié)B等級大于W8均滿足設(shè)計的要求，其90d的極限拉伸值分別為79×10－6和75×10－6均滿足設(shè)計所提出的極限拉伸不得小于70×10－6的碾壓混凝土抗裂性能要求，可見采用大理巖石粉部分替代粉煤灰可以配制滿足設(shè)計要求的大壩碾壓混凝土。

表7 石粉部分替代粉煤灰對碾壓混凝土絕熱溫升影響

表8 大理巖石粉部分替代粉煤灰碾壓混凝土配合比

表9 大理巖石粉部分替代粉煤灰碾壓混凝土性能指標(biāo)

4 結(jié) 語

大理巖石粉除了具有硅酸鹽巖石石粉具有的微集料作用以及顆粒的形貌作用外，還具有一定的晶核作用和活性作用。由于大理巖石粉的比表面積大于粉煤灰，且多為小于55μm的細(xì)顆粒，采用大理巖石粉部分替代粉煤灰后，可以在碾壓混凝土中填充了大量孔隙，其微集料效應(yīng)要強(qiáng)于粉煤灰，因此表現(xiàn)為早期的強(qiáng)度性能優(yōu)于粉煤灰。試驗(yàn)研究證明:將大理巖石粉部分替代粉煤灰作為摻和料，可以配制滿足設(shè)計要求的碾壓混凝土。

［1］王圣培.碾壓混凝土筑壩20年［C］∥張嚴(yán)明.中國碾壓混凝土壩20年.北京:中國水利水電出版社，2006:10－19.

［2］劉數(shù)華，閻培渝.石粉作為碾壓混凝土摻和料的利用和研究綜述［J］.水力發(fā)電，2007(1):69－71.

［3］洪錦祥，蔣林華，黃衛(wèi)，等.人工砂中石粉對混凝土性能影響及其作用機(jī)理研究［J］.公路交通科技，2005(11):84－88.

［4］中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院科研所.雅礱江官地水電站碾壓混凝土摻大理巖石粉試驗(yàn)報告［R］.2009.