石粉摻合料對碾壓混凝土工作性及強(qiáng)度的影響

龔 英，丁晶晶，祝小靚

(江西省水利科學(xué)研究院，江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

我國碾壓混凝土筑壩材料的特點(diǎn)是低水泥用量、高粉煤灰摻量，粉煤灰摻量一般在50%～70%。粉煤灰在碾壓混凝土筑壩材料中具有舉足輕重的作用[1]。然而，隨著國內(nèi)外水利、交通、工民建等的迅速發(fā)展，混凝土工程的大量建設(shè)，粉煤灰供應(yīng)逐漸出現(xiàn)緊缺和不經(jīng)濟(jì)等問題。亟需尋找一種容易獲取、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新型摻合料。

石粉是石灰?guī)r或其他原巖經(jīng)機(jī)械加工后粒徑小于0.16 mm或0.08 mm細(xì)顆粒。適當(dāng)提高砂中石粉含量，可有效增加膠凝材料漿體量，改善碾壓混凝土拌和物的工作性和可碾性，增進(jìn)碾壓混凝土的勻質(zhì)性、密實(shí)性。石粉替砂的作用，使石粉備受人們的重視[2-5]。伴隨粉煤灰緊缺問題的出現(xiàn)，人們開始關(guān)注石粉作為混凝土摻合料的應(yīng)用[6-12]。由于石粉幾乎沒有火山灰活性，在滿足設(shè)計(jì)要求或不顯著影響碾壓混凝土性能條件下，石粉究竟能在多大程度上代替粉煤灰是值得研究的課題。

試驗(yàn)選用兩種摻合料：粉煤灰、石粉+粉煤灰。摻合料摻量保持不變，改變石粉與粉煤灰的復(fù)摻比例，以單摻粉煤灰碾壓混凝土作為基準(zhǔn)，對比研究石粉摻合料對碾壓混凝土工作性及強(qiáng)度的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料為：海螺水泥P.O42.5；II級粉煤灰；石粉，45 um篩余量8.7%；人工砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬中砂；二級配5～20 mm、20～40 mm人工碎石；試驗(yàn)當(dāng)?shù)仫嬘盟?/p>

1.2 試驗(yàn)方法

以單摻粉煤灰碾壓混凝土為基準(zhǔn)混凝土，采用R9020強(qiáng)度等級設(shè)計(jì)，參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的附錄A水工混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)。在基準(zhǔn)混凝土配合比的基礎(chǔ)上，保證摻合料總摻量不變，調(diào)整粉煤灰與石粉的復(fù)摻比例，4組碾壓混凝土試驗(yàn)配合比詳見表1。

參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中碾壓混凝土拌和物工作度試驗(yàn)方法，采用維勃稠度測試儀，測試了碾壓混凝土工作性(VC值)。

參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中碾壓混凝土強(qiáng)度試件成型方式，即配重塊加壓振動方式，成型150 mm×150 mm×150 mm的立方體強(qiáng)度試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期，測試碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 石粉摻合料對碾壓混凝土工作性的影響

保證摻合料摻量55%不變，石粉摻量分別為0%、15%、28%、40%，粉煤灰摻量相應(yīng)為55%、40%、27%、15%，4組碾壓混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果見表2。

石粉摻合料對碾壓混凝土工作性的影響見圖1。與基準(zhǔn)混凝土L0F55相比，摻入石粉可減小碾壓混凝土VC值，有利于提高碾壓混凝土的工作性。

隨石粉摻量的增大，或粉煤灰摻量的減少，碾壓混凝土VC值呈先減后增的趨勢。石粉與粉煤灰組合存在最佳比例，當(dāng)石粉摻量28%、粉煤灰摻量27%時(shí)，其碾壓混凝土VC值最小，混凝土工作性最好。

表1 碾壓混凝土試驗(yàn)配合比

表2 碾壓混凝土工作性試驗(yàn)結(jié)果

圖1 石粉摻合料對碾壓混凝土工作性的影響

2.2 石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

為了解石粉摻合料對碾壓混凝土強(qiáng)度發(fā)展情況的影響，測定了7 d、28 d、90 d、180 d齡期的碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度。石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖2。圖2中黑色虛線代表碾壓混凝土90d配制強(qiáng)度26.6 MPa。隨石粉摻量的增大，或粉煤灰摻量的減少，碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。L0F55和L15F40的90 d混凝土抗壓強(qiáng)度均超過碾壓混凝土配制強(qiáng)度，滿足碾壓混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

由圖2可知，與基準(zhǔn)混凝土(L0F55)相比，摻入石粉會降低碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度。計(jì)算復(fù)摻石粉與單摻粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度比值，評價(jià)石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的降低效果，見圖3。隨石粉摻量的增多，或粉煤灰摻量的減少，碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的降低幅度越大。尤其當(dāng)石粉摻量增加至40%時(shí)，7 d降低34%、28 d降低47%、90 d降低55%、180 d降低61%。顯然，石粉不宜過量取代粉煤灰，否則大量降低粉煤灰用量會明顯降低碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖2 石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

以28 d碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，計(jì)算各齡期與28 d的強(qiáng)度比值，研究石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度增長率的影響規(guī)律，見圖4。隨石粉摻量的增多，或粉煤灰的減少，早期7 d碾壓混凝土強(qiáng)度增長率逐漸增大，后期(90 d、180 d)碾壓混凝土強(qiáng)度增長率逐漸減小。早期與后期的強(qiáng)度增長率規(guī)律不一致，主要是因?yàn)槭鄣膿饺腼@著降低后期強(qiáng)度，強(qiáng)度比值中分母的減小，致使早期強(qiáng)度比值的數(shù)值變大。

從90～180 d強(qiáng)度發(fā)展情況來看，石粉取代粉煤灰0%、27%、51%、73%，L0F55碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度增長了34%，L15F40的強(qiáng)度增長了29%、L28F27的強(qiáng)度增長了9%、L40F15的強(qiáng)度增長了8%。說明粉煤灰對后期強(qiáng)度增長起關(guān)鍵作用，石粉對后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。可見，石粉取代粉煤灰時(shí)，須重點(diǎn)分析石粉摻量對混凝土后期強(qiáng)度的影響，以免因粉煤灰的大量減少而無法彌補(bǔ)混凝土后期強(qiáng)度的缺失。

圖3 石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的降低效果

當(dāng)石粉摻量為15%，粉煤灰摻量為40%時(shí)，L15F40碾壓混凝土強(qiáng)度比基準(zhǔn)L0F55的降低20%以內(nèi)，既滿足了強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，又減少了強(qiáng)度的浪費(fèi)，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

圖4 石粉摻合料對碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度增長率的影響

2.3 石粉摻合料對碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)主要考察了設(shè)計(jì)齡期90 d碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。石粉對碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響見圖5。石粉摻量越多，或粉煤灰摻量越少，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度越低。當(dāng)石粉摻量28%(取代粉煤灰51%)時(shí)，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低了約50%；石粉摻量40%(取代粉煤灰73%)時(shí)，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低了73%?？梢姡雺夯炷僚芽估瓘?qiáng)度的降低幅度與石粉取代粉煤灰的替代量數(shù)值基本相當(dāng)，說明對碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度而言，粉煤灰起關(guān)鍵作用，而石粉基本無貢獻(xiàn)。

對比碾壓混凝土兩種強(qiáng)度的降低幅度可知，當(dāng)石粉摻量≤15%時(shí)，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的降低幅度與抗壓強(qiáng)度的基本相當(dāng)；當(dāng)石粉摻量超過15%時(shí)，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的降低幅度明顯比抗壓強(qiáng)度的大。

圖5 石粉摻合料對碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 語

石粉作為惰性摻合料，粉煤灰作為活性摻合料，在保證摻合料摻量不變情況下，僅調(diào)整兩種摻合料的復(fù)摻比例，以單摻粉煤灰為基準(zhǔn)，對比研究石粉摻合料對碾壓混凝土工作性及強(qiáng)度的影響規(guī)律。

(1)石粉取代粉煤灰，可減小碾壓混凝土VC值，提高碾壓混凝土的工作性。隨石粉摻量的增大、粉煤灰摻量的減少，碾壓混凝土VC值先減后增；石粉與粉煤灰存在最佳復(fù)摻比例，其配制的碾壓混凝土工作性更好。

(2)石粉取代粉煤灰，會降低碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度。隨石粉摻量的增大、粉煤灰摻量的減少，碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度越大，碾壓混凝土后期抗壓強(qiáng)度增長率越小。說明粉煤灰對強(qiáng)度增長起關(guān)鍵作用，石粉對強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。

(3)當(dāng)石粉摻量為15%，粉煤灰摻量40%時(shí)，碾壓混凝土強(qiáng)度比基準(zhǔn)的降低20%以內(nèi)，既滿足了強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，又減少了強(qiáng)度的浪費(fèi)，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

(4)石粉取代粉煤灰，會降低碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。隨石粉摻量的增大、粉煤灰摻量的減少，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低。對碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度而言，粉煤灰起關(guān)鍵作用，石粉則基本無貢獻(xiàn)。

[1] 方坤河.碾壓混凝土材料、結(jié)構(gòu)與性能[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

[2] 蔡勝華，楊華全，周浪，等.石粉含量對大壩碾壓混凝土性能的影響[J].水力發(fā)電，2008，34(1)：32～34.

[3] 張勇，董蕓，李響.摻石粉與石屑砂對碾壓混凝土工作性和強(qiáng)度的影響[J].中國水能及電氣化，2015(6)：57～61.

[4] 肖延亮，楊忠義，李光偉.人工砂石粉含量對水工混凝土性能的影響[J].水電站設(shè)計(jì)，2008(9)：42～46.

[5] 饒美娟，劉數(shù)華，方坤河.石灰石粉在水工混凝土中的應(yīng)用研究綜述[J].人民長江，2009，40(20)：41～43.

[6] 馬勇，劉倫軍，劉豫，等.石粉代替粉煤灰作為摻合料在水工碾壓混凝土中的應(yīng)用[J].湖南水利水電，2008(5)：67～69.

[7] 肖開濤，董蕓，楊華全.石灰石粉用作碾壓混凝土摻合料的試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2009，26(4)：44～47.

[8] 劉數(shù)華，閻培渝.石粉作為碾壓混凝土摻合料的利用和研究綜述[J].水力發(fā)電，2007，33(1)：69～71.

[9] 牟海磊.摻石粉混凝土在沐若水電站工程中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2013，41(1)：220～223.

[10] 王飛，王曉峰，王洪軍.摻石粉與摻粉煤灰的碾壓混凝土壩溫控措施對比分析[J].水電能源科學(xué)，2014，32(12)：78～82.

[11] Zhou Mingkai，Peng Shaoming，Xu Jian，et al.Effect of stone powder on stone chippings concrete.[J] Journal of Wuhan University of Technology(Materials Sciences Edition)，1996，(11)：29～34.

[12] Liu Shuhua，Yan Peiyu.Effect of limestone powder on microstructure of concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology(Materials Sciences Edition)，2010(2)：328～331.