石粉對(duì)水庫(kù)大壩碾壓混凝土性能的影響研究

呂春雨

(興城市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 葫蘆島 125100)

目前,我國(guó)主要采用低VC值、高石粉與摻合料摻量及中低膠凝用量等技術(shù)配制碾壓混凝土,能夠明顯改善其抗?jié)B性、密實(shí)性、層間結(jié)合力、液化泛漿及可碾性等性能,并且有利于降低施工成本、節(jié)約材料用量、控制水化熱和水熱溫升[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)使用天然砂配制碾壓混凝土的水庫(kù)大壩約占1/3,為保證天然砂碾壓混凝土抗?jié)B性、密實(shí)性和可碾性等性能,通常摻入一定粉煤灰,以此替代天然砂中微粒作用[2-5]。例如,河北承德雙峰寺水庫(kù)、新疆沙爾布拉克水利樞紐和福建洪口水電站使用4%～10%粉煤灰替代砂配制天然砂碾壓混凝土,而粉煤灰替代砂會(huì)加大混凝土溫控難度,提高1～2℃的絕熱溫升,并大幅度提高工程成本。

針對(duì)人工砂石粉含量交通、市政和房建工程給出了明確的規(guī)定:普通結(jié)構(gòu)、重要及高強(qiáng)混凝土石粉含量限值分別為5%～10%和5%以下,水工混凝土石粉含量限制為8%～12%。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,人工砂石粉含量一般都超過15%,需要利用水洗工藝去除多余石粉使其處于規(guī)定范圍。石粉處理及洗砂尾水不僅使生產(chǎn)成本明顯增加,而且導(dǎo)致人工砂資源的浪費(fèi)。為充分利用有限的砂石資源,考慮在大壩碾壓混凝土中使用人工砂石粉,故分析碾壓混凝土受石粉替代砂的影響具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)選用秦嶺P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥,燒失量1.0%,比表面積320m2/kg,氯離子0.025%;遼寧中電工程有限公司生產(chǎn)的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,細(xì)度7.2%,需水量比102%,燒失量2.1%,含水量0.5%,28d活性指數(shù)85%;經(jīng)河床開挖曬洗而成的大伙房水庫(kù)庫(kù)區(qū)卵石與天然砂,粒徑為40～80mm、20～40mm、5～20mm和0～5mm;外加劑選用科之杰聚羧酸高效緩凝減水劑和石家莊外加劑廠生產(chǎn)的DH9引氣劑,減水率26%,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 石粉篩分

考慮到東北地區(qū)水庫(kù)大壩所處的自然環(huán)境條件,對(duì)碾壓混凝土抗?jié)B、抗凍等耐久性具有較高要求,通過實(shí)地考察最終選用鐵嶺市鵬程石料有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r石粉,其具有一定活性且雜質(zhì)少、質(zhì)地堅(jiān)硬,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 石粉的主要性能指標(biāo)

1.3 摻石粉天然砂級(jí)配

根據(jù)《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》和已建工程施工經(jīng)驗(yàn),天然砂細(xì)度模數(shù)處于2.4～2.8之間較優(yōu)。本研究選用的天然砂初始細(xì)度模數(shù)2.9,為了滿足密實(shí)性和可碾性要求使其具有足夠的微粒,在天然砂中分別摻10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰調(diào)整級(jí)配。摻粉煤灰或石粉的天然砂細(xì)度模數(shù)為2.7,其微粒(粒徑<0.16mm)含量符合碾壓混凝土有關(guān)要求,篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 篩分試驗(yàn)結(jié)果

1.4 碾壓混凝土配合比

現(xiàn)有研究大多通過泰伯級(jí)配曲線設(shè)計(jì)混凝土配合比,采用公式f(x)=100(d/Dmax)α確定各檔骨料級(jí)配。因此,本研究參考該曲線和骨料組合空隙率最小或者緊密密度最大原則設(shè)計(jì)骨料級(jí)配。經(jīng)多次試配,確定大石∶中石∶小石=30∶40∶30時(shí)三級(jí)配碾壓混凝土性能最優(yōu)。參照碾壓混凝土VC值及天然砂填充碎石空隙最小原則確定最優(yōu)砂率為32%,考慮密實(shí)性、泛漿效果和可碾性等要求確定配合比參數(shù)α≥1.2,β最佳取值區(qū)間為1.4～1.8,砂漿比≥0.42,水膠比為0.5,試驗(yàn)配合比如表3所示。控制VC值為2s～5s,拌合物含氣量3%～4%,引氣劑和減水劑摻量0.08%、1.0%。

表3 試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物性能

根據(jù)試驗(yàn)配合比進(jìn)行人工拌和,在天然砂中分別摻10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰新拌混凝土性能如表4所示。

表4 新拌混凝土工作性

結(jié)果表明,在碾壓混凝土中摻入表觀密度較大的石粉可以在一定程度上提高其容重,有利于增大壩體抗滑穩(wěn)定性;石粉相較于粉煤灰的需水量略大,所以用水量有所提高,通過用水量調(diào)整可以保證混凝土較好可碾性和充分泛漿,內(nèi)部骨料均勻分布,基體密實(shí)性良好;摻入石粉相當(dāng)于減少了粉煤灰用量,有利于降低基體碳吸附效應(yīng),使其含氣量有所增加。

2.2 力學(xué)性能

試驗(yàn)配制300mm×300mm×300mm試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,將粒徑超過30mm的骨料濕篩去除后配制500mm×100mm×100mm試件進(jìn)行軸向拉伸強(qiáng)度測(cè)試,在天然砂中分別摻10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰碾壓混凝土強(qiáng)度如圖1所示。試驗(yàn)表明,SP1、SP2、SP3組試件90d齡期抗壓強(qiáng)度依次為20.5MPa、19.7MPa和18.8MPa,相應(yīng)的軸心抗拉強(qiáng)度為2.35MPa、1.22MPa和1.20MPa。

(a)抗壓強(qiáng)度 (b)軸心抗拉強(qiáng)度

石粉替代量越高則試件早齡期(7d)強(qiáng)度越大,而后期強(qiáng)度表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。水泥砂漿界面之間的孔隙能夠被粒徑較小的石粉填充,使膠材體系顆粒級(jí)配明顯改善,界面結(jié)構(gòu)與水泥石更加致密,并且石粉中含有的碳酸鈣可以發(fā)揮著一定的晶核效應(yīng),有利于促進(jìn)Ca(OH)2晶體的形成與生長(zhǎng),使界面黏結(jié)力明顯增強(qiáng),從而提高水泥石的致密性和初期強(qiáng)度;試驗(yàn)過程中粉煤灰的實(shí)際總摻量最大值為65%,依然處于75%的界限值以內(nèi),隨著齡期的延長(zhǎng),粉煤灰逐漸參與二次水化,從而使得后期強(qiáng)度發(fā)展較快;但隨著石粉摻量的進(jìn)一步增大,水化過程中參與二次反應(yīng)的粉煤灰減少,故后期強(qiáng)度增長(zhǎng)有所下降[9-10]。

2.3 熱學(xué)性能

采用全級(jí)配試驗(yàn)測(cè)定碾壓混凝土絕熱溫升值,在天然砂中分別摻10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰混凝土絕熱溫升曲線如圖2所示。試驗(yàn)表明,SP1、SP2、SP3組混凝土7d絕熱溫升分別為15.1℃、15.6℃、15.6℃,相應(yīng)的28d絕熱溫升分別為21.2℃、20.6℃和19.8℃。因此,早期(7d之前)碾壓混凝土升溫快,14～28d不斷變緩;28d絕熱溫升值隨石粉摻量的增大逐漸減小,10%石粉組相較于10%粉煤灰組的絕熱溫升值減小1.4℃。

圖2 不同石粉摻量混凝土絕熱溫升

2.4 混凝土干縮

當(dāng)混凝土自身濕度高于外界環(huán)境濕度時(shí)基體內(nèi)部水分散失所產(chǎn)生的體積收縮即為干縮,對(duì)于連續(xù)施工的大體積混凝土一般不會(huì)引起干縮問題,但必須重視表面干縮可能導(dǎo)致的開裂問題,特別是澆筑冬休月冬眠極易導(dǎo)致表面開裂。在天然砂中分別摻10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰碾壓混凝土干縮值如圖3所示。試驗(yàn)表明,SP1、SP2、SP3組混凝土28d干縮值分別為342×10-6、365×10-6和378×10-6,相應(yīng)的90d干縮值分別為410×10-6、436×10-6和458×10-6。

圖3 不同石粉摻量混凝土干縮值

從圖3可以看出,在天然砂中摻10%石粉組和10%粉煤灰組的碾壓混凝土干縮率達(dá)到最大、最小,說明石粉的摻入可以在一定程度上增大干縮,粉煤灰的摻入有利于控制干縮,究其原因是水化后期粉煤灰參與二次反應(yīng)可以更好地填充砂漿內(nèi)部孔隙,而石粉的二次反應(yīng)相對(duì)較弱。雖然摻入石粉會(huì)在一定程度上增大干縮,但遠(yuǎn)小于不摻粉煤灰或石粉組干縮值,摻10%石粉仍然符合相關(guān)技術(shù)要求。

2.5 抗?jié)B抗凍性

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》采用逐級(jí)加壓法和快速凍融法,測(cè)定碾壓混凝土的抗?jié)B性及抗凍性。試驗(yàn)過程中維持最大水壓力0.5MPa一定時(shí)間后,取出試件沿中心線劈開,選用直尺測(cè)定滲透高度,并切片觀察內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu);對(duì)于抗凍性,每?jī)鋈?5次測(cè)定一次其質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 抗凍抗?jié)B試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明,在天然砂中分別摻10%粉煤灰、5%石粉+5%粉煤灰、10%石粉配置而成的碾壓混凝土試件,達(dá)到規(guī)定滲透水壓力時(shí)試件的滲水高度分別為4.2mm、4.5mm和5.0mm,滲水高度隨石粉摻量的增加有所增大,各組混凝土均符合抗?jié)B性要求;凍融循環(huán)達(dá)到100次時(shí),各組試件質(zhì)量損失率均不超過5%,相對(duì)動(dòng)彈模量在70%以上,說明具有良好抗凍性,碾壓混凝土抗凍性受石粉摻量變化的影響較低。

2.6 經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性分析

將粉煤灰摻入人工砂碾壓混凝土中,主要起到控制早期開裂、增大密實(shí)性、改善和易性、降低用水量和水化熱的作用,實(shí)際工程中的應(yīng)用非常常見。但是粉煤灰主要來源于煤炭燃燒,而碳中和及碳達(dá)峰目標(biāo)的提出勢(shì)必會(huì)降低粉煤灰摻量;另外,我國(guó)嚴(yán)格限制了氮化物排放量,為此煙氣脫硝技術(shù)已成為電廠等燃煤企業(yè)的必然選擇,在脫硝過程中少量有未反應(yīng)的氨會(huì)以氨鹽的形式保存在粉煤灰中或隨著煙氣排放出煙囪,外界的堿性環(huán)境會(huì)與粉煤灰內(nèi)的氨反應(yīng)生成氨氣,加速混凝土的劣化破壞因此,采用石粉替代砂的節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)可行性更好。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查,采用石粉替代砂配制的三級(jí)配碾壓混凝土單價(jià)可以減少15元/m3,降低4.1%的材料成本。

3 結(jié) 論

采用10%粉煤灰或10%石粉替代砂配制的碾壓混凝土具有較好的耐久性、可碾壓性、工作性和力學(xué)性能,但是用粉煤灰的施工成本較高,在一定程度上會(huì)提高絕熱溫升,不利于溫度裂縫的控制。采用10%替代砂混凝土的絕熱溫升低,有利于溫度控制,且具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。雖然摻入石粉會(huì)在一定程度上增大干縮,但遠(yuǎn)小于不摻粉煤灰或石粉組干縮值,摻10%石粉仍然符合相關(guān)技術(shù)要求。