石粉對水庫大壩碾壓混凝土性能的影響研究

呂春雨

(興城市水利事務服務中心,遼寧 葫蘆島 125100)

目前,我國主要采用低VC值、高石粉與摻合料摻量及中低膠凝用量等技術配制碾壓混凝土,能夠明顯改善其抗滲性、密實性、層間結合力、液化泛漿及可碾性等性能,并且有利于降低施工成本、節約材料用量、控制水化熱和水熱溫升[1]。據統計,我國使用天然砂配制碾壓混凝土的水庫大壩約占1/3,為保證天然砂碾壓混凝土抗滲性、密實性和可碾性等性能,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、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。

針對人工砂石粉含量交通、市政和房建工程給出了明確的規定:普通結構、重要及高強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%。在實際生產過程中,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定范圍。石粉處理及洗砂尾水不僅使生產成本明顯增加,而且導致人工砂資源的浪費。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 試驗方案

1.1 原材料

試驗選用秦嶺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的F類Ⅰ級粉煤灰,細度7.2%,需水量比102%,燒失量2.1%,含水量0.5%,28d活性指數85%;經河床開挖曬洗而成的大伙房水庫庫區卵石與天然砂,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的DH9引氣劑,減水率26%,拌和水用當地自來水。

1.2 石粉篩分

考慮到東北地區水庫大壩所處的自然環境條件,對碾壓混凝土抗滲、抗凍等耐久性具有較高要求,通過實地考察最終選用鐵嶺市鵬程石料有限公司生產的石灰巖石粉,其具有一定活性且雜質少、質地堅硬,其主要性能指標如表1所示。

表1 石粉的主要性能指標

1.3 摻石粉天然砂級配

根據《水工碾壓混凝土施工規范》和已建工程施工經驗,天然砂細度模數處于2.4～2.8之間較優。本研究選用的天然砂初始細度模數2.9,為了滿足密實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%粉煤灰調整級配。摻粉煤灰或石粉的天然砂細度模數為2.7,其微粒(粒徑<0.16mm)含量符合碾壓混凝土有關要求,篩分試驗數據如表2所示。

表2 篩分試驗結果

1.4 碾壓混凝土配合比

現有研究大多通過泰伯級配曲線設計混凝土配合比,采用公式f(x)=100(d/Dmax)α確定各檔骨料級配。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計骨料級配。經多次試配,確定大石∶中石∶小石=30∶40∶30時三級配碾壓混凝土性能最優。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砂率為32%,考慮密實性、泛漿效果和可碾性等要求確定配合比參數α≥1.2,β最佳取值區間為1.4～1.8,砂漿比≥0.42,水膠比為0.5,試驗配合比如表3所示?？刂芕C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 試驗配合比

2 結果與分析

2.1 拌合物性能

根據試驗配合比進行人工拌和,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,通過用水量調整可以保證混凝土較好可碾性和充分泛漿,內部骨料均勻分布,基體密實性良好;摻入石粉相當于減少了粉煤灰用量,有利于降低基體碳吸附效應,使其含氣量有所增加。

2.2 力學性能

試驗配制300mm×300mm×300mm試件進行抗壓強度測試,將粒徑超過30mm的骨料濕篩去除后配制500mm×100mm×100mm試件進行軸向拉伸強度測試,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度如圖1所示。試驗表明,SP1、SP2、SP3組試件90d齡期抗壓強度依次為20.5MPa、19.7MPa和18.8MPa,相應的軸心抗拉強度為2.35MPa、1.22MPa和1.20MPa。

(a)抗壓強度 (b)軸心抗拉強度

石粉替代量越高則試件早齡期(7d)強度越大,而后期強度表現出下降趨勢。水泥砂漿界面之間的孔隙能夠被粒徑較小的石粉填充,使膠材體系顆粒級配明顯改善,界面結構與水泥石更加致密,并且石粉中含有的碳酸鈣可以發揮著一定的晶核效應,有利于促進Ca(OH)2晶體的形成與生長,使界面黏結力明顯增強,從而提高水泥石的致密性和初期強度;試驗過程中粉煤灰的實際總摻量最大值為65%,依然處于75%的界限值以內,隨著齡期的延長,粉煤灰逐漸參與二次水化,從而使得后期強度發展較快;但隨著石粉摻量的進一步增大,水化過程中參與二次反應的粉煤灰減少,故后期強度增長有所下降[9-10]。

2.3 熱學性能

采用全級配試驗測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

當混凝土自身濕度高于外界環境濕度時基體內部水分散失所產生的體積收縮即為干縮,對于連續施工的大體積混凝土一般不會引起干縮問題,但必須重視表面干縮可能導致的開裂問題,特別是澆筑冬休月冬眠極易導致表面開裂。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可以更好地填充砂漿內部孔隙,而石粉的二次反應相對較弱。雖然摻入石粉會在一定程度上增大干縮,但遠小于不摻粉煤灰或石粉組干縮值,摻10%石粉仍然符合相關技術要求。

2.5 抗滲抗凍性

參照《水工混凝土試驗規程》采用逐級加壓法和快速凍融法,測定碾壓混凝土的抗滲性及抗凍性。試驗過程中維持最大水壓力0.5MPa一定時間后,取出試件沿中心線劈開,選用直尺測定滲透高度,并切片觀察內部孔隙結構;對于抗凍性,每凍融25次測定一次其質量損失率和相對動彈模量,試驗結果見表5。

表5 抗凍抗滲試驗數據

試驗表明,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,達到規定滲透水壓力時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滲性要求;凍融循環達到100次時,各組試件質量損失率均不超過5%,相對動彈模量在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 經濟優越性分析

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、增大密實性、改善和易性、降低用水量和水化熱的作用,實際工程中的應用非常常見。但是粉煤灰主要來源于煤炭燃燒,而碳中和及碳達峰目標的提出勢必會降低粉煤灰摻量;另外,我國嚴格限制了氮化物排放量,為此煙氣脫硝技術已成為電廠等燃煤企業的必然選擇,在脫硝過程中少量有未反應的氨會以氨鹽的形式保存在粉煤灰中或隨著煙氣排放出煙囪,外界的堿性環境會與粉煤灰內的氨反應生成氨氣,加速混凝土的劣化破壞因此,采用石粉替代砂的節能環保和經濟可行性更好。經市場調查,采用石粉替代砂配制的三級配碾壓混凝土單價可以減少15元/m3,降低4.1%的材料成本。

3 結 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、工作性和力學性能,但是用粉煤灰的施工成本較高,在一定程度上會提高絕熱溫升,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,且具有較好的經濟效果。雖然摻入石粉會在一定程度上增大干縮,但遠小于不摻粉煤灰或石粉組干縮值,摻10%石粉仍然符合相關技術要求。