石粉对水库大坝碾压混凝土性能的影响研究

吕春雨

(兴城市水利事务服务中心,辽宁 葫芦岛 125100)

目前,我国主要采用低VC值、高石粉与掺合料掺量及中低胶凝用量等技术配制碾压混凝土,能够明显改善其抗渗性、密实性、层间结合力、液化泛浆及可碾性等性能,并且有利于降低施工成本、节约材料用量、控制水化热和水热温升[1]。据统计,我国使用天然砂配制碾压混凝土的水库大坝约占1/3,为保证天然砂碾压混凝土抗渗性、密实性和可碾性等性能,通常掺入一定粉煤灰,以此替代天然砂中微粒作用[2-5]。例如,河北承德双峰寺水库、新疆沙尔布拉克水利枢纽和福建洪口水电站使用4%～10%粉煤灰替代砂配制天然砂碾压混凝土,而粉煤灰替代砂会加大混凝土温控难度,提高1～2℃的绝热温升,并大幅度提高工程成本。

针对人工砂石粉含量交通、市政和房建工程给出了明确的规定:普通结构、重要及高强混凝土石粉含量限值分别为5%～10%和5%以下,水工混凝土石粉含量限制为8%～12%。在实际生产过程中,人工砂石粉含量一般都超过15%,需要利用水洗工艺去除多余石粉使其处于规定范围。石粉处理及洗砂尾水不仅使生产成本明显增加,而且导致人工砂资源的浪费。为充分利用有限的砂石资源,考虑在大坝碾压混凝土中使用人工砂石粉,故分析碾压混凝土受石粉替代砂的影响具有重要意义。

1 试验方案

1.1 原材料

试验选用秦岭P·MH42.5中热硅酸盐水泥,烧失量1.0%,比表面积320m2/kg,氯离子0.025%;辽宁中电工程有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰,细度7.2%,需水量比102%,烧失量2.1%,含水量0.5%,28d活性指数85%;经河床开挖晒洗而成的大伙房水库库区卵石与天然砂,粒径为40～80mm、20～40mm、5～20mm和0～5mm;外加剂选用科之杰聚羧酸高效缓凝减水剂和石家庄外加剂厂生产的DH9引气剂,减水率26%,拌和水用当地自来水。

1.2 石粉筛分

考虑到东北地区水库大坝所处的自然环境条件,对碾压混凝土抗渗、抗冻等耐久性具有较高要求,通过实地考察最终选用铁岭市鹏程石料有限公司生产的石灰岩石粉,其具有一定活性且杂质少、质地坚硬,其主要性能指标如表1所示。

表1 石粉的主要性能指标

1.3 掺石粉天然砂级配

根据《水工碾压混凝土施工规范》和已建工程施工经验,天然砂细度模数处于2.4～2.8之间较优。本研究选用的天然砂初始细度模数2.9,为了满足密实性和可碾性要求使其具有足够的微粒,在天然砂中分别掺10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰调整级配。掺粉煤灰或石粉的天然砂细度模数为2.7,其微粒(粒径<0.16mm)含量符合碾压混凝土有关要求,筛分试验数据如表2所示。

表2 筛分试验结果

1.4 碾压混凝土配合比

现有研究大多通过泰伯级配曲线设计混凝土配合比,采用公式f(x)=100(d/Dmax)α确定各档骨料级配。因此,本研究参考该曲线和骨料组合空隙率最小或者紧密密度最大原则设计骨料级配。经多次试配,确定大石∶中石∶小石=30∶40∶30时三级配碾压混凝土性能最优。参照碾压混凝土VC值及天然砂填充碎石空隙最小原则确定最优砂率为32%,考虑密实性、泛浆效果和可碾性等要求确定配合比参数α≥1.2,β最佳取值区间为1.4～1.8,砂浆比≥0.42,水胶比为0.5,试验配合比如表3所示。控制VC值为2s～5s,拌合物含气量3%～4%,引气剂和减水剂掺量0.08%、1.0%。

表3 试验配合比

2 结果与分析

2.1 拌合物性能

根据试验配合比进行人工拌和,在天然砂中分别掺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

结果表明,在碾压混凝土中掺入表观密度较大的石粉可以在一定程度上提高其容重,有利于增大坝体抗滑稳定性;石粉相较于粉煤灰的需水量略大,所以用水量有所提高,通过用水量调整可以保证混凝土较好可碾性和充分泛浆,内部骨料均匀分布,基体密实性良好;掺入石粉相当于减少了粉煤灰用量,有利于降低基体碳吸附效应,使其含气量有所增加。

2.2 力学性能

试验配制300mm×300mm×300mm试件进行抗压强度测试,将粒径超过30mm的骨料湿筛去除后配制500mm×100mm×100mm试件进行轴向拉伸强度测试,在天然砂中分别掺10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰碾压混凝土强度如图1所示。试验表明,SP1、SP2、SP3组试件90d龄期抗压强度依次为20.5MPa、19.7MPa和18.8MPa,相应的轴心抗拉强度为2.35MPa、1.22MPa和1.20MPa。

(a)抗压强度 (b)轴心抗拉强度

石粉替代量越高则试件早龄期(7d)强度越大,而后期强度表现出下降趋势。水泥砂浆界面之间的孔隙能够被粒径较小的石粉填充,使胶材体系颗粒级配明显改善,界面结构与水泥石更加致密,并且石粉中含有的碳酸钙可以发挥着一定的晶核效应,有利于促进Ca(OH)2晶体的形成与生长,使界面黏结力明显增强,从而提高水泥石的致密性和初期强度;试验过程中粉煤灰的实际总掺量最大值为65%,依然处于75%的界限值以内,随着龄期的延长,粉煤灰逐渐参与二次水化,从而使得后期强度发展较快;但随着石粉掺量的进一步增大,水化过程中参与二次反应的粉煤灰减少,故后期强度增长有所下降[9-10]。

2.3 热学性能

采用全级配试验测定碾压混凝土绝热温升值,在天然砂中分别掺10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰混凝土绝热温升曲线如图2所示。试验表明,SP1、SP2、SP3组混凝土7d绝热温升分别为15.1℃、15.6℃、15.6℃,相应的28d绝热温升分别为21.2℃、20.6℃和19.8℃。因此,早期(7d之前)碾压混凝土升温快,14～28d不断变缓;28d绝热温升值随石粉掺量的增大逐渐减小,10%石粉组相较于10%粉煤灰组的绝热温升值减小1.4℃。

图2 不同石粉掺量混凝土绝热温升

2.4 混凝土干缩

当混凝土自身湿度高于外界环境湿度时基体内部水分散失所产生的体积收缩即为干缩,对于连续施工的大体积混凝土一般不会引起干缩问题,但必须重视表面干缩可能导致的开裂问题,特别是浇筑冬休月冬眠极易导致表面开裂。在天然砂中分别掺10%石粉、5%石粉+5%粉煤灰、10%粉煤灰碾压混凝土干缩值如图3所示。试验表明,SP1、SP2、SP3组混凝土28d干缩值分别为342×10-6、365×10-6和378×10-6,相应的90d干缩值分别为410×10-6、436×10-6和458×10-6。

图3 不同石粉掺量混凝土干缩值

从图3可以看出,在天然砂中掺10%石粉组和10%粉煤灰组的碾压混凝土干缩率达到最大、最小,说明石粉的掺入可以在一定程度上增大干缩,粉煤灰的掺入有利于控制干缩,究其原因是水化后期粉煤灰参与二次反应可以更好地填充砂浆内部孔隙,而石粉的二次反应相对较弱。虽然掺入石粉会在一定程度上增大干缩,但远小于不掺粉煤灰或石粉组干缩值,掺10%石粉仍然符合相关技术要求。

2.5 抗渗抗冻性

参照《水工混凝土试验规程》采用逐级加压法和快速冻融法,测定碾压混凝土的抗渗性及抗冻性。试验过程中维持最大水压力0.5MPa一定时间后,取出试件沿中心线劈开,选用直尺测定渗透高度,并切片观察内部孔隙结构;对于抗冻性,每冻融25次测定一次其质量损失率和相对动弹模量,试验结果见表5。

表5 抗冻抗渗试验数据

试验表明,在天然砂中分别掺10%粉煤灰、5%石粉+5%粉煤灰、10%石粉配置而成的碾压混凝土试件,达到规定渗透水压力时试件的渗水高度分别为4.2mm、4.5mm和5.0mm,渗水高度随石粉掺量的增加有所增大,各组混凝土均符合抗渗性要求;冻融循环达到100次时,各组试件质量损失率均不超过5%,相对动弹模量在70%以上,说明具有良好抗冻性,碾压混凝土抗冻性受石粉掺量变化的影响较低。

2.6 经济优越性分析

将粉煤灰掺入人工砂碾压混凝土中,主要起到控制早期开裂、增大密实性、改善和易性、降低用水量和水化热的作用,实际工程中的应用非常常见。但是粉煤灰主要来源于煤炭燃烧,而碳中和及碳达峰目标的提出势必会降低粉煤灰掺量;另外,我国严格限制了氮化物排放量,为此烟气脱硝技术已成为电厂等燃煤企业的必然选择,在脱硝过程中少量有未反应的氨会以氨盐的形式保存在粉煤灰中或随着烟气排放出烟囱,外界的碱性环境会与粉煤灰内的氨反应生成氨气,加速混凝土的劣化破坏因此,采用石粉替代砂的节能环保和经济可行性更好。经市场调查,采用石粉替代砂配制的三级配碾压混凝土单价可以减少15元/m3,降低4.1%的材料成本。

3 结 论

采用10%粉煤灰或10%石粉替代砂配制的碾压混凝土具有较好的耐久性、可碾压性、工作性和力学性能,但是用粉煤灰的施工成本较高,在一定程度上会提高绝热温升,不利于温度裂缝的控制。采用10%替代砂混凝土的绝热温升低,有利于温度控制,且具有较好的经济效果。虽然掺入石粉会在一定程度上增大干缩,但远小于不掺粉煤灰或石粉组干缩值,掺10%石粉仍然符合相关技术要求。