石粉代替粉煤灰作為摻合料在水工碾壓混凝土中的應(yīng)用研究

劉　豫

摘 要：石粉作為一種摻合料在水工碾壓混凝土中大量添加，在國(guó)內(nèi)工程中尚不多見(jiàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，石粉代替粉煤灰作為摻合料，其摻加量可達(dá)膠凝材料總量的30%。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)分析表明，石粉代替粉煤灰作為摻合料在水工碾壓混凝土中方案可行、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，對(duì)簡(jiǎn)化碾壓混凝土施工溫控措施，增強(qiáng)碾壓混凝土的可碾性，起到很好的作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，由于石粉基本屬惰性材料，采用摻石粉代替粉煤灰，它的微集料效應(yīng)和自身的密度對(duì)早期強(qiáng)度的影響接近粉煤灰，但對(duì)砼后期強(qiáng)度發(fā)展無(wú)顯著貢獻(xiàn)。當(dāng)水灰比0.6、粉煤灰和石粉摻量分別30%時(shí)，極限拉伸和絕熱溫升值可同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：石粉；粉煤灰；摻合料；水工碾壓混凝土

1 引言

在水工混凝土應(yīng)用的材料中，目前主要使用的摻合料有活性和非活性摻合料兩種。其中活性摻和料以及石英巖、石灰石、砂巖、黏土以及不符合技術(shù)要求的粒化高爐礦渣和火山灰質(zhì)材料已有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而石粉作為一種摻合料在水工碾壓混凝土中大量添加，在國(guó)內(nèi)工程中尚不多見(jiàn)。我們通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，石粉代替粉煤灰作為摻合料，其摻加量可達(dá)膠凝材料總量的30%。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)分析表明，石粉代替粉煤灰作為摻合料在水工碾壓混凝土中方案可行、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，對(duì)簡(jiǎn)化碾壓混凝土施工溫控措施，增強(qiáng)碾壓混凝土的可碾性，起到很好的作用。

非活性摻合料作為水工混凝土的填充料，可增加混凝土中0.08mm以下的細(xì)顆粒的含量，以改善混凝土的和易性和可碾性，對(duì)其品質(zhì)要求，主要是材料的細(xì)度以及不得含有對(duì)水泥和混凝土有害的成分。在《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》(DL.T5112-2000)中，5.4.9條規(guī)定，“人工砂的石粉(d≤0.16mm的顆粒)含量宜控制在10%～22%，最佳石粉含量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。”而對(duì)石粉作為摻合料未作規(guī)定。

筆者現(xiàn)在非洲加納共和國(guó)的布維水電站從事施工技術(shù)工作，該工程為一個(gè)EPC項(xiàng)目，由于非洲經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，其工業(yè)很落后，且存在自然資源和原材料嚴(yán)重短缺的問(wèn)題。中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)承建的布維水電站總裝機(jī)容量400MW，由最大壩高108m的RCC碾壓混凝土大壩，引水發(fā)電系統(tǒng)，兩座堆石副壩等水工建筑物組成。其中碾壓混凝土92萬(wàn)方，常態(tài)混凝土28萬(wàn)方。在壩址附近選定砂巖作為骨料。

工程開(kāi)工前，經(jīng)過(guò)大量的市場(chǎng)調(diào)查，初步選定其國(guó)家生產(chǎn)硅酸鹽GHACEM42.5Mpa水泥、山東日照粉煤灰、石家莊育才廠緩凝高效減水劑、水電八局生產(chǎn)的引氣劑為主進(jìn)行常態(tài)和碾壓砼配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。由于所用的水泥熟料從他國(guó)進(jìn)口，煤灰需從中國(guó)進(jìn)口，膠凝材料到工地的價(jià)格均比較高，故在召開(kāi)幾次專家會(huì)議后，專家們提出了用石粉代粉煤灰的方案。

水泥檢驗(yàn)結(jié)果表明，GHACEM42.5Mpa水泥屬低堿水泥，其早期強(qiáng)度發(fā)展快、水化熱高、溫升快。堿含量約為0.4%，7d水化熱值294J/g，最高溫升17.3℃，歷時(shí)13.6h。

試驗(yàn)用粉煤灰為山東日照粉煤灰廠粉煤灰，粉煤灰的品質(zhì)檢驗(yàn)達(dá)到中國(guó)Ⅰ級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn)通。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，碾壓混凝土技術(shù)要求見(jiàn)表1。

下面以布維水電站工程試驗(yàn)成果為例闡述石粉代灰的可行性。

2 石粉代替部分粉煤灰的可行性試驗(yàn)

2.1 石粉的品質(zhì)檢測(cè)試驗(yàn)

首先，試驗(yàn)重點(diǎn)安排開(kāi)展了石粉品質(zhì)試驗(yàn)檢測(cè)，以研究應(yīng)用石粉的實(shí)施技術(shù)方案。

石粉由與骨料同一來(lái)源的砂巖料場(chǎng)取料后采用收塵器從砂石加工系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)選獲得，石粉粒徑控制在0.08mm以內(nèi)，試驗(yàn)同時(shí)也對(duì)棒磨機(jī)制砂時(shí)收集的石粉進(jìn)行了化學(xué)成分分析和物理試驗(yàn)。石粉各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

2.2 摻石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

通過(guò)以石粉和粉煤灰摻量30%對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響對(duì)比試驗(yàn)，得出7天膠砂強(qiáng)度比摻粉煤灰時(shí)為73.9%，摻石粉時(shí)為72%左右。

另一方面，根據(jù)得出的抗壓強(qiáng)度結(jié)果整理分析：當(dāng)水灰比為0.65、粉煤灰和石粉各摻30%時(shí)，碾壓混凝土7d強(qiáng)度齡期發(fā)展系數(shù)為0.59，90d強(qiáng)度齡期發(fā)展系數(shù)為1.44，不摻石粉時(shí)90d強(qiáng)度齡期發(fā)展系數(shù)為1.63；當(dāng)水灰比為0.6、粉煤灰和石粉各摻30%時(shí)，碾壓混凝土7d強(qiáng)度齡期發(fā)展系數(shù)為0.7，90d強(qiáng)度齡期發(fā)展系數(shù)為1.43，不摻石粉時(shí)90d強(qiáng)度齡期發(fā)展系數(shù)為1.57。結(jié)果表明，采用石粉代替部分粉煤灰的砼后期強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)較少，全摻石粉砼90天強(qiáng)度發(fā)展甚微，這充分表明，石粉為惰性混合材，對(duì)砼后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小，但充分磨細(xì)的石粉，由于它的微集料填充效應(yīng)，對(duì)砼的早期強(qiáng)度影響接近粉煤灰，因此，施工中對(duì)摻石粉的砼，應(yīng)主要以28天強(qiáng)度進(jìn)行控制。

2.3 石粉對(duì)骨料堿活性及抑制試驗(yàn)的結(jié)果

在歐洲、北美等地，水工混凝土建筑物由于堿骨料反應(yīng)而破壞的實(shí)例較多，近年來(lái)大中型工程設(shè)計(jì)和施工中越來(lái)越重視這個(gè)問(wèn)題。

在砂石骨料品質(zhì)檢驗(yàn)中，水電八局科研設(shè)計(jì)院按《砂、石堿活性快速試驗(yàn)方法》(CECS48：93)進(jìn)行了堿活性判定檢驗(yàn)，結(jié)果表明骨料料場(chǎng)存在堿活性。為研究摻合料對(duì)堿骨料反應(yīng)的抑制作用，又進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。

表4中序號(hào)1為不摻混合材的試驗(yàn)結(jié)果，其14天試件伸長(zhǎng)率分別達(dá)0.382和0.308，遠(yuǎn)大于0.1的判定標(biāo)準(zhǔn)，表明料場(chǎng)骨料確存在堿活性。

同時(shí)通過(guò)表4試驗(yàn)結(jié)果表明，凡摻有粉煤灰的試驗(yàn)組其14天或21d試件伸長(zhǎng)率均小于0.1%，達(dá)到堿活性抑制作用，而單摻石粉在30%以內(nèi)沒(méi)有表現(xiàn)出抑制作用，單摻石粉50%時(shí)，一組結(jié)果顯示沒(méi)有抑制作用，一組結(jié)果顯示有抑制作用，結(jié)果不一致，但從變化趨勢(shì)來(lái)看，單摻石粉14天試件伸長(zhǎng)率隨石粉摻量的增加而減小。

2.4 摻加石粉對(duì)碾壓混凝土力學(xué)及變形性能

根據(jù)工程要求，碾壓砼試驗(yàn)考慮到不同混合材摻量及石粉不同代灰比例的情況，試驗(yàn)配合比列于表5。

由于碾壓砼大量摻用石粉可參考的資料不多，為盡早掌握石粉代灰的碾壓砼性能，試驗(yàn)主要依據(jù)7天強(qiáng)度初步選擇試驗(yàn)配合比，進(jìn)行碾壓砼性能試驗(yàn)，28天強(qiáng)度結(jié)果得出后，又進(jìn)行了配合比適當(dāng)調(diào)整。

碾壓砼性能試驗(yàn)中，減水劑摻量為0.8%，引氣劑按砼含氣量3～5%控制摻量，碾壓砼力學(xué)及變形性能試驗(yàn)成果見(jiàn)表6、表7。

由已獲得的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同混合材摻量及不同石粉代灰量的砼強(qiáng)度及極限拉伸值均可滿足設(shè)計(jì)要求，90天極限拉伸值達(dá)0.71×10-4，沒(méi)有富裕量。同時(shí)從試驗(yàn)結(jié)果分析，粉煤灰和石粉摻量各占摻合量的50%時(shí)混凝土性能較佳，增加石粉摻量不利于砼性能發(fā)展。

2.5摻加石粉對(duì)碾壓混凝土絕熱溫升的影響

針對(duì)甘再工程條件及所選原材料的特點(diǎn)，水電八局科研設(shè)計(jì)院對(duì)碾壓混凝土熱學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和早期得出的砼有關(guān)性能結(jié)果初選試驗(yàn)配合比進(jìn)行試驗(yàn)。

按表8配合比進(jìn)行的混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果列于表9。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，水膠比0.6、煤灰與石粉摻量分別為30%的砼28天絕熱溫升僅13.8℃，滿足設(shè)計(jì)要求的16℃以下，同時(shí)，該配合比砼的其它力學(xué)及變形性能也都滿足設(shè)計(jì)要求。

3 石粉代替粉煤灰的經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)在《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》(DL.T5112-2000)中，6.0.4條規(guī)定，“大體積永久建筑物碾壓混凝土的膠凝材料不宜低于130Kg/m3。”但從表5～表9中的成果分析，摻加石粉后，水泥和煤灰的總量可控制在107Kg/m3左右，水泥、煤灰和石粉的總量在153Kg/m3左右，可見(jiàn)水泥和總膠材的用量也控制在國(guó)內(nèi)類似工程的水平，對(duì)比國(guó)內(nèi)已建或在建碾壓混凝土工程來(lái)看，水泥和煤灰的總用量大大降低。

根據(jù)我們的經(jīng)濟(jì)分析，如果從中國(guó)運(yùn)輸粉煤灰至工地，每噸粉煤灰價(jià)格約180美元左右，而每噸石粉生產(chǎn)成本折合人民幣約175元左右，相對(duì)于使用煤灰的成本折合人民幣至少降低約1058元左右(按人民幣兌美元匯率6.85：1計(jì)算)。

通過(guò)粗略估算，在國(guó)內(nèi)的大中型碾壓混凝土工程中如使用石粉代煤灰，其經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)可觀的。

4 石粉的生產(chǎn)和添加工藝

石粉生產(chǎn)車間可建在砂石生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，利用多余生產(chǎn)的砂采用收塵器收集后通過(guò)風(fēng)選獲得，小于0.08mm的顆粒含量大于80%，小時(shí)生產(chǎn)率約10～12t。生產(chǎn)后采用散裝水泥運(yùn)輸車送入拌和樓內(nèi)的儲(chǔ)罐，再經(jīng)螺旋輸送機(jī)輸送進(jìn)入拌和樓。但在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意防潮，并采取措施以防止石粉板結(jié)。

5結(jié)語(yǔ)

根據(jù)綜合經(jīng)濟(jì)分析和試驗(yàn)結(jié)果，采用石粉代灰有以下特點(diǎn)：

(1)由于石粉基本屬惰性材料，采用摻石粉代替粉煤灰，對(duì)砼后期強(qiáng)度發(fā)展無(wú)顯著貢獻(xiàn)，但由于它的微集料效應(yīng)和自身的密度對(duì)早期強(qiáng)度的影響接近粉煤灰。

(2)當(dāng)水灰比0.6、粉煤灰和石粉摻量分別占膠材總量的30%時(shí)，極限拉伸和絕熱溫升值可同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，但極限拉伸值富裕量小。

(3)可以大量降低水泥、煤灰的用量，對(duì)混凝土溫控有利，特別是高溫條件下的施工，從而可簡(jiǎn)化溫控措施，在溫控方面滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，也可節(jié)約成本。

(4)當(dāng)石粉摻量達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)抑制堿-骨料反應(yīng)有明顯的效果。

(5)增加混凝土中0.08mm以下顆粒含量，從而可增強(qiáng)混凝土和易性和可碾性。

(6)生產(chǎn)和添加工藝簡(jiǎn)單。

綜上所述，在水工碾壓混凝土中用石粉代灰的方案可行，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，在大中型水電工程中可進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)并推廣。