凝灰巖粉摻和料在西部高海拔嚴寒地區水電工程中的應用

蔣懷宇，李 楊，陶 坤,李家正,林育強

(1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，四川 成都 856200；2.長江水利委員會長江科學院 材料與結構研究所，湖北 武漢 430010)

西部地區是我國重要的水電能源基地。隨著川滇水電工程建設的相繼完成，西部地區水電開發速度不斷加快，“十四五”規劃明確提出“要加快雅魯藏布江下游的水電工程建設”[1]。但西部地區特別是西藏境內普遍面臨混凝土摻和料短缺問題[2]，大量的粉煤灰摻和料需要從甘肅、寧夏、云南和四川等周邊省份外購[3]，不僅增加了工程投資和經濟成本，長途運輸也導致施工進度難以保障。因此，結合地緣性材料的性能與特點，利用當地材料作為混凝土摻和料具顯著的經濟效益和社會價值，并可減少混凝土制備的碳足跡，提升工程建設的綠色化水平，符合集約型社會的發展策略。

目前，不少學者圍繞西部地區儲量豐富的天然火山灰材料開展了大量研究[4-5]，其中成果較多的主要是凝灰巖粉摻和料[6-8]。本課題組在前期系統探討了凝灰巖粉摻和料對水工混凝土宏觀性能、微觀結構和耐久性能的影響[9]，掌握了摻凝灰巖粉混凝土性能的發展趨勢和演化規律，后續又進一步結合實際工程開展現場試驗和應用探索，深入考察了凝灰巖粉混凝土的施工性能，明確了現有施工技術和工藝對摻凝灰巖粉混凝土的作用效果，總結這些工作和經驗對加快凝灰巖粉摻和料在西部地區的推廣應用很有意義，也可為流域其他工程建設提供參考和指導。

1 工程概況

1.1 總體布置與需求

西部某水電站工程位于雅魯藏布江中游，采用RCC重力壩壩型和壩后式廠房設計，混凝土澆筑總量為332萬m3，壩址處控制流域面積為15.74萬km2，多年平均流量為1010m3/s，大壩壩頂長113m，最大壩高為124m，總裝機容量為660MW。

電站位于高海拔嚴寒地區，壩址區氣候呈明顯的“日溫差大、氣壓低、日照強輻射”等高原特征[10]，其中晝夜溫差最高可達25℃，每年發生凍融循環天數多達一百余天。混凝土性能要求較高，服役環境比較嚴酷。

前期原材料調研表明，工程區附近無粉煤灰、礦渣等摻和料供應，需借助青藏鐵路從甘肅、寧夏等省份外購，運輸距離近2000km，粉煤灰需求得不到有效保障，并且大幅增加了工程投資。因此，需結合工程區附近地緣性材料的性能和特點，使用天然火山灰質凝灰巖粉作為摻和料替代粉煤灰。

1.2 應用情況

選擇大壩下游左岸靠邊坡的消力池邊墻作為凝灰巖粉摻和料應用示范區。混凝土澆筑總量近1.1萬m3，最大澆筑面積為965m2，澆筑時間為冬季12月份，混凝土類型包括二級配RCC、三級配RCC和三級配常態混凝土。混凝土的技術指標和摻和料類型見表1。

表1 混凝土技術指標和摻和料類型

2 原材料與配合比

2.1 原材料

為降低混凝土絕熱溫升和溫度裂縫的發生風險，使用中熱硅酸鹽(P·MH)水泥制備混凝土，水泥強度等級為42.5級，細度為4.0%，密度為3.12g/cm3，標準稠度用水量為24.1%。水泥性能檢測結果見表2。

表2 水泥性能檢測結果

使用工程附近的凝灰巖粉作為摻和料替代部分或全部粉煤灰進行試驗。凝灰巖塊石經開采和破碎后，進一步使用輥磨機對毛料磨細加工。凝灰巖粉火山灰活性試驗結果符合要求，巖相分析表明主要由晶屑、巖屑和變質火山灰組成，含有斜長石、輝石、玄武巖和絹云母等物質。化學分析表明凝灰巖粉主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO組成，其中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量超過70%。凝灰巖粉性能檢測結果見表3。

為比較凝灰巖粉和粉煤灰對混凝土施工性能的影響，現場同時使用凝灰巖粉和粉煤灰復摻的技術方案。選用的粉煤灰為F類Ⅱ級灰，密度為2.32g/cm3，細度為8.7%，28d齡期的活性指數為80%。粉煤灰性能檢測結果見表4。

比較表3和表4中凝灰巖粉、粉煤灰的活性指數可看出，凝灰巖粉的水化活性低于粉煤灰，前者約為后者的86%，這主要與2種材料的形成過程、化學成分、礦物組成、顆粒形貌等性能存在較大差異有關。粉煤灰形成經歷了高溫煅燒和極冷降溫過程，非結晶相和玻璃體含量較高；而凝灰巖粉屬天然火山灰材料，形成過程中雖經歷了高溫階段，但噴發后又經歷了漫長的風化過程，同時含有多孔沸石相組分[7]，使得凝灰巖粉的水化活性較低。

表3 凝灰巖粉性能檢測結果

表4 粉煤灰性能檢測結果 單位:%

2.2 混凝土配合比

混凝土的配合比見表5，凝灰巖粉和粉煤灰采用內摻法等質量取代水泥。二級配RCC的水泥總取代量為50%，其中凝灰巖粉單摻時的摻量為50%，凝灰巖粉和粉煤灰復摻時的摻量均為25%。三級配RCC中的水泥總取代量為62%，其中凝灰巖粉單摻時的摻量為62%，凝灰巖粉和粉煤灰復摻時的摻量分別為32%、30%。

表5 混凝土配合比

現場控制RCC的VC值為1～3s，常態混凝土坍落度為120～140mm。RCC的萘系減水劑，減水率為22.3%；常態混凝土使用的減水劑為聚羧酸減水劑，減水率為32.5%。變態混凝土加漿量為5.3%，二級配RCC(技術標號R9020W8F200)加漿的水灰比為0.5，三級配RCC(技術標號R9015W6F100)加漿的水灰比為0.55。現場實測混凝土出機口的含氣量為4.8%～5.4%。

3 混凝土施工和質量情況

3.1 施工方法和工藝

3.1.1入倉和平倉方法

RCC采用后退法進行卸料，按照一次攤鋪一次碾壓的方式施工。同時為防止卸料過程中發生骨料分離，運輸車在拌合站采用兩點式接料，并在倉面采用兩點式卸料，如圖1所示。兩點式卸料要求自卸車在卸料完成50%后，保持車斗門打開的情況下同向前行2～4m后再次卸料，控制每層起料堆位置距端模板5～6m，距側模板1.5m。水泥層砂漿分層攤鋪，每施工一個條帶，攤鋪一個條帶，與模板接觸部位則采用人工鋪料。

圖1 RCC的接料和卸料

采用平層通倉澆筑的方法進行施工，沿上下游岸方向垂直于壩軸線進行鋪料，控制平倉厚度為34±2cm，壓實厚度為30cm。鋪料條帶長度基本在20m左右后進行平倉，條帶卸料結束后，人工將料堆周邊集中的粗骨料分散到料堆頂部，平倉機再將混凝土拌合物向端頭模板側推平達到平倉厚度，最后掉頭開始平倉，并保持條帶前部略低。

平倉過程始終按照一次鋪料、一次碾壓的方式進行，遵循先攤鋪兩邊、后攤鋪中間的原則，并保證平倉后的場面基本平整，無顯著坑洼。靠近模板、異形結構區或小碾無法碾壓的部位，采用澆筑變態混凝土(局部人工加漿)的方法進行施工。

3.1.2碾壓工藝和質量

RCC施工程序如圖2所示。前期現場的工藝試驗表明，凝灰巖粉單摻或凝灰巖粉和粉煤灰復摻的二級配RCC、三級配RCC可采用相同的碾壓工藝，按照“2遍無振碾壓+6遍有振碾壓+2遍無振碾壓”的方式施工。碾壓方向平行于鋪筑條，行走速度為1.0～1.5km/h，走偏誤差控制在10cm以內，相鄰碾壓條帶必須重疊碾壓10～20cm。同一條帶分段碾壓時，接頭部位應重疊碾壓1～2m。

圖2 RCC施工程序

施工中對于2條碾壓帶因碾壓作業形成的高差，采用無振慢速碾壓1—2遍的方式進行處理；對于靠近模板、異形結構等無法碾壓的區域，應優先采用局部人工加漿的方式澆筑變態混凝土，振搗器應垂直按順序插入混凝土，并插入下層混凝土5～10cm。

RCC相對密實度的檢測結果如圖3所示。現場按照每碾壓100～200m2倉面后，使用核子密度儀對RCC的相對密實度進行檢測。整體上，RCC的相對密實度均在98%以上，平均值在99%左右，表明碾壓施工質量滿足技術要求，也說明現有施工工藝對摻凝灰巖粉RCC仍具有較好的碾壓效果。

圖3 RCC相對密實度檢測結果

混凝土芯樣的抗壓強度試驗結果如圖4所示。芯樣的直徑為φ190mm，高徑比為1∶1。試驗前先對芯樣進行切割、加工和修補，然后浸泡48h至吸水飽和后開始試驗。從圖4中可已看出，單摻凝灰巖粉RCC及復摻凝灰巖粉和粉煤灰RCC的芯樣抗壓強度均能滿足技術要求，并且復摻凝灰巖粉和粉煤灰RCC的芯樣抗壓強度高于單摻凝灰巖粉RCC，這與前期室內試驗的研究結論相一致[9]。

圖4 混凝土芯樣的抗壓強度

前期研究發現凝灰巖粉活性低于粉煤灰。混凝土芯樣的抗壓強度試驗進一步表明，單摻凝灰巖粉RCC的后期強度增長幅度小于復摻凝灰巖粉和粉煤灰RCC。這一方面與凝灰巖粉和粉煤灰的密度不同有關，相同質量情況下凝灰巖粉的體積小于粉煤灰，導致凝灰巖粉和粉煤灰復摻試驗組的膠凝材料體積較多；另一方面也與凝灰巖粉的水化活性低于粉煤灰有關，凝灰巖粉和粉煤灰復摻試驗組對混凝土后期性能的改善效果較好，混凝土內部密實程度的提高幅度較大。

3.1.3養護和保溫措施

工程位于高海拔嚴寒地區，年平均氣溫較低，并且晝夜溫度變化明顯，施工期環境溫度的變化情況如圖5所示，最高氣溫出現在下午14點左右，而晚上24點之后溫度降至最低，然后凌晨5點之后溫度逐漸上升，晝夜溫差近16℃。因此，RCC施工過程中需采取保溫措施，并避開低溫時段施工。

圖5 施工期環境溫度的變化情況

結合施工期環境溫度的變化情況，當施工中日平均氣溫連續5d溫度在5℃以下，或者氣溫連續5d穩定在-3℃以下時，按照低溫季節施工。同時，混凝土澆筑期間，進一步加強氣象預報工作，及時了解雪情和氣溫情況，減小外界環境對RCC質量造成的不利影響。

前期室內試驗觀測的摻凝灰巖粉RCC絕熱溫升情況如圖6所示，單摻凝灰巖粉試驗組的絕熱溫升小于單摻粉煤灰試驗組及凝灰巖粉與粉煤灰復摻試驗組。為觀測凝灰巖粉單摻、凝灰巖粉和粉煤灰復摻對RCC溫度場分布的影響，應用倉段內共布置12支溫度計。溫度計在各試驗倉段的中心分層布置，埋設時待混凝土澆筑到預定高程平倉壓實后，在測定區域開挖深度為20cm的凹槽，然后用混凝土覆蓋保護并再次碾壓，防止溫度計線路受損。

圖6 混凝土絕熱溫升試驗結果

為保證混凝土內部溫度場的均勻性，鋼模板拆除前使用10cm厚的聚苯乙烯板將格柵粘貼密實，鋼模板拆除后使用“塑料薄膜+3cm橡塑海綿+彩條布”的方式進行保溫，并在白天高溫時段進行灑水養護。現場觀測表明：單摻凝灰巖粉混凝土、復摻凝灰巖粉和粉煤灰混凝土均未出現開裂現象。

3.2 施工質量分析

3.2.1芯樣質量分析

采用鉆芯取樣的方法對混凝土的內部質量狀況進行分析。混凝土芯樣照片如圖7所示，芯樣分別取自二級配凝灰巖粉單摻RCC、二級配凝灰巖粉和粉煤灰復摻RCC，芯樣直徑為φ200mm。芯樣表面光滑、致密，無大的空洞、裂縫等缺陷出現，并且混凝土斷口平整，骨料分布均勻，漿體的包裹較好，說明現有施工工藝能夠滿足摻凝灰巖粉RCC的技術要求。

圖7 混凝土芯樣的質量情況

各試驗組混凝土干密度、濕密度和吸水率的試驗結果見表6。試驗利用混凝土芯樣進行，控制芯樣的切割厚度為10cm左右，然后通過多次測量試塊的直徑和厚度來計算表觀體積。從表6中可以看出，同級配情況下RCC的密度和吸水率均高于常態混凝土；而凝灰巖粉單摻RCC、凝灰巖粉和粉煤灰復摻RCC的密度相差不大。

表6 各試驗組混凝土的密度和吸水率結果

3.2.2壓水試驗分析

利用壓水試驗方法對混凝土的密實情況進行檢測，試驗結果如圖8所示。試驗鉆孔的直徑為φ75mm，長度為10m。鉆孔使用水栓塞封閉，每個鉆孔分3段進行試驗，各試驗段的長度分別為3、3、4m，按照鉆孔完成一段、壓水試驗一段的方法進行。壓水試驗分2級壓力進行，第一級壓力為0.3MPa，第二級壓力為0.6MPa，每級壓力下的穩定時間為20min，加載順序為0→0.3MPa→0.6MPa→0.3MPa→0。由于鉆芯過程中會產生泥漿護壁的現象，壓水試驗前需要先進行洗孔處理，控制洗孔壓力為0.5MPa，洗孔時間為10min。

圖8 混凝土壓水試驗結果

從圖8中可以看出，各類混凝土的壓水試驗結果均在0.05Lu以下，顯著低于其它工程的檢測結果[9-11]，而試驗過程中也未見顯著的壓力下降、流量增大等情況，說明混凝土的抗滲性能較好，密實程度較高。同時，單摻凝灰巖粉混凝土、復摻凝灰巖粉和粉煤灰混凝土的透水率比較接近，說明在現有施工工藝和技術水平的情況下，摻凝灰巖粉混凝土仍可獲得較為理想的壓實效果，這與室內試驗的結論相一致[12]。

RCC層面結合性能一直是工程質量控制的關鍵指標。現場RCC的倉面厚度為3m，但壓水試驗結果表明，含層面試驗段與不含層面試驗段的滲透性能相一致，說明凝灰巖粉對RCC的層面結合性能沒有影響，也表明現有施工方法和處理工藝對摻凝灰巖粉RCC也具有較好的作用效果。

實際上，壓水試驗是根據恒壓過程中鉆孔內水流流量的變化情況來表征混凝土的抗滲性能，對開放、連通孔隙有較好的效果，但對內部封閉的孔洞則無法表征。同時，試驗過程中流量計的電位漂移、水栓塞的封閉效果、水泵的穩壓性能等都對結果準確性有影響[13]。因此，現場進一步利用孔內超聲的方法研究混凝土內部質量進行研究。

3.2.3孔內超聲試驗

孔內超聲試驗利用壓水試驗的鉆孔進行，試驗結果見表7，典型的波速分布情況如圖9所示。不同類型混凝土的超聲波波速基本都分布在3900～4200m/s范圍內，平均值均在4100m/s左右。從圖9中可以看出，超聲波波速的分布較為集中，呈現出“兩頭少、中間多”的局面，超過85%測點的波速都分布在4000～4200m/s之間，說明混凝土整體的均質性較好，孔洞、酥松、漿骨分布不均勻的情況較少。

圖9 超聲波波速的分布情況

表7 孔內超聲試驗結果 單位：m/s

混凝土是多組分、多相的復合材料，超聲波波速與骨料分布、骨料含量、混凝土含水狀態等多種因素有關[14]，不少研究也表明超聲波速與混凝土抗壓強度之間存在較好的相關關系，利用超聲波波速的分布情況可間接表征混凝土的強度分布情況[15]。從表7中可以看出，各試驗孔混凝土超聲波波速最大值和最小值相差均不超過300m/s，偏差幅度也小于平均值的10%，說明鉆孔上下的混凝土強度分布較為均勻。

超聲波波速可反應混凝土內部的缺陷情況。根據國內外對大體積混凝土質量的統計資料[16]，超聲波波速3000～3600m/s的混凝土有缺陷，波速2100～3000m/s的混凝土質量較為粗劣，而波速超過3940m/s的混凝土質量較好。現場孔內超聲試驗檢測的超聲波波速均超過3600m/s，說明混凝土的質量較好，無粗劣或缺陷等情況出現。

通過上述鉆芯取樣、壓水試驗以及孔內超聲波的研究，表明現有施工方法、碾壓工藝、養護措施和保溫手段對單摻凝灰巖粉混凝土、復摻凝灰巖粉和粉煤灰混凝土都具有較好的效果，凝灰巖粉作為摻和料單摻或復摻粉煤灰均不會影響RCC、常態混凝土的施工質量。

4 結論

凝灰巖粉摻和料替代粉煤灰在西部地區有著迫切的工程需求。本文針對凝灰巖粉RCC施工性能和質量開展應用研究，得出以下結論：

(1)現有的碾壓工藝和施工手段對凝灰巖粉RCC具有較好的作用效果，相對壓實程度可達98%以上，硬化后RCC的內部均質性較好，密實程度較高。

(2)凝灰巖粉RCC的抗滲性能和抗壓強度均能滿足技術要求，實際服役環境下凝灰巖粉RCC還具有穩定的抗壓強度增長特性。

(3)在凝灰巖粉單摻摻量為62%的情況下，RCC性能仍能滿足施工和技術要求。凝灰巖粉和粉煤灰復摻對RCC抗壓強度有利。

西部地區多屬高海拔、嚴寒低濕和大氣溫變幅的復雜環境，凝灰巖粉RCC的抗凍性能需要關注，并且實際服役環境下凝灰巖粉RCC的長期性能演變規律有待進一步探索。