碾壓混凝土中石粉含量精確控制研究與應(yīng)用

周啟坤，李迪光，王元安

（1.貴州拓海科技有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng)550008；2.金安橋水電站有限公司，云南 麗江 674104）

金安橋水電站位于金沙江中游河段，是金沙江中游規(guī)劃的第五級(jí)電站，距云南省麗江市公路里程52.5 km，工程以發(fā)電為主，兼顧防洪，電站裝機(jī)容量4×600 MW。工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、右岸溢流表孔及消力池、右岸泄洪 （沖沙）底孔、左岸沖沙底孔、壩后廠房及交通洞等永久建筑物組成。

碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 424 m，最大壩高160 m，壩頂長(zhǎng)度640 m，壩體共分21個(gè)壩段，大壩混凝土工程量約360萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土242萬(wàn)m3。碾壓混凝土于2007年5月開(kāi)始澆筑，2009年12月底澆筑完成。

1 石粉在碾壓混凝土中的作用

石粉是指顆粒小于0.16 mm的經(jīng)機(jī)械加工的巖石微細(xì)顆粒，它包括人工砂中粒徑小于0.16 mm的細(xì)顆粒和專門(mén)磨細(xì)的巖石粉末，其形狀與水泥顆粒相似，呈不規(guī)則的多棱體。在碾壓混凝土中，石粉的作用是與水和膠凝材料一起組成漿體，填充包裹細(xì)骨料間的空隙。

漿砂比從直觀上體現(xiàn)了碾壓混凝土材料之間的一種比例關(guān)系，是指碾壓混凝土灰漿體積 (膠凝材料、水及粒徑小于0.08 mm微石粉的體積之和)與砂漿體積的比值，是評(píng)價(jià)碾壓混凝土拌和物性能的重要參數(shù)，具有與水膠比、砂率、用水量三大參數(shù)同等重要的作用。一般要求碾壓混凝土的漿砂比大于0.42，漿砂比高，則碾壓混凝土骨料漿體包裹充分，可碾性好，液化泛漿及層間結(jié)合良好。

膠凝材料少、用水量低是碾壓混凝土的特點(diǎn)，因此，石粉含量就成為提高碾壓混凝土漿砂比的關(guān)鍵因素，增加砂中石粉含量，提高漿砂比，能顯著改善碾壓混凝土拌和物性能。

2 碾壓混凝土外摻石粉代砂的研究

碾壓混凝土施工規(guī)范要求人工砂細(xì)度模數(shù)宜在2.20～2.90，石粉含量宜在12%～22%。金安橋水電站工程采用玄武巖生產(chǎn)的人工砂石骨料，密度大、硬脆、彈性模量高、骨料表面粗糙、具有很強(qiáng)的吸附性，用玄武巖生產(chǎn)的人工砂石粉含量低，而設(shè)計(jì)要求人工砂石粉含量為16%～22%，小于0.08 mm的微石粉占石粉總量的50%以上。金安橋工程砂石系統(tǒng)加工生產(chǎn)的人工砂細(xì)度模數(shù)偏大，平均為2.89；石粉含量低，平均為12.7%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

為保證碾壓混凝土拌和物性能滿足施工要求，硬化混凝土性能滿足設(shè)計(jì)要求，提高砂中的石粉含量是非常有效的措施。但高石粉含量也有其不利的一面，大量的試驗(yàn)研究表明，碾壓混凝土單位用水量隨著石粉含量的增加而增加，一般石粉含量每增加1%，單位用水量相應(yīng)增加1～2 kg/m3，另外，石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度、極限拉伸值、干縮值等影響也較大。為此，采用了外摻石粉代砂技術(shù)措施，并開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究，以找出本工程碾壓混凝土的最佳石粉含量，改善拌和物性能，使層間接合良好，保證大壩碾壓混凝土的質(zhì)量。

2.1 不同石粉摻量對(duì)人工砂細(xì)度的影響

試驗(yàn)用石粉由水泥廠采用石灰?guī)r粉磨加工而成，細(xì)度 （0.08 mm方孔篩篩余量）15.8%；人工砂細(xì)度模數(shù)2.79，石粉含量12.5%。隨著外摻石粉代砂量的增加，人工砂細(xì)度模數(shù)、石粉含量和顆粒級(jí)配也發(fā)生變化，石粉代砂量增加，石粉含量增大，砂的細(xì)度模數(shù)相應(yīng)減小。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同石粉摻量下砂顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

2.2 石粉含量對(duì)碾壓混凝土性能的影響

為了研究外摻石粉含量對(duì)碾壓混凝土性能的影響，確定玄武巖骨料碾壓混凝土的最佳石粉含量，進(jìn)行了玄武巖人工砂不同石粉含量 (14%、16%、18%、20%、22%)碾壓混凝土拌和物性能、力學(xué)性能、變形性能試驗(yàn)研究。

采用永保中熱42.5水泥，攀枝花Ⅱ級(jí)粉煤灰，金安橋砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的玄武巖砂石骨料，六德水泥廠生產(chǎn)的石灰?guī)r石粉，ZB-1Rcc15緩凝高效減水劑和ZB-1G引氣劑，粗骨料比例為小石∶中石∶大石=30∶40∶30， 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2 不同石粉含量碾壓混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：①當(dāng)人工砂石粉含量增加到18%時(shí)，碾壓混凝土拌和物的外觀逐漸變好，VC值測(cè)試完成后，將混凝土從VC桶中倒出，試體表面基本光滑、密實(shí)，隨著石粉含量的增加，漿體變得充足，拌和物粘聚性增強(qiáng)。②當(dāng)人工砂石粉含量從14%增加至22%時(shí)，用水量從86 kg/m3相應(yīng)增加至94 kg/m3，即人工砂石粉含量每增加1%，碾壓混凝土用水量相應(yīng)增加1 kg/m3。③當(dāng)人工砂石粉含量從16%增加至22%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度從22.4 MPa降低至19.2 MPa， 90 d抗壓強(qiáng)度從33.2 MPa降低至29.2 MPa；當(dāng)石粉含量低于16%時(shí)，強(qiáng)度開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。④當(dāng)人工砂石粉含量從16%增高至22%時(shí)，90 d極限拉伸值從78×10-6降低至 71×10-6，90 d抗壓彈性模量從38.3 GPa減小至35.1 GPa；當(dāng)石粉含量低于16%時(shí)，極限拉伸值也隨之降低，彈性模量增大。⑤當(dāng)人工砂石粉含量從14%增加至22%時(shí)，隨著石粉含量的增高，碾壓混凝土干縮率有規(guī)律地增大，干縮率隨齡期延長(zhǎng)而增大。試驗(yàn)表明，石粉含量增加的同時(shí)，碾壓混凝土干縮率增大，對(duì)大體積碾壓混凝土的抗裂性不利。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：人工砂石粉含量對(duì)碾壓混凝土用水量、拌和物性能、抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值、彈性模量均有較大影響。當(dāng)石粉含量低于16%時(shí)，隨著石粉含量的降低，碾壓混凝土拌和物骨料包裹較差，抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值也有降低的趨勢(shì)；當(dāng)石粉含量高于20%時(shí)，隨著石粉含量的增加，碾壓混凝土拌和物骨料包裹充分，抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值也有降低的趨勢(shì)。這些充分說(shuō)明玄武巖人工砂中石粉含量的高低對(duì)碾壓混凝土的性能有較大影響。

綜上所述，金安橋水電站工程大壩碾壓混凝土中玄武巖人工砂石粉含量控制在18%～20%范圍時(shí)，碾壓混凝土綜合指標(biāo)最優(yōu)。

3 石粉含量精確控制應(yīng)用

金安橋工程大壩碾壓混凝土澆筑初期，綜合人工砂的石粉含量情況，以固定外摻8%石粉取代人工砂。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果分析，以固定外摻8%石粉取代人工砂這種質(zhì)量控制方式，必然帶來(lái)混凝土質(zhì)量的較大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成混凝土低強(qiáng)。抽樣統(tǒng)計(jì)2008年2月～4月澆筑的碾壓混凝土，使用的人工砂中的石粉含量最大值為16.8%，最小值為8.6%，再加外摻8%的代砂石粉，人工砂中石粉含量最大值達(dá)到24.8%，最小值為16.6%。由于沒(méi)有對(duì)外摻石粉代砂量進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)控制，致使碾壓混凝土中石粉總含量波動(dòng)大，混凝土的質(zhì)量波動(dòng)也大。對(duì)2008年2月～4月澆筑的C9020碾壓混凝土的強(qiáng)度實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，組數(shù)為620，平均強(qiáng)度23.2 MPa，最大值35.3 MPa，最小值15.9 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差3.44 MPa，保證率82.7%，強(qiáng)度波動(dòng)大。2008年8月起，碾壓混凝土澆筑時(shí)，精確控制人工砂中的石粉含量為19%，即每班對(duì)人工砂中的石粉含量進(jìn)行檢測(cè)，不足量由外摻石粉來(lái)補(bǔ)足。技術(shù)改進(jìn)后，對(duì)2008年8月～2009年12月澆筑的C9020碾壓混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，組數(shù)為587，平均強(qiáng)度25.8 MPa，最大值 34.2 MPa，最小值 19.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差2.76 MPa，保證率98.0%，碾壓混凝土的質(zhì)量得到很大提高。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從金安橋水電站工程大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)分析可知，當(dāng)人工砂中石粉含量不能滿足碾壓混凝土要求，需要以粉磨石粉代砂來(lái)增加石粉含量改善碾壓混凝土拌和物性能時(shí)，對(duì)外摻石粉量必須進(jìn)行精確控制，即根據(jù)人工砂中石粉含量的高低來(lái)調(diào)整代砂石粉的摻量，確保摻入代砂石粉后石粉總量固定不變，才能確保碾壓混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）水利水電工程中使用的人工砂通常是處于水飽和狀態(tài)，當(dāng)砂中石粉含量滿足碾壓混凝土要求時(shí)，即使石粉含量有小量波動(dòng)，對(duì)混凝土質(zhì)量影響也并不大。

［1］ 田育功.碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［2］ DL/T 5433—2009 水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.