金安橋水電站玄武巖骨料碾壓混凝土應用研究

康小春，張改香

（中國水利水電第四工程局有限公司勘測設計研究院，青海 西寧 810007）

0 引言

金安橋水電站包括大壩、泄水及引水發電系統等主體工程全部混凝土方量約629萬m3，混凝土所需骨料量巨大，其中碾壓混凝土259萬m3（含右岸沖刷壩段泄水槽基礎17萬m3）。壩址附近巖石以玄武巖及弱風化玄武巖為主。在進行大壩碾壓混凝土配合比試驗過程中發現，玄武巖具有密度大、巖性脆、硬度高的特點，在對其毛料進行加工時，玄武巖制砂石粉含量低、細度模數大，無法生產出符合施工要求的碾壓混凝土用砂。特別是玄武巖骨料碾壓混凝土的用水量急劇增加，而且新拌碾壓混凝土拌和物性能差，不能滿足碾壓混凝土可碾性、液化泛漿和層間結合的施工要求，明顯有別于其他工程的碾壓混凝土，對大壩碾壓混凝土的快速施工、層間結合、溫控、防裂均帶來不利。本文通過對玄武巖骨料碾壓混凝土性能試驗研究，采取外摻石粉代砂、提高外加劑摻量、低VC值等技術措施，使玄武巖骨料成功應用于金安橋水電站的大壩碾壓混凝土。

1 原材料

（1）水泥。為麗江永保42.5中熱水泥，其物理和化學指標均符合GB200—2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》要求。

（2）粉煤灰。大壩混凝土使用攀枝花利源粉煤灰制品有限公司的Ⅱ級粉煤灰，細度平均值為15.8%，需水量比平均值為99%。粉煤灰品質符合DL/5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術規程》技術要求。

（3）骨料。混凝土所用粗、細骨料均為玄武巖人工骨料。人工砂及粗骨料物理品質檢測結果表明：人工砂細度模數2.78、石粉含量11.8%、表觀密度2 940 kg/m3； 粗骨料表觀密度2 970～2 990 kg/m3； 除人工砂石粉含量偏低外，粗、細骨料的其他品質均滿足規范要求。

（4）外加劑。采用ZB-1Rcc15緩凝高效減水劑和ZB-1G引氣劑。試驗結果表明，減水劑和引氣劑性能均滿足標準和施工要求。

2 玄武巖微觀分析

2.1 成分分析

取玄武巖石粉、石灰巖石粉和Ⅱ級粉煤灰，進行化學成分對比試驗。結果表明，玄武巖化學成分明顯有別于石灰巖粉、粉煤灰，玄武巖主要化學成份為 SiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 CaO， 其中 SiO2含量最多，占45%。玄武巖粉、石灰巖粉和粉煤灰的礦物組成見表1。

表1 玄武巖粉、石灰巖粉和粉煤灰的礦物組成

表1中可以看到玄武巖主要礦物組成為綠泥石、云母、石英、長石、方解石，不同于石灰巖粉和粉煤灰。

2.2 顆粒分布

將玄武巖粉、石灰巖粉和粉煤灰分別進行篩分分析。顆粒分布測試結果顯示，玄武巖粉顆粒最粗，粒徑小于38 μm的含量只有48.3%，而石灰巖粉和粉煤灰顆粒較細，38 μm粒徑以下的含量均在74%以上。

2.3 顆粒形貌

通過對玄武巖粉、石灰巖粉和Ⅱ粉煤灰在掃描電鏡下進行顆粒形貌分析，掃描電鏡照片顯示，三種微粉顆粒形貌區別很大。玄武巖粉為多角形粒狀，比石灰巖粉顆粒明顯粗糙。粉煤灰顆粒由玻璃微珠和不規則玻璃體組成，明顯有別于玄武巖石粉。

3 玄武巖骨料碾壓混凝土的性能

3.1 外加劑摻量對用水量的影響

外加劑摻量與碾壓混凝土用水量關系的試驗結果見表2。

從表2可以看出：①對三級配碾壓混凝土，當減水劑ZB-1Rcc15摻量從0%增加到1.0%，ZB-1G引氣劑摻0%、0.25%和0.30%，達到相近VC值時，用水量從127 kg/m3降至95 kg/m3；水膠比為0.55時，膠凝材料用量從231 kg/m3降至173 kg/m3，水膠比為0.50時，膠凝材料由254 kg/m3降至190 kg/m3。②二級配碾壓混凝土的用水量從137 kg/m3降到105 kg/m3，相應的膠凝材料從274 kg/m3降到210 kg/m3。試驗結果充分說明，碾壓混凝土隨外加劑摻量的提高，單位用水量及膠凝材料用量顯著降低。

從降低混凝土溫升、提高抗裂性能和防止大壩裂縫考慮，提高減水劑摻量是降低膠材用量和方便溫度控制的有效技術措施。

表2 外加劑摻量與碾壓混凝土用水量關系試驗結果

3.2 骨料品種對碾壓混凝土用水量的影響

玄武巖骨料與石灰巖骨料碾壓混凝土用水量的對比試驗結果見表3。

從表3可以看出：玄武巖骨料碾壓混凝土的用水量明顯高于石灰巖骨料碾壓混凝土；石灰巖骨料密度相對較小；石灰巖骨料碾壓混凝土的表觀密度比玄武巖骨料碾壓混凝土輕約200 kg/m3。

由于玄武巖骨料的特性，加工的人工砂石粉含量偏低，故碾壓混凝土漿體明顯不足，新拌碾壓混凝土拌和物液化泛漿和工作性差，并且單位用水量偏高，碾壓混凝土三級配用水量為100 kg/m3，二級配用水量110 kg/m3，與國內其他同類型工程的碾壓混凝土配合比相比，單位用水量偏高10 kg/m3以上。

3.3 石粉含量對碾壓混凝土性能的影響

為了研究外摻不同石粉含量對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，進行了玄武巖人工砂不同石粉含量 （14%、16%、18%、20%、22%）的碾壓混凝土拌和物性能和力學性能試驗，結果見表4。

從表4可以看出：當人工砂石粉含量達到18%時，碾壓混凝土拌和物的外觀逐漸變好，將VC值測試完成的混凝土從容量筒中倒出，試樣表面光滑、密實，繼續增加石粉含量，漿體充足，拌和物粘聚性增強；隨著人工砂石粉含量的增高，碾壓混凝土中材料的總表面積相應增大,用水量呈規律性的增加；VC值的大小直接影響著碾壓混凝土含氣量的變化，當碾壓混凝土的VC值損失每增加1 s，含氣量平均相應降低約0.7%；石粉含量在16%時碾壓混凝土抗壓強度最高，但和易性較差。

石粉含量在18%～20%范圍時，碾壓混凝土拌和物性能和強度最優。

4 配合比設計優化

針對玄武巖骨料碾壓混凝土可碾性差的情況，配合比設計優化主要從4個方面進行：①通過外摻石粉代砂技術方案解決石粉含量低的問題，通過試驗確定C9020、C9015三級配碾壓混凝土最優石粉含量分別為18%、19%；②針對VC值經時損失情況，調整岀機口VC值1～3 s，岀機口VC值控制以倉面可碾性和液化泛漿好為原則；③提高緩凝高效減水劑ZB-1Rcc15的摻量，降低用水量，解決液化泛漿差的難題；④優化C9015三級配碾壓混凝土，水泥用量從72 kg/m3降至63 kg/m3，有效降低水化熱溫升。

金安橋水電站大壩玄武巖骨料碾壓混凝土配合比設計采用適宜的水膠比、外摻石粉代砂、提高外加劑摻量、低VC值的技術路線。經過反復的、大量的試驗研究，以及現場生產性試驗，有效地降低了碾壓混凝土的單位用水量，改善了拌和物性能，所確定的碾壓混凝土施工配合比見表5。

表3 玄武巖與石灰巖碾壓混凝土用水量對比

表4 不同石粉含量的碾壓混凝土性能

表5 碾壓混凝土施工配合比

5 VC值動態控制研究

結合金安橋水電站碾壓混凝土的施工過程及氣候環境特點，對碾壓混凝土VC值與可碾性進行了相關試驗，為碾壓混凝土VC值動態控制提供依據。

5.1 工況模擬

VC值動態控制試驗在拌和樓碾壓混凝土生產過程中進行，模擬碾壓混凝土從運輸到現場施工時的兩種實際情況：①碾壓混凝土運輸時車輛無遮蓋直接入倉攤鋪；②碾壓混凝土運輸過程中車輛采用苫布遮陽，入倉后和攤鋪過程中現場采用噴霧、保濕、降溫的措施。對出機的碾壓混凝土在自然的氣候環境下，采用無遮蓋和濕麻袋遮蓋兩種條件進行試驗。

5.2 試驗方法

碾壓混凝土從拌和樓出機到運輸至倉面需15 min。因倉面碾壓混凝土的攤鋪和碾壓受到來料速度、攤鋪面積、攤鋪機械的影響時間變化較大，為減小試驗誤差，分別采用出機后30 min和60 min兩種時間定為碾壓混凝土攤鋪后、碾壓前的時間。即在拌和樓對出機的碾壓混凝土在自然的氣候條件下，采用無遮蓋和溫麻袋遮蓋兩種條件下分別測試出機和15、30、60 min后的VC值。

5.3 試驗結果

試驗結果表明，施工環境條件對碾壓混凝土的工作度影響大，采取有效的措施可減小碾壓混凝土VC值的損失。在太陽曝曬的環境下碾壓混凝土運輸時無遮蓋直接入倉攤鋪，碾壓混凝土VC值損失最大，并且隨著時間的延長，VC值損失繼續加大。如果碾壓混凝土運輸時有苫布遮陽，入倉后和攤鋪過程中現場采用噴霧降溫，可顯著減小VC值的損失。

5.4 實際應用

從碾壓混凝土施工和現場碾壓效果來看，當攤鋪后、碾壓前VC值小于5 s時，碾壓后的混凝土表而光滑、泛漿充分，隨著VC值的增大，碾壓混凝土液化泛漿逐漸變差；當攤鋪后、碾壓前VC值大于9 s時，碾壓混凝土液化泛漿差，碾壓后的混凝土表面有大面積的石子外露，增加碾壓遍數也無法改觀。

6 質量檢測評定

6.1 機口混凝土性能檢測

大壩碾壓混凝土于2007年5月開始澆筑，至2009年12月底完成，共澆筑碾壓混凝土259萬m3。機口取樣檢測結果見表6。

從表6可以看出，碾壓混凝土強度保證率在94.3%以上。同時抽樣檢測混凝土的極限拉伸值在72×10-6以上，抗滲等級大于W6和W8要求，抗凍等級大于F100。碾壓混凝土的強度、變形性能和耐久性均滿足設計要求。

6.2 鉆孔取芯及壓水檢查

金安橋水電站先后進行了3次碾壓混凝土鉆孔取芯和2次鉆孔壓水試驗。經過對抽取各芯樣的外觀檢查，芯樣呈圓柱狀，芯樣外觀光滑，混凝土結構致密，膠結情況好，骨料分布均勻。大壩鉆孔取芯獲得率高，層縫面難以辨認，取出10 m以上長芯樣11根，其中取出了15.73 m和16.49 m的國內超長芯樣。而且芯樣檢測結果表明，芯樣強度、抗滲、抗凍、極限拉伸值等指標均滿足設計要求。

對大壩碾壓混凝土進行2次鉆孔壓水檢查，二級配區碾壓混凝土壓水段均小于0.5 Lu；三級配區壓水均小于1 Lu，大部份壓水段小于0.5 Lu。整體抗滲性能良好。

7 結語

表6 碾壓混凝土性能檢測結果

（1）微觀分析表明玄武巖礦物成分較為復雜，顆粒較粗，呈多棱角形的片狀顆粒，明顯區別于石灰巖骨料。

（2）試驗研究表明，玄武巖人工砂石粉含量低是造成碾壓混凝土工作性差的主要因素。

（3）玄武巖與石灰巖骨料碾壓混凝土性能對比試驗結果表明：玄武巖骨料導致碾壓混凝土的用水量、膠材用量和外加劑用量增加；提高減水劑摻量可以降低膠材用量。

（4）針對玄武巖人工骨料中石粉含量較低的特性，碾壓混凝土配合比設計 “采用適宜的水膠比、外摻石粉代砂、提高粉煤灰和外加劑摻量、低VC值”的技術路線，有效地降低了碾壓混凝土單位用水量和水泥用量，有效提高了大壩碾壓混凝土層間結合質量，方便大壩溫度控制，提高抗裂性能。

（5）金安橋水電站碾壓混凝土在施工中采取了運輸車輛設有苫布遮陽、現場攤鋪和碾壓過程中噴霧保濕等措施，改善了現場碾壓混凝土施工倉面的小氣候。有效地減小了碾壓混凝土從出機到入倉，以及攤鋪后碾壓前的VC值損失，提高可碾性，保證了碾壓混凝土液化泛漿及層間結合質量。

（6）機口混凝土性能檢測和鉆孔取芯及壓水檢查表明，碾壓混凝土的強度、變形性能和耐久性均滿足設計要求，壩體抗滲性和層間結合良好。為玄武巖骨料碾壓混凝土的成功應用積累了寶貴經驗。

［1］ 李苓宏，田育功.金安橋水電站玄武巖骨料碾壓混凝土特性研究［J］.水利水電技術， 2009（5）： 47-50.

［2］ 中國水利水電第四工程局有限公司，金安橋水電站有限公司.玄武巖骨料碾壓混凝土研究與應用［R］.西寧：中國水利水電第四工程局有限公司試驗中心，2009.

［3］ 康小春.金安橋水電站大壩混凝土配合比試驗報告［R］.西寧：中國水利水電第四工程局有限公司試驗中心，2007.

［4］ 康小春.金安橋水電站大壩碾壓混凝土配合比優化試驗報告［R］.西寧：中國水利水電第四工程局有限公司試驗中心，2008.