輝綠巖人工砂中石粉作為碾壓混凝土摻合料的試驗(yàn)研究

陳先明，羅小平，朱 丹，李素麗

(中國水利電力對(duì)外有限公司，北京 100120)

1 研究背景與技術(shù)路線

幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目混凝土總方量約為360萬m3，壩體碾壓混凝土約為300萬m3。大約需要粉煤灰摻合料36萬t，因當(dāng)?shù)責(zé)o混凝土摻合料資源，而粉煤灰采購受各種因素影響，其供應(yīng)的及時(shí)性對(duì)工程進(jìn)度制約非常大。針對(duì)混凝土摻合料供應(yīng)中存在的問題，結(jié)合工程實(shí)際情況，用輝綠巖通過加工粉磨成石粉作為碾壓混凝土摻合料這一途徑，部分或全部替代粉煤灰作為摻合料使用。

以石粉作為碾壓混凝土摻合料，提高碾壓混凝土的密實(shí)性，其原理是石粉可與粉煤灰一樣發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，填充空隙和包裹砂料表面，增進(jìn)混凝土的勻質(zhì)性、密實(shí)性，提高混凝土的強(qiáng)度及斷裂韌性，改善施工層面的膠粘性能，減少膠凝材料用量，降低混凝土絕熱溫升。

考慮到該項(xiàng)目電力緊張，單獨(dú)生產(chǎn)石粉需要專門的粉磨設(shè)備不經(jīng)濟(jì)等因素，通過調(diào)整人工砂石系統(tǒng)生產(chǎn)工藝，使輝綠巖人工砂石粉含量穩(wěn)定在某一理想范圍內(nèi)，從而直接將人工砂中石粉作為碾壓混凝土摻合料用于混凝土生產(chǎn)，本文對(duì)此方案的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究與論證，并通過試驗(yàn)確定其最佳摻量。

2 碾壓混凝土配合比試驗(yàn)研究

根據(jù)輝綠巖石粉代替粉煤灰作為混凝土摻合料研究結(jié)果，混凝土配合比設(shè)計(jì)采用L9(34)正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行，選擇水膠比、粉煤灰摻量和石粉摻量作為主要影響因素，以齡期為28、90、180 d抗壓強(qiáng)度和90、180 d劈拉強(qiáng)度作為考核參數(shù)，重點(diǎn)對(duì)大壩內(nèi)部C9015W6F50三級(jí)配和防滲區(qū)C9020W10F50二級(jí)配碾壓混凝土配合比研究。

3 磨細(xì)石粉與人工砂中石粉對(duì)比試驗(yàn)

第一次碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)，現(xiàn)場磨細(xì)石粉數(shù)量不足，急需石粉生產(chǎn)混凝土，若使用磨細(xì)石粉，石粉加工設(shè)備的采購安裝、調(diào)試、倉儲(chǔ)等諸多問題難以解決，直接影響工期。借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)磨細(xì)石粉、庫存的沉淀池石粉進(jìn)行小于0.08 mm以下顆粒含量及密度、比表面積、燒失量、活性指數(shù)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：兩種石粉除細(xì)度和比表面積差別較大外，其余檢測(cè)結(jié)果差別不大。因此，項(xiàng)目決定采用水洗砂沉淀池中石粉進(jìn)行碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)。

3.1 磨細(xì)石粉、沉淀池石粉物理性能試驗(yàn)

磨細(xì)石粉、沉淀池石粉檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 石粉物理性能檢驗(yàn)結(jié)果

表2 第一次碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表3 第一次碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)(90d)層間原位直剪試驗(yàn)成果

3.2 第一次碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)

第一次生產(chǎn)性試驗(yàn)除規(guī)范要求的碾壓混凝土試驗(yàn)內(nèi)容外，重點(diǎn)考察石粉摻合料混凝土的各項(xiàng)性能。采用沉淀池回收石粉生產(chǎn)碾壓混凝土，設(shè)置等寬的4個(gè)碾壓條帶，分別進(jìn)行不同膠凝材料組合碾壓混凝土施工，并在第三、第四升層采用石粉摻合料碾壓混凝土作為抗剪斷試驗(yàn)區(qū)。第四升層條帶Ⅰ為熱升層，間隔時(shí)間10 h，條帶Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為冷升層，層間結(jié)合處理方式分別為鋪水泥凈漿、鋪砂漿、鋪筑富漿碾壓混凝土。試驗(yàn)結(jié)果見表2、3。

試驗(yàn)確定了碾壓混凝土拌和工藝參數(shù)、碾壓混凝土施工參數(shù)，石粉作為混凝土摻合料的現(xiàn)場應(yīng)用效果，不同膠凝材料組合混凝土拌和物性能(VC值、含氣量、凝結(jié)時(shí)間)、力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度)及耐久性能(抗?jié)B、抗凍)結(jié)果均滿足施工和設(shè)計(jì)要求；不同膠凝材料組合層間抗剪斷強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)f′≥1.0、c′≥1.1 MPa的要求。

4 人工砂中石粉作為摻合料的碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 人工砂中石粉物理性能試驗(yàn)

通過對(duì)人工砂成品檢測(cè)，砂中石粉粒徑<0.08 mm顆粒含量約占2/3。從細(xì)度來說，主要利用0.08 mm以下顆粒含量作為混凝土摻合料。輝綠巖人工砂中<0.08 mm顆粒含量充足。磨細(xì)石粉與人工砂中自帶石粉試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，人工砂中石粉<0.08 mm顆粒級(jí)配范圍略粗于磨細(xì)石粉，比表面積較磨細(xì)石粉小，其他指標(biāo)接近。人工砂中石粉含量及物理性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

4.2 磨細(xì)石粉與砂中石粉混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)

采用人工砂中石粉與磨細(xì)石粉進(jìn)行混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)，比較2種石粉對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，混凝土性能影響試驗(yàn)結(jié)果見表5。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種不同來源的石粉作為摻合料對(duì)混凝土用水量、VC值和含氣量影響不明顯；混凝土抗壓強(qiáng)度人工砂中石粉略高于磨細(xì)石粉，抗?jié)B性能和抗凍性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，人工砂中石粉與磨細(xì)石粉摻入混凝土可起到相同作用。

表4 石粉物理性能檢驗(yàn)結(jié)果

表5 碾壓混凝土三級(jí)配拌和物性能、抗壓強(qiáng)度、耐久性檢驗(yàn)結(jié)果

表6 第二次現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表7 第二次現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)雺夯炷量節(jié)B、抗凍檢測(cè)結(jié)果表

4.3 人工砂中石粉作為碾壓混凝土摻合料驗(yàn)證試驗(yàn)

通過室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)可知，人工砂中石粉與磨細(xì)石粉在混凝土單位用水量、出機(jī)口性能及力學(xué)耐久性能方面無明顯差異，故利用人工砂中石粉作為混凝土摻合料進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，驗(yàn)證直接利用人工砂中石粉作為碾壓混凝土摻合料的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

第二次碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)直接利用人工砂中石粉顆粒(粒徑<0.08mm)作為摻合料。試驗(yàn)采用C9015W6F50碾壓混凝土配合比摻25%粉煤灰+30%石粉和單摻45%石粉三級(jí)配進(jìn)行，施工參數(shù)采用第一次生產(chǎn)性試驗(yàn)取得的參數(shù)。試驗(yàn)內(nèi)容為：混凝土碾壓遍數(shù)試驗(yàn)及壓實(shí)度關(guān)系，碾壓混凝土拌和物性能、力學(xué)性能和耐久性能。試驗(yàn)結(jié)果見表6、7。

對(duì)比第一次、第二次碾壓混凝土生產(chǎn)性試驗(yàn)，粉煤灰+石粉和單摻石粉兩種摻合料碾壓混凝土均能滿足施工工作度要求，無論采取磨細(xì)石粉或人工砂中石粉用于實(shí)際生產(chǎn)，混凝土各項(xiàng)參數(shù)均能滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 人工砂最優(yōu)石粉含量確定

蘇阿皮蒂水電站工程砂石系統(tǒng)干法生產(chǎn)的輝綠巖人工砂中石粉含量較高，微細(xì)顆粒含量占比較大，特別是0.08 mm以下顆粒含量充足，達(dá)52.9%～75.4%，均值在66.5%左右。直接利用人工砂中石粉作為碾壓混凝土摻合料使用，石粉須穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，通過不同石粉含量人工砂對(duì)新鮮碾壓混凝土及硬化混凝土性能影響試驗(yàn)，得出碾壓混凝土人工砂中最佳石粉含量，再根據(jù)碾壓砂最佳石粉含量確定人工砂技術(shù)指標(biāo)要求范圍。

(1)輝綠巖人工砂最優(yōu)石粉含量確定。配制不同石粉含量人工砂，固定膠凝材料用量，拌制混凝土，通過試驗(yàn)比較不同石粉含量人工砂對(duì)碾壓混凝土性能的影響。不同石粉含量人工砂的碾壓混凝土性能及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表8。從表8可知：①在水泥和粉煤灰用量不變的條件下，石粉含量每增加1%混凝土的用水量增加1 kg；石粉含量每增加3%，碾壓混凝土引氣劑摻量增加2/萬。②砂中石粉含量的變化對(duì)碾壓混凝土抗?jié)B性能和干縮性能影響不大。③碾壓混凝土人工砂石粉含量在18%～22%區(qū)間時(shí)，混凝土用水量最小，強(qiáng)度最高。

表8 不同石粉含量人工砂的碾壓混凝土性能及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)技術(shù)要求。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果及規(guī)范要求，確定本工程碾壓混凝土用人工砂石粉含量應(yīng)控制在20%±2%(系指小于0.16 mm的顆粒)；細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.7±0.2；其他技術(shù)要求遵照DL/T5112—2009《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》。

(3)拌和樓碾壓混凝土砂抽檢結(jié)果。通過拌和樓成品碾壓砂倉連續(xù)26個(gè)月檢測(cè)，人工砂質(zhì)量較穩(wěn)定，對(duì)拌和樓料倉碾壓砂進(jìn)行抽檢，結(jié)果表明：碾壓砂質(zhì)量較為穩(wěn)定，砂中小于0.08 mm顆粒含量完全能滿足規(guī)范要求及石粉作為碾壓混凝土摻合料的要求。

截止到2019年8月，蘇阿皮蒂工程已施工碾壓混凝土270萬m3，其中，二級(jí)配防滲區(qū)的C9020W10F50碾壓混凝39萬m3，三級(jí)配內(nèi)部C9015W6F50碾壓混凝土231萬m3，石粉作為摻合料的C9015W6F50碾壓混凝土共施工約220萬m3。新鮮混凝土及硬化混凝土性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，使用輝綠巖人工砂中石粉作為摻合料，碾壓混凝土拌和物VC值、凝結(jié)時(shí)間和含氣量均滿足施工要求；到設(shè)計(jì)齡期的混凝土強(qiáng)度、抗凍和抗?jié)B均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

(1)輝綠巖石粉在碾壓混凝土中主要起微集料填充作用，能包裹骨料表面，提高拌和物的黏聚性、抗分散性，能降低碾壓混凝土的孔隙率，提高碾壓混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性，有利于提高碾壓混凝土的振動(dòng)液化效果。

(2)工程實(shí)際應(yīng)用及抽檢結(jié)果表明，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)各項(xiàng)指標(biāo)要求，進(jìn)一步證明通過砂石系統(tǒng)調(diào)整輝綠巖人工砂加工工藝，直接利用人工砂中的石粉作為碾壓混凝土摻合料是可行的。

(3)大摻量地利用輝綠巖人工砂中石粉作為碾壓混凝土摻合料，減少了加工環(huán)節(jié)，利于環(huán)保，大大降低了能耗，同時(shí)緩解了粉煤灰的運(yùn)輸和倉儲(chǔ)壓力，有效保障了工程進(jìn)度。

(4)直接利用人工砂中石粉作為混凝土摻合料，一方面拓寬了混凝土摻合料種類，另一方面創(chuàng)新了石粉加工應(yīng)用的方式，也為在摻合料資源匱乏地區(qū)修建碾壓混凝土大壩開創(chuàng)了原材料使用先例。