凝灰?guī)r粉替代粉煤灰對高原水工混凝土性能影響試驗(yàn)研究

蔣 理，陶 坤

(華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856000)

美國墾務(wù)局在20世紀(jì)30年代對水工混凝土中應(yīng)用天然火山灰等摻合料開展了系統(tǒng)研究，最初的目的主要是在西部大壩混凝土施工中用于替代水泥，控制大體積混凝土溫升，以滿足大體積混凝土的溫控防裂要求[1]。

我國從20世紀(jì)80年代，開始在水工混凝土中大規(guī)模使用粉煤灰，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。隨著我國水電建設(shè)向青藏高原發(fā)展，粉煤灰、礦渣等優(yōu)質(zhì)摻合料資源匱乏，因此尋找容易獲得、儲量豐富、質(zhì)優(yōu)價廉的新型摻合料勢在必行。我國水工混凝土研究應(yīng)用其他材料作為摻合料已有成功先例，80年代漫灣水電站攔河壩曾采用凝灰?guī)r粉作為混凝土摻合料，其后大朝山水電站將磨細(xì)磷礦渣和凝灰?guī)r粉復(fù)合成 PT摻合料，在圍堰和主壩中成功澆筑了75萬m3碾壓混凝土，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

凝灰?guī)r替代粉煤灰作為水工混凝土摻合料雖然已在漫灣、大朝山等水電工程成功運(yùn)用，但在3 400 m以上的高原地區(qū)，尚無成功運(yùn)用的先例。高海拔地區(qū)具有大溫差、高蒸發(fā)、強(qiáng)輻射等氣候特點(diǎn)，對摻合料的技術(shù)性能要求極高[2]。用凝灰?guī)r粉替代粉煤灰，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，以全面驗(yàn)證凝灰?guī)r粉的理化性能，合理確定其摻入混凝土的配合比，并檢驗(yàn)混凝土的力學(xué)性能與熱力學(xué)性能。

DG水電站位于西藏YJ中游，擁有世界在建和已建大壩中海拔最高的碾壓混凝土重力壩，最大壩高117 m，各種混凝土總量約251萬m3。工程附近區(qū)域無火電廠，通過青藏線從青海和寧夏等地調(diào)運(yùn)粉煤灰還需公路二次中轉(zhuǎn)倒運(yùn)，貨源和運(yùn)輸保障的可靠性低，又需配合大量社會公用資源，故粉煤灰不但價格較高，還存在供應(yīng)保障率低的問題，亟需研究采用當(dāng)?shù)負(fù)胶喜牧咸娲勖夯摇８鶕?jù)市場調(diào)研，西藏拉薩市有凝灰?guī)r粉生產(chǎn)廠家，其生產(chǎn)的凝灰?guī)r粉已成功運(yùn)用于城市商品混凝土。因此，針對DG水電站工程特點(diǎn)，研究凝灰?guī)r替代粉煤灰用作水工混凝土摻合料，不僅可節(jié)約建設(shè)成本，還能提高材料供應(yīng)的可靠性。

凝灰?guī)r粉成功運(yùn)用于高原水工混凝土對解決高原地區(qū)水電工程建設(shè)中粉煤灰缺乏，及由于脫硝帶來的粉煤灰品質(zhì)下降問題具有積極的探索意義。研究成果將拓展西藏地區(qū)混凝土礦物摻合料品種，部分或徹底解決西藏地區(qū)筑壩過程中混凝土摻合料供應(yīng)較困難的問題，為DG水電站建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐，提升高海拔地區(qū)碾壓混凝土筑壩技術(shù)。同時也必將進(jìn)一步促進(jìn)青藏高原后續(xù)水電開發(fā)，及基建設(shè)施建設(shè)中大體積混凝土施工技術(shù)的進(jìn)步。

1 原材料

1.1 水泥

水泥為西藏華新堡壘水泥有限公司生產(chǎn)的“華新”P·MH 42.5水泥，水泥的物理性能檢測按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2011)，《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T 17671-1999)，《水泥比表面積測定方法 勃氏法》(GB/T 8074-2008)的規(guī)定進(jìn)行，評定標(biāo)準(zhǔn)為《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》(GB/T200-2017)，其具體檢測指標(biāo)及結(jié)果見表1。

表1 “華新”P·MH42.5水泥的物理性能檢測指標(biāo)

1.2 粉煤灰

煤灰為寧夏錦鑫環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的物理性能按照《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055-2007)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，評定標(biāo)準(zhǔn)為《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055-2007)其具體檢測指標(biāo)及要求見表2。

表2 “錦繡”Ⅱ級粉煤灰的物理性能檢指標(biāo) %

1.3 外加劑

外加劑為山西恒泰偉業(yè)建材有限公司生產(chǎn)的HT-5高效減水劑(緩凝型)、HT-1C高性能減水劑(緩凝型)、HT-11引氣劑。物理性能按照《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5100-2014)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，評定標(biāo)準(zhǔn)為《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5100-2014)，其品質(zhì)要求需與《西藏大古水電站使用火山灰質(zhì)材料替代粉煤灰生產(chǎn)性試驗(yàn)》中間成果報告中開展室內(nèi)試驗(yàn)所使用的減水劑保持相同品質(zhì)，其具體檢測指標(biāo)及要求見表3～表5。

表3 高效減水劑物理性能檢測指標(biāo)

表4 高性能減水劑物理性能檢測指標(biāo)

表5 引氣劑物理性能檢測指標(biāo)

1.4 砂石骨料

砂石骨料為九局主標(biāo)砂石系統(tǒng)所生產(chǎn)砂石骨料，砂石骨料物理性能按照《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5151-2014)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，評定標(biāo)準(zhǔn)為《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》(DL/T5112-2009)、《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2015)，其具體檢測指標(biāo)及要求見表6～表8。

表6 細(xì)骨料(碾壓)的物理性能檢測指標(biāo)

表7 細(xì)骨料(常態(tài))的物理性能檢測結(jié)果

表8 粗骨料的物理性能檢測結(jié)果

1.5 凝灰?guī)r粉

凝灰?guī)r粉為西藏吾羊?qū)崢I(yè)有限公司生產(chǎn)的凝灰?guī)r粉，為滿足工程生產(chǎn)需求及質(zhì)量要求，按照在成都召開《西藏大古水電站使用凝灰?guī)r粉替代粉煤灰生產(chǎn)性試驗(yàn)》中間成果專家評審會意見，灰山灰質(zhì)材料生產(chǎn)廠家在發(fā)貨前必須按照規(guī)范要求對凝灰?guī)r粉進(jìn)行品質(zhì)檢測，品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)滿足專家評審會對凝灰?guī)r粉品質(zhì)要求及《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術(shù)規(guī)范》(DL/T5273-2012)規(guī)范要求后方允許進(jìn)場，凝灰?guī)r粉進(jìn)場后，工地試驗(yàn)室對其品質(zhì)進(jìn)行復(fù)檢，各項(xiàng)檢測指標(biāo)需滿足表9中專家評審會要求及《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術(shù)規(guī)范》(DL/T5273-2012)要求后用于生產(chǎn)，其具體檢測指標(biāo)及要求見表9。

表9 凝灰?guī)r粉的物理性能檢指標(biāo) %

2 混凝土配合比及性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 材料配合比

根據(jù)2012年4月發(fā)布的《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5273-2012)，凝灰?guī)r粉運(yùn)用于高原水工混凝土，需要開展材料理化性能、配合比、力學(xué)性能、熱力學(xué)性能等試驗(yàn)[3]。根據(jù)專家評審意見，在原推薦配合比基礎(chǔ)上適當(dāng)將水膠比降低0.03～0.05，且控制凝灰?guī)r粉最大摻量不超過30%，根據(jù)專家評審會意見，推薦配合比主要參數(shù)及每方材料用量見表10。

表10 工藝性試驗(yàn)推薦配合比及每方材料用量

2.2 材料配合比試驗(yàn)

根據(jù)DG水電站施工實(shí)際，試驗(yàn)配合比在原大壩配合比基礎(chǔ)上使用不同比例的凝灰?guī)r粉代替粉煤灰進(jìn)行對比試驗(yàn)。C9015W6F100三級配碾壓混凝土、C9020W8F200二級配碾壓混凝土分別按(粉煤灰∶凝灰?guī)r粉)100∶0、50∶50、40∶60、30∶70、20∶80、0∶100摻入凝灰?guī)r粉進(jìn)行對比試驗(yàn)；C9020W8F200三級配常態(tài)混凝土、C25W8F200二級配常態(tài)混凝土、C30W8F200二級配泵送混凝土摻合料按20%、25%、30%(粉煤灰∶凝灰?guī)r粉)100∶0、0∶100摻入凝灰?guī)r粉開展對比試驗(yàn)。通過配合比試驗(yàn)，其拌和物性能參數(shù)符合規(guī)范要求(見表11)。

表11 混凝土拌合物性能檢測結(jié)果(部分)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土物理性能檢測

在摻用凝灰?guī)r粉的混凝土試件養(yǎng)護(hù)達(dá)到試驗(yàn)齡期后，按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150-2017)和《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5433-2009)相關(guān)要求進(jìn)行了力學(xué)檢測[4]，部分配合比的物理性能數(shù)據(jù)見表12。不同摻配比例凝灰?guī)r粉混凝土強(qiáng)度對比曲線(C9020W8F200)見圖1。

表12 混凝土物理性能檢測結(jié)果(部分)

圖1 不同摻配比例凝灰?guī)r粉混凝土強(qiáng)度對比曲線圖(C9020W8F200)

根據(jù)上述混凝土的物理性能檢測成果，分析歸納如下：①C9015W6F100三級配碾壓混凝土、C9020W8F200二級配碾壓混凝土均隨著凝灰?guī)r粉摻量比例的增加，抗壓強(qiáng)度略有降低；②混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、靜力抗壓彈性模量檢測結(jié)果看，其力學(xué)性能規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相符合，隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加，其劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低、極限拉伸值逐漸減小、靜力抗壓彈性模量減小；③摻凝灰?guī)r粉碾壓及常態(tài)混凝土抗?jié)B性能均滿足設(shè)計要求，復(fù)摻凝灰?guī)r粉(粉煤灰∶凝灰?guī)r粉=50∶50)抗凍性能優(yōu)于單摻凝灰?guī)r粉(粉煤灰∶凝灰?guī)r粉=0∶100)。

3.2 混凝土絕熱溫升檢測

絕熱溫升是混凝土在絕熱條件下由于膠凝材料水化釋放出的熱量引起的溫升值，混凝土絕熱溫升采用混凝土熱物理參數(shù)測定儀(BY-ATC/B型)測試[5]，混凝土絕熱溫升檢測曲線見圖2。

圖2 混凝土絕熱溫升檢測曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)摻凝灰?guī)r及粉煤灰三級配碾壓混凝土早期水化放熱速率相對較慢，早期水化放熱量也相對較小。C9015三級配碾壓混凝土(60 kg水泥+48 kg粉煤灰+48 kg凝灰?guī)r)28 d絕熱溫升約16.9℃、擬合最高絕熱溫升18.83℃、半熟齡期3.238 d(絕熱溫升達(dá)到擬合最高絕熱溫升一半的齡期)。相較碾壓混凝土，全摻凝灰?guī)r三級配常態(tài)混凝土早期水化放熱速率相對較快，7 d以后絕熱溫升曲線即逐漸趨于穩(wěn)定，之后測得的溫升值變化幅度相對較小。

3.3 不同配合比混凝土強(qiáng)度檢測

從圖3可以看出，各混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增長，在28 d齡期時除單摻凝灰?guī)r粉碾壓混凝土外，其余混凝土抗壓強(qiáng)度基本能達(dá)到設(shè)計要求；在混凝土強(qiáng)度增長過程中，從7 d齡期到90 d齡期抗壓強(qiáng)度增長較為明顯，從90 d齡期到180 d齡期抗壓強(qiáng)度增長速度明顯下降；復(fù)摻凝灰?guī)r粉的混凝土在各齡期抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增長率均高于單摻凝灰?guī)r粉混凝土，尤其在90 d齡期以后，單摻凝灰?guī)r粉的混凝土抗壓強(qiáng)度增長率明顯低于復(fù)摻凝灰?guī)r粉的混凝土。

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度曲線圖

4 結(jié) 語

4.1 技術(shù)指標(biāo)

通過上述試驗(yàn)與檢測，結(jié)合DG水電站現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)成果，對凝灰?guī)r粉替代粉煤灰有以下研究成果。

凝灰?guī)r粉需水量比較大，對減水劑的品質(zhì)要求較高。隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加，碾壓混凝土在全摻凝灰?guī)r粉時，需將減水劑摻量提高至0.9%，其他比例摻入凝灰?guī)r粉時減水劑摻量為0.8%。

從混凝土拌合物性能看，使用凝灰?guī)r粉作為摻和料的混凝土與使用粉煤灰作為摻合料的混凝土在拌合物性能(和易性、粘聚性)上無明顯差異。

隨著凝灰?guī)r粉摻量比例的增加，抗壓強(qiáng)度略有降低，其劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低、極限拉伸值逐漸減小、靜力抗壓彈性模量減小。

從抗凍性能整體檢測結(jié)果看，凝灰?guī)r粉相較粉煤灰對混凝土抗凍性能影響大，隨著其摻量增加，抗凍性能逐漸減弱。

采用施工配合比配制的混凝土含氣量，普遍大于設(shè)計要求的含氣量上限，適當(dāng)降低引氣劑摻量，可以配制出坍落度、含氣量、抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求的混凝土。

凝灰?guī)r混凝土具有彈性模量較小、極限拉伸較小、干縮較大等特點(diǎn)，具有“先收縮、后膨脹”的趨勢。

結(jié)論：通過上述試驗(yàn)與檢測，凝灰?guī)r粉可在高原水工混凝土中部分或全部替代粉煤灰，且在技術(shù)上可行。

4.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

目前，凝灰?guī)r粉已在DG水電站大壩混凝土施工中使用3 305 t，拌制混凝土4.4萬m3，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范要求。通過對比DG水電站粉煤灰和凝灰?guī)r到貨價，粉煤灰到貨價888元/t，凝灰?guī)r粉到貨價518元/t，使用凝灰?guī)r平均每噸可以直接節(jié)約投資370元。其次，粉煤灰供應(yīng)點(diǎn)位于寧夏，運(yùn)輸距離約為2 600 km，凝灰?guī)r供貨點(diǎn)位于拉薩，運(yùn)輸距離約為240 km，使用粉煤灰可以大大降低因運(yùn)輸造成的斷供風(fēng)險，同時也可降低因長途運(yùn)輸帶來的管理風(fēng)險。