孫凱

（綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧綏中 125200）

0 引言

美國最早于20 世紀30 年代就全面研究了天然火山灰等摻和料在水工混凝土中的應用，主要解決大壩混凝土溫升問題，以達到替代水泥和溫控防裂的作用[1]。我國于20 世紀80 年代逐漸開始將粉煤灰大規(guī)模地應用于水工混凝土中，工程使用技術(shù)經(jīng)濟效果良好。目前，隨著水電工程向北方寒區(qū)不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)礦渣、粉煤灰等摻和料匱乏問題日趨突出，尋找價廉質(zhì)優(yōu)、儲量豐富、易于獲取的新型摻和料必將成為今后的發(fā)展方向。我國將其他不同摻和料應用于水工混凝土的先例有許多，如采用凝灰?guī)r粉摻和料的漫灣水電站攔河壩、利用凝灰?guī)r粉與磨細磷礦渣TP 復合摻和料的大朝山水電站。雖然漫灣、大朝山等工程成功地應用了凝灰?guī)r粉，但在北方寒區(qū)的應用實例較少[2]。北方寒區(qū)具有蒸發(fā)強、溫差大、氣溫低等特點，對摻和料性能要求較高，用凝灰?guī)r粉替代粉煤灰還需要做充分論證，深入揭示凝灰?guī)r粉的作用機理，并進一步檢驗水工混凝土的熱力學及力學性能以確定最佳的摻量[3-5]。

1 工程概況

GYG 水庫位于太子河干流上，控制流域面積2 795 km2，總庫容21.68 億m3，與下游水電站形成梯級開發(fā)，主要任務(wù)是以工業(yè)、城市供水和防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等。項目周邊無火電廠，工程建設(shè)所需粉煤灰需要從外地中轉(zhuǎn)二次倒運，運輸和貨源的可靠保障度較低，需要投入大量公用資源、人力和物力，成本價格較高，亟需利用其他摻和料替代粉煤灰。經(jīng)市場調(diào)研，工程附近有廠家生產(chǎn)的凝灰?guī)r粉已被應用于城市商品混凝土?？紤]到GYG 水庫特點，水工混凝土摻和料選用凝灰?guī)r粉替代粉煤灰，既可以保證材料的持續(xù)供應，還能夠降低工程成本。因此，研究凝灰?guī)r粉替代粉煤灰用于水工混凝土，對解決因脫銷引起的粉煤灰質(zhì)量下降及北方寒區(qū)水電工程建設(shè)粉煤灰缺乏等問題具有重要現(xiàn)實意義[6-8]。研究成果將在很大程度上解決北方地區(qū)筑壩混凝土摻和料匱乏的問題，拓寬摻和料的使用類型，為推動碾壓混凝土筑壩技術(shù)發(fā)展，促進大體積混凝土施工技術(shù)進步，以及北方地區(qū)后續(xù)水電開發(fā)提供強有力的技術(shù)支撐。

2 試驗方案

2.1 原材料性能

1）水泥

試驗所用膠凝材料為中國葛洲壩集團生產(chǎn)的P·MH 水泥，以GB 200-2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥》為評定標準，依據(jù)勃氏法、ISO 膠砂強度檢驗法和相關(guān)規(guī)范推薦的方法檢測水泥的物理性能，結(jié)果見表1。

表1 P·MH42.5 水泥的性能指標

2）粉煤灰

試驗所用礦物摻和料為綏中電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級粉煤灰，以DL/T 5055-2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》為評定標準，依據(jù)規(guī)范中推薦的方法檢測粉煤灰的物理性能，結(jié)果見表2。

表2 F 類Ⅱ級粉煤灰的指標

3）凝灰?guī)r粉

試驗選用沈陽德美金鼎科技建材有限公司生產(chǎn)的凝灰?guī)r粉，為保證工程質(zhì)量及生產(chǎn)需求，在發(fā)貨前，生產(chǎn)廠家必須按要求嚴格檢測凝灰?guī)r粉品質(zhì)，經(jīng)檢測符合天然火山灰質(zhì)材料及專家評審會對凝灰?guī)r粉品質(zhì)要求的情況下方可進場，進場后由試驗室現(xiàn)場復檢其品質(zhì)，凝灰?guī)r粉各項指標符合技術(shù)要求后方可用于生產(chǎn)[9-11]，結(jié)果見表3。

表3 凝灰?guī)r粉的性能指標

4）砂石骨料

試驗所用骨料為砂石系統(tǒng)破碎而成的機制砂和花崗巖碎石，以SL 677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》和DL/T 5112-2021《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》為評定標準，依據(jù)DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》中推薦的方法測試砂石骨料的物理性能，結(jié)果見表4，5。

表4 細骨料的性能指標

表5 粗骨料的性能指標

5）外加劑

試驗所用外加劑為蘇博特SBTJM?-Ⅵ高效減水劑、PCA?-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑和GYQ?-Ⅲ高效引氣劑，以DL/T 5100-2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》為評定標準，以規(guī)程推薦的方法測試外加劑的物力性能，其品質(zhì)要求與試驗所使用的減水劑相同，檢測結(jié)果見表6。

表6 外加劑性能指標

2.2 配合比設(shè)計

依據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求，將凝灰?guī)r粉用于寒區(qū)水工混凝土時，必須開展熱力學、力學及理化性能、配合比等試驗。結(jié)合原推薦配合比和專家評審意見，合理確定原材料用量及配合比，控制凝灰?guī)r粉摻量不大于30.00%，適當減小水膠比0.03～0.06，結(jié)果見表7，8。

表7 配合比設(shè)計

表8 每方原材料用量 kg

2.3 配合比試驗

根據(jù)GYG 水庫實際情況，在原大壩配合比情況下合理調(diào)整凝灰?guī)r粉摻量，摻和料粉煤灰：凝灰?guī)r粉按0∶100，20∶80，30∶70，40∶60，50∶50，100∶0 不同比例配制三級配C9015W6F100 碾壓混凝土和二級配C9020W8F200 碾壓混凝土，摻和料粉煤灰∶凝灰?guī)r粉按0∶100，50∶50 兩種摻配比例，兩者的總摻量按20.0%，25.0%，30.0%配制二級配泵送、二級和三級配常態(tài)混凝土。通過對比，探討凝灰?guī)r粉替代粉煤灰的最佳摻量及可行性，經(jīng)檢測，新拌混凝土性能均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，部分檢測數(shù)據(jù)見表9。

表9 新拌混凝土性能

3 結(jié)果與分析

3.1 物理性能指標

標準養(yǎng)護水工混凝土試樣至設(shè)計齡期，依據(jù)SL/T 352-2020《水工混凝土試驗規(guī)程》推薦的方法檢測力學性能，不同摻配比例的強度檢測值見圖1，本文僅列出部分檢測數(shù)據(jù)見表10。

表10 部分水工混凝土性能指標

圖1 不同粉煤灰：凝灰?guī)r粉摻配比例的試件強度（C9020W8F200）

結(jié)果表明，隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加，二級配C9020W8F200 和三級配C9015W6F100 碾壓混凝土抗壓強度均逐漸下降；從凈力抗壓彈性模量、極限拉伸值、劈裂抗拉強度檢測值可以看出，其抗壓強度與力學性能變化規(guī)律相同，均隨凝灰?guī)r粉摻量的增大而降低；摻凝灰?guī)r粉常態(tài)及碾壓混凝土抗?jié)B性能夠達到設(shè)計要求，粉煤灰與凝灰?guī)r粉復摻（50∶50）優(yōu)于凝灰?guī)r粉單摻（0∶100）的混凝土抗?jié)B性能。

3.2 水工混凝土強度

不同齡期各組試樣抗壓強度如圖2。結(jié)果顯示，隨著齡期的延長水工混凝土抗壓強度逐漸增大，除單摻凝灰?guī)r粉碾壓混凝土28 d 抗壓強度未達到設(shè)計要求外，其他各組均符合設(shè)計要求。從抗壓強度增幅變化上，從7 d 到90 d 齡期的增幅最大，90 d 到180 d 齡期的增幅放緩；各齡期內(nèi)粉煤灰與凝灰?guī)r粉復摻混凝土較單摻凝灰?guī)r粉混凝土，其抗壓強度及增長率都比較高，特別是齡期達到90 d 之后，復摻粉煤灰與凝灰?guī)r粉的抗壓強度增長率明顯高于單摻凝灰?guī)r混凝土。

圖2 不同齡期的試件強度（C9020W8F200）

3.3 絕熱溫升檢測

試驗利用型號DR-2A 試驗儀測定各組試樣的絕熱溫升，即水泥水化引起的絕熱溫升值，結(jié)果見圖3。

圖3 混凝土絕熱溫升變化曲線（C9020W8F200）

結(jié)果表明，早期復摻粉煤灰與凝灰?guī)r粉的三級配碾壓混凝土水化放熱量相對較小，水化速度較慢。三級配C9020 碾壓混凝土的半熟齡期為3 d，擬合最高絕熱溫升15.82 ℃，28 d絕熱溫升29.12 ℃。三級配單摻凝灰?guī)r粉常態(tài)混凝土相較于碾壓混凝土，其早期水化速度較快，7 d 后絕熱溫升開始平穩(wěn)，溫升值變幅逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文依據(jù)GYG 水庫現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗和檢測結(jié)果，歸納總結(jié)主要研究成果如下。

1）由于具有較大的需水量比，使用凝灰?guī)r粉時對減水劑品質(zhì)有較高要求；對于單摻凝灰?guī)r碾壓混凝土，隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加應適當提高減水劑摻量，且摻量不低于0.80%；結(jié)合新拌混凝土性能，使用粉煤灰和凝灰?guī)r粉的拌合物，在粘聚性、和易性上性能無明顯差異。

2）水工混凝土抗壓強度隨凝灰?guī)r摻量的增加有所下降，靜力抗壓彈性模量、極限拉伸值及劈裂抗拉強度逐漸減小。另外，凝灰?guī)r粉對混凝土抗凍性的影響程度高于粉煤灰，隨著凝灰?guī)r粉摻量的提高，混凝土抗凍性不斷減弱。

3）按照施工配合比拌制的混凝土含氣量普遍高于設(shè)計要求的上限值，通過減少引氣劑摻量可以配制出符合抗壓強度、含氣量、坍落度等設(shè)計要求的混凝土。凝灰?guī)r混凝土呈現(xiàn)出“先收縮、后膨脹”的特點，具有干縮大、極限拉伸值和彈性模量較小等性能。總體而言，將凝灰?guī)r粉全部或部分替代粉煤灰用于寒區(qū)水工混凝土中具有技術(shù)可行性，經(jīng)市場調(diào)研和價格對比發(fā)現(xiàn)，每使用1 t 凝灰?guī)r粉就能夠節(jié)約成本350 元，具有經(jīng)濟合理性。