石粉代替粉煤灰作为掺合料在水工碾压混凝土中的应用研究

刘　豫

摘 要：石粉作为一种掺合料在水工碾压混凝土中大量添加，在国内工程中尚不多见。通过试验结果，石粉代替粉煤灰作为掺合料，其掺加量可达胶凝材料总量的30%。经过各项指标分析表明，石粉代替粉煤灰作为掺合料在水工碾压混凝土中方案可行、经济价值高，对简化碾压混凝土施工温控措施，增强碾压混凝土的可碾性，起到很好的作用。

试验结果表明，由于石粉基本属惰性材料，采用掺石粉代替粉煤灰，它的微集料效应和自身的密度对早期强度的影响接近粉煤灰，但对砼后期强度发展无显著贡献。当水灰比0.6、粉煤灰和石粉掺量分别30%时，极限拉伸和绝热温升值可同时满足设计要求。

关键词：石粉；粉煤灰；掺合料；水工碾压混凝土

1 引言

在水工混凝土应用的材料中，目前主要使用的掺合料有活性和非活性掺合料两种。其中活性掺和料以及石英岩、石灰石、砂岩、黏土以及不符合技术要求的粒化高炉矿渣和火山灰质材料已有成熟的应用经验，而石粉作为一种掺合料在水工碾压混凝土中大量添加，在国内工程中尚不多见。我们通过试验结果，石粉代替粉煤灰作为掺合料，其掺加量可达胶凝材料总量的30%。经过各项指标分析表明，石粉代替粉煤灰作为掺合料在水工碾压混凝土中方案可行、经济价值高，对简化碾压混凝土施工温控措施，增强碾压混凝土的可碾性，起到很好的作用。

非活性掺合料作为水工混凝土的填充料，可增加混凝土中0.08mm以下的细颗粒的含量，以改善混凝土的和易性和可碾性，对其品质要求，主要是材料的细度以及不得含有对水泥和混凝土有害的成分。在《水工碾压混凝土施工规范》(DL.T5112-2000)中，5.4.9条规定，“人工砂的石粉(d≤0.16mm的颗粒)含量宜控制在10%～22%，最佳石粉含量应通过试验确定。”而对石粉作为掺合料未作规定。

笔者现在非洲加纳共和国的布维水电站从事施工技术工作，该工程为一个EPC项目，由于非洲经济欠发达，其工业很落后，且存在自然资源和原材料严重短缺的问题。中国水电建设集团承建的布维水电站总装机容量400MW，由最大坝高108m的RCC碾压混凝土大坝，引水发电系统，两座堆石副坝等水工建筑物组成。其中碾压混凝土92万方，常态混凝土28万方。在坝址附近选定砂岩作为骨料。

工程开工前，经过大量的市场调查，初步选定其国家生产硅酸盐GHACEM42.5Mpa水泥、山东日照粉煤灰、石家庄育才厂缓凝高效减水剂、水电八局生产的引气剂为主进行常态和碾压砼配合比设计试验。由于所用的水泥熟料从他国进口，煤灰需从中国进口，胶凝材料到工地的价格均比较高，故在召开几次专家会议后，专家们提出了用石粉代粉煤灰的方案。

水泥检验结果表明，GHACEM42.5Mpa水泥属低碱水泥，其早期强度发展快、水化热高、温升快。碱含量约为0.4%，7d水化热值294J/g，最高温升17.3℃，历时13.6h。

试验用粉煤灰为山东日照粉煤灰厂粉煤灰，粉煤灰的品质检验达到中国Ⅰ级灰标准通。

根据设计要求进行，碾压混凝土技术要求见表1。

下面以布维水电站工程试验成果为例阐述石粉代灰的可行性。

2 石粉代替部分粉煤灰的可行性试验

2.1 石粉的品质检测试验

首先，试验重点安排开展了石粉品质试验检测，以研究应用石粉的实施技术方案。

石粉由与骨料同一来源的砂岩料场取料后采用收尘器从砂石加工系统通过风选获得，石粉粒径控制在0.08mm以内，试验同时也对棒磨机制砂时收集的石粉进行了化学成分分析和物理试验。石粉各项检测结果见表2、表3。

2.2 掺石粉对混凝土强度的影响

通过以石粉和粉煤灰掺量30%对胶砂强度的影响对比试验，得出7天胶砂强度比掺粉煤灰时为73.9%，掺石粉时为72%左右。

另一方面，根据得出的抗压强度结果整理分析：当水灰比为0.65、粉煤灰和石粉各掺30%时，碾压混凝土7d强度龄期发展系数为0.59，90d强度龄期发展系数为1.44，不掺石粉时90d强度龄期发展系数为1.63；当水灰比为0.6、粉煤灰和石粉各掺30%时，碾压混凝土7d强度龄期发展系数为0.7，90d强度龄期发展系数为1.43，不掺石粉时90d强度龄期发展系数为1.57。结果表明，采用石粉代替部分粉煤灰的砼后期强度增长相对较少，全掺石粉砼90天强度发展甚微，这充分表明，石粉为惰性混合材，对砼后期强度贡献很小，但充分磨细的石粉，由于它的微集料填充效应，对砼的早期强度影响接近粉煤灰，因此，施工中对掺石粉的砼，应主要以28天强度进行控制。

2.3 石粉对骨料碱活性及抑制试验的结果

在欧洲、北美等地，水工混凝土建筑物由于碱骨料反应而破坏的实例较多，近年来大中型工程设计和施工中越来越重视这个问题。

在砂石骨料品质检验中，水电八局科研设计院按《砂、石碱活性快速试验方法》(CECS48：93)进行了碱活性判定检验，结果表明骨料料场存在碱活性。为研究掺合料对碱骨料反应的抑制作用，又进行了大量的试验。

表4中序号1为不掺混合材的试验结果，其14天试件伸长率分别达0.382和0.308，远大于0.1的判定标准，表明料场骨料确存在碱活性。

同时通过表4试验结果表明，凡掺有粉煤灰的试验组其14天或21d试件伸长率均小于0.1%，达到碱活性抑制作用，而单掺石粉在30%以内没有表现出抑制作用，单掺石粉50%时，一组结果显示没有抑制作用，一组结果显示有抑制作用，结果不一致，但从变化趋势来看，单掺石粉14天试件伸长率随石粉掺量的增加而减小。

2.4 掺加石粉对碾压混凝土力学及变形性能

根据工程要求，碾压砼试验考虑到不同混合材掺量及石粉不同代灰比例的情况，试验配合比列于表5。

由于碾压砼大量掺用石粉可参考的资料不多，为尽早掌握石粉代灰的碾压砼性能，试验主要依据7天强度初步选择试验配合比，进行碾压砼性能试验，28天强度结果得出后，又进行了配合比适当调整。

碾压砼性能试验中，减水剂掺量为0.8%，引气剂按砼含气量3～5%控制掺量，碾压砼力学及变形性能试验成果见表6、表7。

由已获得的试验结果来看，不同混合材掺量及不同石粉代灰量的砼强度及极限拉伸值均可满足设计要求，90天极限拉伸值达0.71×10-4，没有富裕量。同时从试验结果分析，粉煤灰和石粉掺量各占掺合量的50%时混凝土性能较佳，增加石粉掺量不利于砼性能发展。

2.5掺加石粉对碾压混凝土绝热温升的影响

针对甘再工程条件及所选原材料的特点，水电八局科研设计院对碾压混凝土热学性能进行了试验，根据设计要求和早期得出的砼有关性能结果初选试验配合比进行试验。

按表8配合比进行的混凝土绝热温升试验结果列于表9。

从试验结果来看，水胶比0.6、煤灰与石粉掺量分别为30%的砼28天绝热温升仅13.8℃，满足设计要求的16℃以下，同时，该配合比砼的其它力学及变形性能也都满足设计要求。

3 石粉代替粉煤灰的经济比较

根据在《水工碾压混凝土施工规范》(DL.T5112-2000)中，6.0.4条规定，“大体积永久建筑物碾压混凝土的胶凝材料不宜低于130Kg/m3。”但从表5～表9中的成果分析，掺加石粉后，水泥和煤灰的总量可控制在107Kg/m3左右，水泥、煤灰和石粉的总量在153Kg/m3左右，可见水泥和总胶材的用量也控制在国内类似工程的水平，对比国内已建或在建碾压混凝土工程来看，水泥和煤灰的总用量大大降低。

根据我们的经济分析，如果从中国运输粉煤灰至工地，每吨粉煤灰价格约180美元左右，而每吨石粉生产成本折合人民币约175元左右，相对于使用煤灰的成本折合人民币至少降低约1058元左右(按人民币兑美元汇率6.85：1计算)。

通过粗略估算，在国内的大中型碾压混凝土工程中如使用石粉代煤灰，其经济效益也是相当可观的。

4 石粉的生产和添加工艺

石粉生产车间可建在砂石生产系统内，利用多余生产的砂采用收尘器收集后通过风选获得，小于0.08mm的颗粒含量大于80%，小时生产率约10～12t。生产后采用散装水泥运输车送入拌和楼内的储罐，再经螺旋输送机输送进入拌和楼。但在运输和储存过程中，应当注意防潮，并采取措施以防止石粉板结。

5结语

根据综合经济分析和试验结果，采用石粉代灰有以下特点：

(1)由于石粉基本属惰性材料，采用掺石粉代替粉煤灰，对砼后期强度发展无显著贡献，但由于它的微集料效应和自身的密度对早期强度的影响接近粉煤灰。

(2)当水灰比0.6、粉煤灰和石粉掺量分别占胶材总量的30%时，极限拉伸和绝热温升值可同时满足设计要求，但极限拉伸值富裕量小。

(3)可以大量降低水泥、煤灰的用量，对混凝土温控有利，特别是高温条件下的施工，从而可简化温控措施，在温控方面满足设计要求的前提下，也可节约成本。

(4)当石粉掺量达到一定值时，对抑制碱-骨料反应有明显的效果。

(5)增加混凝土中0.08mm以下颗粒含量，从而可增强混凝土和易性和可碾性。

(6)生产和添加工艺简单。

综上所述，在水工碾压混凝土中用石粉代灰的方案可行，经济价值高，在大中型水电工程中可进行进一步的试验并推广。