藏木水电站大坝掺石灰石粉混凝土性能研究

李光伟，邓长军

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610071)

藏木水电站位于西藏山南地区加查县境内，为雅鲁藏布江中游沃卡河下游峡谷段最后一级电站.电站装机容量510 MW，年发电量25.089亿kW·h，以发电为主，兼有下游防洪和灌溉等综合功能.水电站挡水建筑物为坝高116 m的混凝土重力坝，混凝土总量约300万m3，需掺合料约20万t.由于当地没有水工混凝土所需的粉煤灰或矿渣掺和料，大坝混凝土的掺和料需从内地长距离运输.这样不仅增加了工程造价，而且会受客观条件的影响得不到有效保障，进而影响工程建设进度，因此大坝混凝土掺合料的选择是藏木水电站大坝混凝土设计的关键.

石灰石粉主要指由石灰岩经机械加工后的颗粒小于0.16 mm的微细粒.大量的试验研究成果［1－4］表明:石灰石粉不完全是一种惰性材料，它具有一定的反应活性，能缓慢地与水泥水化产物发生反应，生成具有一定强度的水化产物，充填混凝土孔隙，改善混凝土的孔隙结构，从而提高混凝土的性能.近年来，随着对石灰石粉认识的不断深入，将石灰石粉作为混凝土掺和料亦开始被水电工程所接受，并开展了大量的应用研究［5－8］，但研究主要围绕在碾压混凝土中掺石灰石粉展开，而对在常态混凝土中掺用石灰石粉则涉及较少.本文结合西藏地区石灰石储量丰富的实际，开展石灰石粉作为单一掺合料用于大坝常态混凝土的试验研究，并与掺Ⅱ级粉煤灰混凝土进行比较，对石灰石粉用于藏木水电站大坝混凝土的可行性进行探讨.

1 混凝土原材料

试验采用的主要胶凝材料为P.MH42.5水泥和Ⅱ级粉煤灰，以及工程当地石灰岩加工而成的石灰石粉，主要化学成分见表1.其中水泥的28 d抗压强度为52.0 MPa，抗折强度为8.6 MPa.粉煤灰的细度为15%，需水量比为98%.石灰石粉的比表面积为300 m2/kg，需水量比为97%.试验采用花岗岩人工骨料，骨料的密度为2.66 kg/m3，人工砂的细度模数为2.92，石灰石粉含量为11.5%.

图1为石灰石粉和粉煤灰的颗粒形貌，可见，石灰石粉颗粒为不规则体，表面粗糙，颗粒表面有细微颗粒吸附现象;粉煤灰中含有大量的球形颗粒，表面致密、光滑;从粒径看，石灰石粉和粉煤灰的颗粒粒径分布在同一个量级内.

表1 水泥、粉煤灰和石灰石粉化学成分Tab.1 Chemical compositions of cement，fly ash and limestone powder

图1 石灰石粉和粉煤灰的颗粒形貌Fig.1 Particle morphology of limestone powder and fly ash

2 试验结果及分析

结合藏木水电站的实际需求，进行单掺石灰石粉和Ⅱ级粉煤灰混凝土性能对比试验，石灰石粉和Ⅱ级粉煤灰均等量替代30%的水泥，试验所采用的混凝土为四级配.混凝土中加掺一定量的缓凝高效减水剂和引气剂，混凝土的坍落度控制在30～50 mm，含气量控制在3% ～5%，混凝土配合比见表2.由于石灰石粉没有类似于粉煤灰的火山灰活性，因此配制满足设计耐久性要求相同强度等级的混凝土时，其水泥用量有所增加，混凝土强度等级越高增加的水泥用量越多.

表2 大坝混凝土配合比Tab.2 Dam concrete mixture ratio

2.1 对大坝混凝土和易性的影响

在混凝土用水量相同的条件下，采用石灰石粉混凝土的和易性要优于采用Ⅱ级粉煤灰，其原因在于石灰石粉具有良好的填充效应.超细石灰石粉填充在水泥颗粒之间，具有良好的分散作用，对水泥的“絮凝结构”有着解絮作用［9］.由于超细石灰石粉的需水量较Ⅱ级粉煤灰低，因而在混凝土用水量一致的条件下，可以提高混凝土的坍落度，改善混凝土的工作性能.

2.2 对大坝混凝土力学性能的影响

采用石灰石粉作为掺和料对大坝混凝土强度性能的影响见图2.由试验结果可见:与采用Ⅱ级粉煤灰相比，采用石灰石粉混凝土的早期抗压强度要高.其中7 d抗压强度高15.8%，28 d抗压强度高9.2%，28 d抗拉强度高36.1%.其原因在于石灰石粉具有一定的加速效应，超细石灰石粉颗粒作为一个个成核场所，致使溶解状态中的C－S－H遇到固相粒子并接着沉淀其上的概率有所增大，石灰石粉在水泥浆中充当了水化硅酸钙(C－S－H)的成核基体，降低了成核位垒，加速了水泥的水化［10］.

图2 掺石灰石粉对大坝混凝土强度性能的影响Fig.2 Influence of limestone powder on strength properties of dam concrete

采用石灰石粉作为掺和料对大坝混凝土变形性能的影响见图3.可见:与采用Ⅱ级粉煤灰相比，采用石灰石粉混凝土弹性模量和极限拉伸均有所提高，其中28和90 d的弹性模量分别提高了18.6%和7.9%.28和90 d的极限拉伸分别提高了14.6%和2.8%.

图3 掺石灰石粉对大坝混凝土变形性能的影响Fig.3 Influence of limestone powder on deformation properties of dam concrete

2.3 对大坝混凝土绝热温升的影响

采用石灰石粉作为掺和料对大坝混凝土绝热温升的影响见图4.可见:与采用Ⅱ级粉煤灰相比，采用石灰石粉混凝土7 d龄期前的绝热温升要略高0.1～0.3℃，其原因在于掺石灰石粉混凝土的水泥用量较高，且石灰石粉具有一定的加速水泥水化的效应.10 d龄期后，其绝热温升比掺粉煤灰混凝土有所降低，到28 d龄期时低0.3～0.4℃，这是由于粉煤灰后期参与水化的缘故.

图4 掺石灰石粉对大坝混凝土绝热温升的影响Fig.4 Influence of limestone powder on dam adiabatic temperature rise

2.4 对大坝混凝土体积稳定性的影响

采用石灰石粉作为掺和料对大坝混凝土体积稳定性的影响见图5.可见:采用石灰石粉混凝土的干缩变形以及自生体积收缩变形均要大于采用粉煤灰混凝土.这是由于石灰石粉在加速水化硅酸钙和水化铝酸钙形成的同时，其自身与氢氧化钙和水化铝酸钙发生反应生成水化碳铝酸钙晶体，从而造成混凝土的收缩变形增大.

图5 掺石灰石粉对大坝混凝土体积稳定性的影响Fig.5 Influence of limestone powder on stability of dam concrete volume

2.5 对大坝混凝土耐久性能的影响

采用石灰石粉作为掺和料对大坝混凝土耐久性能的影响见表3.可见:采用石灰石粉混凝土的抗冻等级可以满足设计的要求(F100～F150).相同强度等级下，采用石灰石粉混凝土的渗透系数较采用粉煤灰混凝土的小，表明采用石灰石粉混凝土的抗渗透能力较强.这是由于石灰石粉可以提高集料的有效堆积，在水泥水化过程中阻止毛细孔道的形成，从而提高混凝土的抗渗性能.

表3 石灰石粉对大坝混凝土耐久性能的影响Tab.3 Influence of limestone powder on dam concrete durability

3 结语

随着我国基础设施建设规模的扩大和水电开发向西部欠发达地区的转移，使得粉煤灰资源的紧俏和地域性匮乏已影响到水工大坝混凝土的建设，寻找一种容易获取，优质廉价的新型混凝土掺和料势在必行.与水工混凝土常用的Ⅱ级粉煤灰相比，采用石灰石粉可以改善大坝混凝土的和易性，提高大坝混凝土的抗渗能力和早期的力学性能，减少大坝混凝土后期的绝热温升，但同时也存在着对大坝混凝土体积稳定性不利的弊端.

结合西藏藏木水电站实际工程，开展了采用石灰石粉作为大坝掺和料的试验研究.结果表明:在藏木水电站采用石灰石粉作为掺和料可以配制满足设计要求的大坝混凝土，将石灰石粉作为掺和料用于藏木水电站大坝混凝土在技术上是可行的.

［1］刘数华.石灰石粉对复合胶凝材料水化特性的影响［J］.建筑材料学报，2010(2):218-221.(LIU Shu-hua.Influence of limestone powder on the hydration characteristic of complex binder［J］.Journal of Building Materials，2010(2):218-221.(in Chinese))

［2］李步新，陈峰.石灰石硅酸盐水泥力学性能研究［J］.建筑材料学报，1998(2):186-191.(LI Bu-xin，CHEN Feng.Study on the mechanical property of portland limestone cement［J］.Journal of Building Materials，1998(2):186-191.(in Chinese))

［3］李悦，丁庆军，胡曙光.石灰石矿粉在水泥混凝土中的应用［J］.武汉理工大学学报，2007(3):35-41.(LI Yue，DING Qing-jun，HU Shu-guang.Utilization of limestone as mineral admixture in cement and concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2007(3):35-41.(in Chinese))

［4］熊远柱，万慧文.石灰石粉对混凝土性能的影响［J］.混凝土，2010(9):89-91.(XIONG Yuan-zhu，WAN Hui-wen.Study on performance of concrete mixed with limestone powder［J］.Concrete，2010(9):89-91.(in Chinese))

［5］饶美娟，刘数华，方坤河.石灰石粉在水工混凝土中的应用研究综述［J］.人民长江，2009(5):41-43.(RAO Mei-juan，LIU Shu-hua，FANG Kun-he.Review of applied research on limestone powder in hydraulic concrete［J］.Yangtze River，2009(5):41-43.(in Chinese))

［6］陈改新，孔祥芝.石灰石粉——一种新的碾压混凝土掺和料［J］.中国水利，2007(21):16-18.(CHEN Gai-xin，KONG Xiang-zhi.Limestone powder:a new type of RCC admixture［J］.China Water Resources，2007(21):16-18.(in Chinese))

［7］刘数华，阎培渝.石粉作为碾压混凝土掺合料的利用和研究综述［J］.水力发电，2007(1):69-71.(LIU Shu-hua，YAN Pei-yu.Summarization of utilization and researches on stone powder used as mineral admixtures in roller compacted concrete［J］.Water Power，2007(1):69-71.(in Chinese))

［8］肖开涛，董芸.石粉替代部分粉煤灰对碾压混凝土性能的影响研究［J］.水力发电，2007(12):85-88.(XIAO Kai-tao，DONG Yun.Study on influence of limestone powder partially replacing fly ash on RCC performance［J］.Water Power，2007(12):85-88.(in Chinese))

［9］宋少民，刘娟红，徐国强.石灰石粉在混凝土中应用的综述与研究［J］.混凝土世界，2009(12):38-43.(SONG Shaomin，LIU juan-hong，XU Guo-qiang.Summarize and research on application of limestone powder in concrete［J］.China Concrete，2009(12):38-43.(in Chinese))

［10］杨华山，方坤河，涂胜金，等.石灰石粉在水泥基材料中的作用及其机理［J］.混凝土，2006(6):32-35.(YANG Huashan，FANG Kun-he，TU Sheng-jin，et al.The effect and its mechanism of calcium carbonate on the cement based materials［J］.Concrete，2006(6):32-35.(in Chinese))