大理岩石粉特性及其在碾压混凝土中的应用

詹候全，李光伟

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

目前我国已建成碾压混凝土坝共66座，在建的35座，近期拟建的24座。我国已建和在建碾压混凝土筑坝材料的主要特点是低水泥用量，高掺粉煤灰，粉煤灰掺量一般为50% ～70%。在碾压混凝土硬化以前，粉煤灰主要发挥“填充效应”，保证碾压混凝土的和易性和可碾性;在硬化以后，粉煤灰还能发挥"火山灰效应"，使碾压混凝土获得较高的后期强度增长。然而，由于近年来我国的水电、交通以及工民建等行业的迅速发展，基础建设的规模不断扩大，使得粉煤灰出现了供不应求的局面。另外目前我国的水电工程大多地处西南、西北、新疆和西藏的偏僻地区，粉煤灰的长距离运输将大大提高混凝土的单位成本，因此寻找能适用于碾压混凝土筑坝施工工艺，来源丰富、经济易得的新型掺和料势在必行。

水工混凝土人工砂石粉是指加工前经除土处理、加工后形成粒径小于0.16mm的颗粒，其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同。人工砂石粉与天然砂中的泥的成分不同、粒径分布不同，在混凝土中所起的作用亦不同。适量的石粉对混凝土是有益的，它可以弥补人工砂配制混凝土和易性差的缺陷;它的掺入对完善混凝土特细骨料的级配、提高混凝土密实性都有益处，进而起到提高混凝土综合性能的作用。大理岩由碳酸盐岩经区域变质作用或接触变质作用形成，主要由方解石和白云石组成。大理岩石粉除了具有硅酸盐类岩石粉的微集料作用及颗粒的形貌作用外，还具有一定的晶核作用和活性作用。现结合官地水电站的实际，开展大理岩石粉部分替代粉煤灰作为碾压混凝土掺和料的试验研究。

2 大理岩石粉的基本特性

2.1 大理岩石粉的化学成分和矿物组成

大理岩石粉的化学成分见表1，其CaO含量和烧失量之和占总质量的90%以上。X射线衍射分析结果表明:大理岩为典型的碳酸盐类岩石，主要矿物成分为方解石。

表1 大理岩石粉的化学成分 %

2.2 大理岩石粉的物理性能及粒度分析

大理岩石粉的密度为2.57g/cm3，需水量比为97.7%。大理岩石粉的粒度分析试验结果见表2。采用显微图像分析仪对大理岩石粉进行颗粒级配分析的结果表明:大理岩石粉的颗粒大部分分布在0～5μm粒径范围内，占颗粒总数的90%以上。采用激光粒度分析仪对大理岩石粉的颗粒级配和比表面积进行测试的结果表明:大理岩石粉的比表面积为213.5 m2/g，中径为80.5μm。

2.3 大理岩石粉水泥胶砂强度特性

掺大理岩石粉水泥胶砂强度特性的试验研究结果见图1，掺量固定为30%。

由试验结果可以看出:掺大理岩石粉的水泥胶砂强度低于掺Ⅱ级粉煤灰的水泥胶砂强度，其28d的强度降低10%左右，表明大理岩石粉的强度特性要逊于粉煤灰。与掺硅酸盐类岩石粉相比，掺大理岩石粉水泥胶砂强度略高，28d的强度提高17%，表明大理岩石粉的强度特性要高于硅酸盐类岩石粉的强度特性。

表2 大理岩石粉的粒度分析

图1 掺大理岩石粉水泥胶砂强度特性

3 大理岩石粉作为碾压混凝土掺和料的试验研究

3.1 大理岩石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土性能的影响

采用官地水电站工程实际所用的中热水泥、Ⅱ级粉煤灰和玄武岩人工骨料，复掺高效缓凝减水剂，在保持混凝土水胶比和掺和料总掺量不变的条件下，进行大理岩石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土性能影响的试验研究。

在保持掺和料的掺量为55%的条件下，采用大理岩石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土强度性能的影响试验结果见表3，对碾压混凝土弹性模量和极限拉伸性能的影响试验结果见表4，采用大理岩石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土干缩性能的影响试验结果见表5。其中大理岩石粉替代粉煤灰的比例分别为27.2%、45.5%和63.6%，单方混凝土的替代量分别为27kg、45kg和62kg。

表3 石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土强度的影响

从试验结果来看，将大理岩石粉部分替代粉煤灰后，碾压混凝土的7d强度有所增加，其余龄期碾压混凝土的强度有所降低。这是由于大理岩石粉的微集料效应要优于粉煤灰，后期的活性要逊于粉煤灰的缘故。将石粉部分替代粉煤灰后，碾压混凝土的弹性模量和极限拉伸均有所降低，碾压混凝土的干缩变形有所减少。

在保持掺和料的掺量为50%的条件下，采用大理岩石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土耐久性能的影响试验结果见表6，对碾压混凝土绝热温升性能的影响试验结果见表7，其中大理岩石粉替代粉煤灰的比例分别为20%和40%，单方混凝土的替代量分别为17kg和34kg。

由试验结果可以看出:在冻融100次的情况下，采用大理岩石粉部分替代粉煤灰碾压混凝土的剩余相对动弹模随着石粉的替代量的增加而有所减少，表明采用大理岩石粉部分替代粉煤灰后，碾压混凝土的抗冻性能有降低的趋势。采用大理岩石粉部分替代粉煤灰则对碾压混凝土的抗渗性能影响不大，碾压混凝土的绝热温升随着大理岩石粉替代量的增加而有所降低。

表4 石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土弹模和极拉的影响

表5 石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土干缩变形影响

表6 石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土耐久性能影响

3.2 大理岩石粉部分替代粉煤灰在工程中的应用

采用中热水泥(28d抗压强度为48.6MPa)，Ⅱ级粉煤灰(细度为19.0%、需水比为93.0%)，官地水电站竹子坝料场的玄武岩人工骨料(密度为2.97g/cm3、石粉含量为16.9%)，进行大理岩石粉部分替代粉煤灰大坝碾压混凝土的配合比设计及基本性能试验研究。

官地水电站大坝碾压混凝土主要品种为C18025W6F100和C18020W6F100，采用大理岩石粉替代粉煤灰的碾压混凝土配合比见表8，其中每方混凝土替代粉煤灰34～37kg。碾压混凝土拌和物泛浆好且振捣容易，其Vc值为5.3～5.5s，满足Vc值5±2s的要求。采用大理岩石粉替代粉煤灰碾压混凝土性能指标见表9，采用大理岩石粉部分替代粉煤灰配制的C9025和C9020碾压混凝土的抗冻等级大于F100，抗渗等级大于W8均满足设计的要求，其90d的极限拉伸值分别为79×10－6和75×10－6均满足设计所提出的极限拉伸不得小于70×10－6的碾压混凝土抗裂性能要求，可见采用大理岩石粉部分替代粉煤灰可以配制满足设计要求的大坝碾压混凝土。

表7 石粉部分替代粉煤灰对碾压混凝土绝热温升影响

表8 大理岩石粉部分替代粉煤灰碾压混凝土配合比

表9 大理岩石粉部分替代粉煤灰碾压混凝土性能指标

4 结 语

大理岩石粉除了具有硅酸盐岩石石粉具有的微集料作用以及颗粒的形貌作用外，还具有一定的晶核作用和活性作用。由于大理岩石粉的比表面积大于粉煤灰，且多为小于55μm的细颗粒，采用大理岩石粉部分替代粉煤灰后，可以在碾压混凝土中填充了大量孔隙，其微集料效应要强于粉煤灰，因此表现为早期的强度性能优于粉煤灰。试验研究证明:将大理岩石粉部分替代粉煤灰作为掺和料，可以配制满足设计要求的碾压混凝土。

［1］王圣培.碾压混凝土筑坝20年［C］∥张严明.中国碾压混凝土坝20年.北京:中国水利水电出版社，2006:10－19.

［2］刘数华，阎培渝.石粉作为碾压混凝土掺和料的利用和研究综述［J］.水力发电，2007(1):69－71.

［3］洪锦祥，蒋林华，黄卫，等.人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究［J］.公路交通科技，2005(11):84－88.

［4］中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科研所.雅砻江官地水电站碾压混凝土掺大理岩石粉试验报告［R］.2009.