掺凝灰岩粉的水工混凝土在北方寒区的试验研究

孙凯

（绥中县水利事务服务中心，辽宁绥中 125200）

0 引言

美国最早于20 世纪30 年代就全面研究了天然火山灰等掺和料在水工混凝土中的应用，主要解决大坝混凝土温升问题，以达到替代水泥和温控防裂的作用[1]。我国于20 世纪80 年代逐渐开始将粉煤灰大规模地应用于水工混凝土中，工程使用技术经济效果良好。目前，随着水电工程向北方寒区不断发展，优质矿渣、粉煤灰等掺和料匮乏问题日趋突出，寻找价廉质优、储量丰富、易于获取的新型掺和料必将成为今后的发展方向。我国将其他不同掺和料应用于水工混凝土的先例有许多，如采用凝灰岩粉掺和料的漫湾水电站拦河坝、利用凝灰岩粉与磨细磷矿渣TP 复合掺和料的大朝山水电站。虽然漫湾、大朝山等工程成功地应用了凝灰岩粉，但在北方寒区的应用实例较少[2]。北方寒区具有蒸发强、温差大、气温低等特点，对掺和料性能要求较高，用凝灰岩粉替代粉煤灰还需要做充分论证，深入揭示凝灰岩粉的作用机理，并进一步检验水工混凝土的热力学及力学性能以确定最佳的掺量[3-5]。

1 工程概况

GYG 水库位于太子河干流上，控制流域面积2 795 km2，总库容21.68 亿m3，与下游水电站形成梯级开发，主要任务是以工业、城市供水和防洪为主，兼有灌溉、发电、养鱼等。项目周边无火电厂，工程建设所需粉煤灰需要从外地中转二次倒运，运输和货源的可靠保障度较低，需要投入大量公用资源、人力和物力，成本价格较高，亟需利用其他掺和料替代粉煤灰。经市场调研，工程附近有厂家生产的凝灰岩粉已被应用于城市商品混凝土。考虑到GYG 水库特点，水工混凝土掺和料选用凝灰岩粉替代粉煤灰，既可以保证材料的持续供应，还能够降低工程成本。因此，研究凝灰岩粉替代粉煤灰用于水工混凝土，对解决因脱销引起的粉煤灰质量下降及北方寒区水电工程建设粉煤灰缺乏等问题具有重要现实意义[6-8]。研究成果将在很大程度上解决北方地区筑坝混凝土掺和料匮乏的问题，拓宽掺和料的使用类型，为推动碾压混凝土筑坝技术发展，促进大体积混凝土施工技术进步，以及北方地区后续水电开发提供强有力的技术支撑。

2 试验方案

2.1 原材料性能

1）水泥

试验所用胶凝材料为中国葛洲坝集团生产的P·MH 水泥，以GB 200-2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥》为评定标准，依据勃氏法、ISO 胶砂强度检验法和相关规范推荐的方法检测水泥的物理性能，结果见表1。

表1 P·MH42.5 水泥的性能指标

2）粉煤灰

试验所用矿物掺和料为绥中电厂生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，以DL/T 5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》为评定标准，依据规范中推荐的方法检测粉煤灰的物理性能，结果见表2。

表2 F 类Ⅱ级粉煤灰的指标

3）凝灰岩粉

试验选用沈阳德美金鼎科技建材有限公司生产的凝灰岩粉，为保证工程质量及生产需求，在发货前，生产厂家必须按要求严格检测凝灰岩粉品质，经检测符合天然火山灰质材料及专家评审会对凝灰岩粉品质要求的情况下方可进场，进场后由试验室现场复检其品质，凝灰岩粉各项指标符合技术要求后方可用于生产[9-11]，结果见表3。

表3 凝灰岩粉的性能指标

4）砂石骨料

试验所用骨料为砂石系统破碎而成的机制砂和花岗岩碎石，以SL 677-2014《水工混凝土施工规范》和DL/T 5112-2021《水工碾压混凝土施工规范》为评定标准，依据DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》中推荐的方法测试砂石骨料的物理性能，结果见表4，5。

表4 细骨料的性能指标

表5 粗骨料的性能指标

5）外加剂

试验所用外加剂为苏博特SBTJM®-Ⅵ高效减水剂、PCA®-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂和GYQ®-Ⅲ高效引气剂，以DL/T 5100-2014《水工混凝土外加剂技术规程》为评定标准，以规程推荐的方法测试外加剂的物力性能，其品质要求与试验所使用的减水剂相同，检测结果见表6。

表6 外加剂性能指标

2.2 配合比设计

依据现行技术规范要求，将凝灰岩粉用于寒区水工混凝土时，必须开展热力学、力学及理化性能、配合比等试验。结合原推荐配合比和专家评审意见，合理确定原材料用量及配合比，控制凝灰岩粉掺量不大于30.00%，适当减小水胶比0.03～0.06，结果见表7，8。

表7 配合比设计

表8 每方原材料用量 kg

2.3 配合比试验

根据GYG 水库实际情况，在原大坝配合比情况下合理调整凝灰岩粉掺量，掺和料粉煤灰：凝灰岩粉按0∶100，20∶80，30∶70，40∶60，50∶50，100∶0 不同比例配制三级配C9015W6F100 碾压混凝土和二级配C9020W8F200 碾压混凝土，掺和料粉煤灰∶凝灰岩粉按0∶100，50∶50 两种掺配比例，两者的总掺量按20.0%，25.0%，30.0%配制二级配泵送、二级和三级配常态混凝土。通过对比，探讨凝灰岩粉替代粉煤灰的最佳掺量及可行性，经检测，新拌混凝土性能均符合现行规范要求，部分检测数据见表9。

表9 新拌混凝土性能

3 结果与分析

3.1 物理性能指标

标准养护水工混凝土试样至设计龄期，依据SL/T 352-2020《水工混凝土试验规程》推荐的方法检测力学性能，不同掺配比例的强度检测值见图1，本文仅列出部分检测数据见表10。

表10 部分水工混凝土性能指标

图1 不同粉煤灰：凝灰岩粉掺配比例的试件强度（C9020W8F200）

结果表明，随着凝灰岩粉掺量的增加，二级配C9020W8F200 和三级配C9015W6F100 碾压混凝土抗压强度均逐渐下降；从净力抗压弹性模量、极限拉伸值、劈裂抗拉强度检测值可以看出，其抗压强度与力学性能变化规律相同，均随凝灰岩粉掺量的增大而降低；掺凝灰岩粉常态及碾压混凝土抗渗性能够达到设计要求，粉煤灰与凝灰岩粉复掺（50∶50）优于凝灰岩粉单掺（0∶100）的混凝土抗渗性能。

3.2 水工混凝土强度

不同龄期各组试样抗压强度如图2。结果显示，随着龄期的延长水工混凝土抗压强度逐渐增大，除单掺凝灰岩粉碾压混凝土28 d 抗压强度未达到设计要求外，其他各组均符合设计要求。从抗压强度增幅变化上，从7 d 到90 d 龄期的增幅最大，90 d 到180 d 龄期的增幅放缓；各龄期内粉煤灰与凝灰岩粉复掺混凝土较单掺凝灰岩粉混凝土，其抗压强度及增长率都比较高，特别是龄期达到90 d 之后，复掺粉煤灰与凝灰岩粉的抗压强度增长率明显高于单掺凝灰岩混凝土。

图2 不同龄期的试件强度（C9020W8F200）

3.3 绝热温升检测

试验利用型号DR-2A 试验仪测定各组试样的绝热温升，即水泥水化引起的绝热温升值，结果见图3。

图3 混凝土绝热温升变化曲线（C9020W8F200）

结果表明，早期复掺粉煤灰与凝灰岩粉的三级配碾压混凝土水化放热量相对较小，水化速度较慢。三级配C9020 碾压混凝土的半熟龄期为3 d，拟合最高绝热温升15.82 ℃，28 d绝热温升29.12 ℃。三级配单掺凝灰岩粉常态混凝土相较于碾压混凝土，其早期水化速度较快，7 d 后绝热温升开始平稳，温升值变幅逐渐趋于稳定。

4 结语

本文依据GYG 水库现场生产性试验和检测结果，归纳总结主要研究成果如下。

1）由于具有较大的需水量比，使用凝灰岩粉时对减水剂品质有较高要求；对于单掺凝灰岩碾压混凝土，随着凝灰岩粉掺量的增加应适当提高减水剂掺量，且掺量不低于0.80%；结合新拌混凝土性能，使用粉煤灰和凝灰岩粉的拌合物，在粘聚性、和易性上性能无明显差异。

2）水工混凝土抗压强度随凝灰岩掺量的增加有所下降，静力抗压弹性模量、极限拉伸值及劈裂抗拉强度逐渐减小。另外，凝灰岩粉对混凝土抗冻性的影响程度高于粉煤灰，随着凝灰岩粉掺量的提高，混凝土抗冻性不断减弱。

3）按照施工配合比拌制的混凝土含气量普遍高于设计要求的上限值，通过减少引气剂掺量可以配制出符合抗压强度、含气量、坍落度等设计要求的混凝土。凝灰岩混凝土呈现出“先收缩、后膨胀”的特点，具有干缩大、极限拉伸值和弹性模量较小等性能。总体而言，将凝灰岩粉全部或部分替代粉煤灰用于寒区水工混凝土中具有技术可行性，经市场调研和价格对比发现，每使用1 t 凝灰岩粉就能够节约成本350 元，具有经济合理性。