石灰石粉替代粉煤灰对藏木水电站大坝混凝土性能影响的试验研究

2013-09-05邓长军李光伟

水电站设计 2013年1期

邓长军，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

藏木水电站位于西藏自治区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510MW，年发电量25.089亿kW·h，梯级联合运行时年发电量22.30亿kW·h。电站以发电为主，兼有下游防洪和灌溉等综合开发任务。挡水建筑物为坝高116m的混凝土重力坝，混凝土总量约300万m3，需掺合料约20万t。藏木工程地处高原，工程所处地区无水工混凝土常用的粉煤灰、矿渣等掺合料资源，借助青藏铁路长距离运输，既增加工程造价，又受地域、气候及运输条件的影响而得不到有效保障，进而影响工程建设。因此掺合料的方案选择和稳定供应将成为制约藏木水电站建设的关键环节之一。

石灰石粉主要指由石灰岩经机械加工后的颗粒小于0.16mm的微细粒。国内外的试验研究成果表明，石粉中粒径小于0.045mm的钙质颗粒，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，使混凝土的孔隙细化，降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔隙结构，从而提高混凝土的性能。

西藏地区石灰石储量丰富，加工成本低，运距相对较短，可利用价值高。针对藏木水电站的工程特点，进行石灰石粉作为新型掺合料用于大坝混凝土的试验研究，在解决西藏地区水电工程混凝土掺合料短缺的紧迫需要、保障水工大坝混凝土性能和施工进度的同时，也可为业主节约建设成本，同时拓宽了现行混凝土矿物掺合料的种类，有着非常重要的社会经济价值和良好的应用前景，符合国家建设资源节约型和环境协调型社会的产业政策，具有巨大的环保效应和社会效益。

2 混凝土原材料

试验采用西藏山南华新P.MH42.5水泥，水泥的化学成分见表1，品质检验结果见表2。采用西电宏大Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的化学成分见表1，品质检验结果见表3。试验所采用的石灰石粉化学成分见表1，品质检验结果见表3。

3 石灰石粉替代粉煤灰对大坝混凝土性能影响的试验研究

试验结合藏木水电站进行。试验所用粗骨料为花岗岩人工碎石和砾石的混合骨料，细骨料为花岗岩人工砂，复掺缓凝高效减水剂和引气剂。骨料级配为三级配，混凝土的陷度控制在4～6cm，含气量控制在4%～5%。粉煤灰的掺量为30%。在保持混凝土水胶比不变的条件下，石灰石粉等量替代粉煤灰，替代量考虑三种，分别为60%、80%和100%。

3.1 对混凝土拌和物和易性的影响

采用石灰石粉替代粉煤灰对混凝土拌合物和易性影响的试验结果见表4。由试验结果可见，在保持拌合物性能大致相当条件下，随着石灰石粉替代粉煤灰的量的增加，相同水胶比的混凝土单位用水量需增加1～3kg。采用石灰石粉替代粉煤灰对混凝土的含气量影响不大。

表2 水泥的物理力学性能

表3 石灰石粉和粉煤灰的物理性能

3.2 对混凝土强度性能的影响

硬化混凝土强度往往是评价混凝土质量的重要依据，它与混凝土的耐久性、体积稳定性等有密切的关系。石灰石粉替代粉煤灰对大坝混凝土强度性能的影响试验结果见表5和图1。由试验结果可见:在相同条件下，随着石灰石粉替代量的增加，混凝土7d抗压强度有所增加，混凝土28d、90d抗压强度、抗拉强度有所下降;随着石灰石粉掺量的增加，混凝土早期强度增长率随之提高，后期强度增长率有所降低。

表4 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土拌和物性能影响

图1 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土抗压强度的影响(水胶比为0.5)

表5 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土强度性能影响

3.3 对混凝土变形性能的影响

混凝土弹性模量主要与骨料性能和用量关系密切，一般来讲，骨料本身的弹性模量越大、骨料用量越多，混凝土的弹性模量也就越大。

极限拉伸是混凝土轴向受拉断裂时在极限状态下的应变值。由于混凝土的抗拉强度约为抗压强度的十二分之一，为了防止大坝混凝土产生裂纹，对混凝土极限拉伸值作出限定并以该值作为混凝土抗裂性指标之一。

石灰石粉替代粉煤灰对混凝土弹性模量及极限拉伸的影响见表6。试验表明，在相同水胶比条件下，随着石灰石粉替代量的增加，混凝土28d弹性模量基本相当，90d弹性模量略有下降。随着石灰石粉替代量的增加，混凝土极限拉伸值有所减小。

表6 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土变形性能影响

3.4 对混凝土体积稳定性的影响

混凝土干缩对混凝土的结构性能影响较大，在一般使用条件下，由于混凝土干缩变形而引起的应力足以使结构表面产生变形以至裂缝，从而降低其强度和刚度，破坏混凝土微观结构，降低混凝土耐久性。石灰石粉替代粉煤灰对混凝土干缩的影响见表7。由试验结果可见:在相同条件下，随着石灰石粉替代粉煤灰的量的增加，混凝土干缩变形随之增大，掺30%石灰石粉混凝土180d干缩率比掺30%粉煤灰混凝土干缩率大12%。

表7 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土干缩性能影响

混凝土在恒温绝湿的条件下，由胶材的水化作用而引起的体积变形称为自生体积变形。石灰石粉替代粉煤灰对混凝土自生体积变形的影响见图2。由图2可见:在相同条件下，采用石灰石粉替代粉煤灰混凝土自生体积收缩变形值有所增加。

图2 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土自生体积变形的影响

从石灰石粉替代粉煤灰对混凝土干缩和自生体积变形的影响试验结果可以看出:采用石灰石粉替代粉煤灰对混凝土的体积稳定性不利。

3.5 对混凝土耐久性能的影响

混凝土的耐久性试验主要对混凝土的抗渗性能和抗冻性能进行检测。石灰石粉替代粉煤灰对混凝土耐久性能的影响试验结果见表8。由试验结果可见，在相同水胶比条件下，随着石灰石粉替代量的增加，混凝土抗渗系数有所增加，抗渗能力有所下降。随着石灰石粉替代量的增加，在相同的冻融次数条件下，混凝土的质量损失有所增加，混凝土的抗冻能力有所降低。

3.6 对混凝土热学性能的影响

混凝土的热物理参数主要是指混凝土产生或消除热量的各种性能，包括混凝土由于水泥的水化热所产生的绝热温升，以及混凝土的导温、导热、比热和线膨胀系数等。石灰石粉替代粉煤灰对混凝土热学性能的影响试验结果见表9。由试验结果可以看出:采用石灰石粉全部替代粉煤灰对混凝土的导温系数、导热系数、比热以及线膨胀系数等影响不大，但可以降低混凝土的绝热温升，在同等条件下，可降低0.8℃。

表8 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土耐久性能的影响

表9 石灰石粉替代粉煤灰对混凝土热学性能的影响

4 石灰石粉替代粉煤灰在大坝混凝土中应用的可行性

在保持水胶比不变的条件下，对石灰石粉等量替代粉煤灰对大坝混凝土性能影响进行的试验研究表明:石灰石粉没有类似粉煤灰的球形“形态效应”，因此采用石灰石粉替代粉煤灰会增加混凝土用水量。石灰石粉有促进水泥水化的作用，因此采用石灰石粉替代粉煤灰后，会提高混凝土的早龄期的力学性能。由于石灰石粉没有火山灰活性，采用石灰石粉替代粉煤灰后，混凝土的后龄期混凝土的力学性能有所降低，混凝土的绝热温升有所减少。

由此可以看出:作为水工混凝土的掺和料，掺粉煤灰混凝土的性能要优于掺石灰石粉混凝土。藏木水电站大坝混凝土应优先选用粉煤灰作为大坝混凝土的掺和料。但西藏地区粉煤灰资源比较匮乏，长距离运输粉煤灰又难以保证大坝混凝土的施工进度，因此需要采用石灰石粉部分替代粉煤灰作为大坝混凝土的掺和料。

采用石灰石粉部分替代粉煤灰作为掺和料配制的大坝混凝土性能指标见表10，其中石灰石粉替代量为60%和80%。由表10可以看出:采用石灰石粉部分替代粉煤灰可以配制出满足设计要求的大坝混凝土，因此，采用石灰石粉部分替代粉煤灰的方案用于藏木水电站大坝混凝土是可行的。与掺粉煤灰大坝混凝土性能相比，采用石灰石粉部分替代粉煤灰混凝土的早龄期力学性能较优，绝热温升较低，但其后龄期混凝土的力学性能则稍逊，笔者建议替代量为60%较为适宜。