凝灰岩粉替代粉煤灰对高原水工混凝土性能影响试验研究

蒋 理，陶 坤

(华电西藏能源有限公司大古水电分公司，西藏 山南 856000)

美国垦务局在20世纪30年代对水工混凝土中应用天然火山灰等掺合料开展了系统研究，最初的目的主要是在西部大坝混凝土施工中用于替代水泥，控制大体积混凝土温升，以满足大体积混凝土的温控防裂要求[1]。

我国从20世纪80年代，开始在水工混凝土中大规模使用粉煤灰，取得了较好的技术经济效果。随着我国水电建设向青藏高原发展，粉煤灰、矿渣等优质掺合料资源匮乏，因此寻找容易获得、储量丰富、质优价廉的新型掺合料势在必行。我国水工混凝土研究应用其他材料作为掺合料已有成功先例，80年代漫湾水电站拦河坝曾采用凝灰岩粉作为混凝土掺合料，其后大朝山水电站将磨细磷矿渣和凝灰岩粉复合成 PT掺合料，在围堰和主坝中成功浇筑了75万m3碾压混凝土，取得了较好的经济效益。

凝灰岩替代粉煤灰作为水工混凝土掺合料虽然已在漫湾、大朝山等水电工程成功运用，但在3 400 m以上的高原地区，尚无成功运用的先例。高海拔地区具有大温差、高蒸发、强辐射等气候特点，对掺合料的技术性能要求极高[2]。用凝灰岩粉替代粉煤灰，需要进行大量试验，以全面验证凝灰岩粉的理化性能，合理确定其掺入混凝土的配合比，并检验混凝土的力学性能与热力学性能。

DG水电站位于西藏YJ中游，拥有世界在建和已建大坝中海拔最高的碾压混凝土重力坝，最大坝高117 m，各种混凝土总量约251万m3。工程附近区域无火电厂，通过青藏线从青海和宁夏等地调运粉煤灰还需公路二次中转倒运，货源和运输保障的可靠性低，又需配合大量社会公用资源，故粉煤灰不但价格较高，还存在供应保障率低的问题，亟需研究采用当地掺合材料替代粉煤灰。根据市场调研，西藏拉萨市有凝灰岩粉生产厂家，其生产的凝灰岩粉已成功运用于城市商品混凝土。因此，针对DG水电站工程特点，研究凝灰岩替代粉煤灰用作水工混凝土掺合料，不仅可节约建设成本，还能提高材料供应的可靠性。

凝灰岩粉成功运用于高原水工混凝土对解决高原地区水电工程建设中粉煤灰缺乏，及由于脱硝带来的粉煤灰品质下降问题具有积极的探索意义。研究成果将拓展西藏地区混凝土矿物掺合料品种，部分或彻底解决西藏地区筑坝过程中混凝土掺合料供应较困难的问题，为DG水电站建设提供有力的技术支撑，提升高海拔地区碾压混凝土筑坝技术。同时也必将进一步促进青藏高原后续水电开发，及基建设施建设中大体积混凝土施工技术的进步。

1 原材料

1.1 水泥

水泥为西藏华新堡垒水泥有限公司生产的“华新”P·MH 42.5水泥，水泥的物理性能检测按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2011)，《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T 17671-1999)，《水泥比表面积测定方法 勃氏法》(GB/T 8074-2008)的规定进行，评定标准为《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》(GB/T200-2017)，其具体检测指标及结果见表1。

表1 “华新”P·MH42.5水泥的物理性能检测指标

1.2 粉煤灰

煤灰为宁夏锦鑫环保科技有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的物理性能按照《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055-2007)的规定进行试验，评定标准为《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055-2007)其具体检测指标及要求见表2。

表2 “锦绣”Ⅱ级粉煤灰的物理性能检指标 %

1.3 外加剂

外加剂为山西恒泰伟业建材有限公司生产的HT-5高效减水剂(缓凝型)、HT-1C高性能减水剂(缓凝型)、HT-11引气剂。物理性能按照《水工混凝土外加剂技术规程》(DL/T 5100-2014)的规定进行试验，评定标准为《水工混凝土外加剂技术规程》(DL/T 5100-2014)，其品质要求需与《西藏大古水电站使用火山灰质材料替代粉煤灰生产性试验》中间成果报告中开展室内试验所使用的减水剂保持相同品质，其具体检测指标及要求见表3～表5。

表3 高效减水剂物理性能检测指标

表4 高性能减水剂物理性能检测指标

表5 引气剂物理性能检测指标

1.4 砂石骨料

砂石骨料为九局主标砂石系统所生产砂石骨料，砂石骨料物理性能按照《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T5151-2014)的规定进行试验，评定标准为《水工碾压混凝土施工规范》(DL/T5112-2009)、《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2015)，其具体检测指标及要求见表6～表8。

表6 细骨料(碾压)的物理性能检测指标

表7 细骨料(常态)的物理性能检测结果

表8 粗骨料的物理性能检测结果

1.5 凝灰岩粉

凝灰岩粉为西藏吾羊实业有限公司生产的凝灰岩粉，为满足工程生产需求及质量要求，按照在成都召开《西藏大古水电站使用凝灰岩粉替代粉煤灰生产性试验》中间成果专家评审会意见，灰山灰质材料生产厂家在发货前必须按照规范要求对凝灰岩粉进行品质检测，品质标准满足专家评审会对凝灰岩粉品质要求及《水工混凝土掺用天然火山灰质材料技术规范》(DL/T5273-2012)规范要求后方允许进场，凝灰岩粉进场后，工地试验室对其品质进行复检，各项检测指标需满足表9中专家评审会要求及《水工混凝土掺用天然火山灰质材料技术规范》(DL/T5273-2012)要求后用于生产，其具体检测指标及要求见表9。

表9 凝灰岩粉的物理性能检指标 %

2 混凝土配合比及性能试验结果

2.1 材料配合比

根据2012年4月发布的《水工混凝土掺用天然火山灰质材料技术规范》(DL/T 5273-2012)，凝灰岩粉运用于高原水工混凝土，需要开展材料理化性能、配合比、力学性能、热力学性能等试验[3]。根据专家评审意见，在原推荐配合比基础上适当将水胶比降低0.03～0.05，且控制凝灰岩粉最大掺量不超过30%，根据专家评审会意见，推荐配合比主要参数及每方材料用量见表10。

表10 工艺性试验推荐配合比及每方材料用量

2.2 材料配合比试验

根据DG水电站施工实际，试验配合比在原大坝配合比基础上使用不同比例的凝灰岩粉代替粉煤灰进行对比试验。C9015W6F100三级配碾压混凝土、C9020W8F200二级配碾压混凝土分别按(粉煤灰∶凝灰岩粉)100∶0、50∶50、40∶60、30∶70、20∶80、0∶100掺入凝灰岩粉进行对比试验；C9020W8F200三级配常态混凝土、C25W8F200二级配常态混凝土、C30W8F200二级配泵送混凝土掺合料按20%、25%、30%(粉煤灰∶凝灰岩粉)100∶0、0∶100掺入凝灰岩粉开展对比试验。通过配合比试验，其拌和物性能参数符合规范要求(见表11)。

表11 混凝土拌合物性能检测结果(部分)

3 试验结果分析

3.1 混凝土物理性能检测

在掺用凝灰岩粉的混凝土试件养护达到试验龄期后，按照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2017)和《水工碾压混凝土试验规程》(DL/T5433-2009)相关要求进行了力学检测[4]，部分配合比的物理性能数据见表12。不同掺配比例凝灰岩粉混凝土强度对比曲线(C9020W8F200)见图1。

表12 混凝土物理性能检测结果(部分)

图1 不同掺配比例凝灰岩粉混凝土强度对比曲线图(C9020W8F200)

根据上述混凝土的物理性能检测成果，分析归纳如下：①C9015W6F100三级配碾压混凝土、C9020W8F200二级配碾压混凝土均随着凝灰岩粉掺量比例的增加，抗压强度略有降低；②混凝土劈裂抗拉强度、极限拉伸值、静力抗压弹性模量检测结果看，其力学性能规律与抗压强度相符合，随着凝灰岩粉掺量的增加，其劈裂抗拉强度逐渐降低、极限拉伸值逐渐减小、静力抗压弹性模量减小；③掺凝灰岩粉碾压及常态混凝土抗渗性能均满足设计要求，复掺凝灰岩粉(粉煤灰∶凝灰岩粉=50∶50)抗冻性能优于单掺凝灰岩粉(粉煤灰∶凝灰岩粉=0∶100)。

3.2 混凝土绝热温升检测

绝热温升是混凝土在绝热条件下由于胶凝材料水化释放出的热量引起的温升值，混凝土绝热温升采用混凝土热物理参数测定仪(BY-ATC/B型)测试[5]，混凝土绝热温升检测曲线见图2。

图2 混凝土绝热温升检测曲线图

试验结果显示，复掺凝灰岩及粉煤灰三级配碾压混凝土早期水化放热速率相对较慢，早期水化放热量也相对较小。C9015三级配碾压混凝土(60 kg水泥+48 kg粉煤灰+48 kg凝灰岩)28 d绝热温升约16.9℃、拟合最高绝热温升18.83℃、半熟龄期3.238 d(绝热温升达到拟合最高绝热温升一半的龄期)。相较碾压混凝土，全掺凝灰岩三级配常态混凝土早期水化放热速率相对较快，7 d以后绝热温升曲线即逐渐趋于稳定，之后测得的温升值变化幅度相对较小。

3.3 不同配合比混凝土强度检测

从图3可以看出，各混凝土抗压强度随着龄期的增长而增长，在28 d龄期时除单掺凝灰岩粉碾压混凝土外，其余混凝土抗压强度基本能达到设计要求；在混凝土强度增长过程中，从7 d龄期到90 d龄期抗压强度增长较为明显，从90 d龄期到180 d龄期抗压强度增长速度明显下降；复掺凝灰岩粉的混凝土在各龄期抗压强度及强度增长率均高于单掺凝灰岩粉混凝土，尤其在90 d龄期以后，单掺凝灰岩粉的混凝土抗压强度增长率明显低于复掺凝灰岩粉的混凝土。

图3 混凝土抗压强度曲线图

4 结 语

4.1 技术指标

通过上述试验与检测，结合DG水电站现场生产性试验成果，对凝灰岩粉替代粉煤灰有以下研究成果。

凝灰岩粉需水量比较大，对减水剂的品质要求较高。随着凝灰岩粉掺量的增加，碾压混凝土在全掺凝灰岩粉时，需将减水剂掺量提高至0.9%，其他比例掺入凝灰岩粉时减水剂掺量为0.8%。

从混凝土拌合物性能看，使用凝灰岩粉作为掺和料的混凝土与使用粉煤灰作为掺合料的混凝土在拌合物性能(和易性、粘聚性)上无明显差异。

随着凝灰岩粉掺量比例的增加，抗压强度略有降低，其劈裂抗拉强度逐渐降低、极限拉伸值逐渐减小、静力抗压弹性模量减小。

从抗冻性能整体检测结果看，凝灰岩粉相较粉煤灰对混凝土抗冻性能影响大，随着其掺量增加，抗冻性能逐渐减弱。

采用施工配合比配制的混凝土含气量，普遍大于设计要求的含气量上限，适当降低引气剂掺量，可以配制出坍落度、含气量、抗压强度等性能指标均满足设计要求的混凝土。

凝灰岩混凝土具有弹性模量较小、极限拉伸较小、干缩较大等特点，具有“先收缩、后膨胀”的趋势。

结论：通过上述试验与检测，凝灰岩粉可在高原水工混凝土中部分或全部替代粉煤灰，且在技术上可行。

4.2 经济指标

目前，凝灰岩粉已在DG水电站大坝混凝土施工中使用3 305 t，拌制混凝土4.4万m3，各项性能指标满足技术规范要求。通过对比DG水电站粉煤灰和凝灰岩到货价，粉煤灰到货价888元/t，凝灰岩粉到货价518元/t，使用凝灰岩平均每吨可以直接节约投资370元。其次，粉煤灰供应点位于宁夏，运输距离约为2 600 km，凝灰岩供货点位于拉萨，运输距离约为240 km，使用粉煤灰可以大大降低因运输造成的断供风险，同时也可降低因长途运输带来的管理风险。