1、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）摘 要本文结合寒区水电工程试验检测数据，从混凝土热力学、物理学、配合比、理化性能等角度进行试验论证，提出凝灰岩粉可以替代全部或部分粉煤灰用于北方寒区水工混凝土，并结合现行规范提出相应的技术要求，可为有效解决粉煤灰替代问题提供数据参考。关键词北方寒区；混凝土；配合比；凝灰岩粉中图分类号 TV431文献标识码A文章编号 10020624（2023）030052050 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
2、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
3、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
4、，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）水泥东北水利水电水利科研2023年第3期 52DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.03.023试验所用胶凝材料为中国葛洲坝集团生产的PMH 水泥，以 GB 200-2003 中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和低
5、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 PMH42.5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
6、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5）外加剂试验所用外加剂为苏博特 SBTJM-高效减水剂、PCA-聚羧酸高性能减水剂和GYQ-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
7、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。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 0.030.06，结果见表7，8。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C9020W8F20
8、0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。类别标准规定PMH42.5级标准稠度/%/24.00比表面积/（mkg-1）250308安定性合格合格凝结时间/min初凝60185终凝720180抗折强度/MPa3 d3.004.707 d4.506.2028 d6.508.90抗压强度/MPa3 d12.0018.807 d22.0029.2028 d42.5050.1
9、0类别标准规定F类级需水量比/%105.0098.00含水量/%1.000.10细度（45 m筛余）/%25.0010.60烧失量/%8.004.25类别标准规定凝灰岩粉F类级活性指数/%60.0070.0066.00需水量比/%115.00103.00110.00细度（45 m筛余）/%25.0015.1020.00含水量/%1.000.101.00烧失量/%10.004.758.00类型碾压常态标准规定细骨料标准规定细骨料表观密度/（kgm-3）2 5002 6702 5002 670堆积密度/（kgm-3）/1 680/1 690饱和面干吸水率/%/1.20/1.20泥块含量/%不允许0
10、不允许0细度模数2.22.92.42.42.82.6石粉含量/%8.0022.0018.606.0018.0012.40微粒含量/%5.0010.20/云母含量/%2.0002.00表5 粗骨料的性能指标种类标准规定小石中石大石表观密度/（kgm-3）2 5502 6702 6702 670堆积密度/（kgm-3）/1 7201 7201 730含泥量/%D20，D401.00；D80，D1500.50000泥块含量/%不允许000饱和面干吸水率/%2.500.60/针片状颗粒含量/%15.002.003.002.00超径/%5.002.003.001.00逊径/%10.002.003.000
11、.00中值/%40.0070.0052.0054.0060.00压碎值/%220.009.60/2023年第3期水利科研东北水利水电 533 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。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
12、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抗压强度未外加剂种类高效减水剂高性能水剂高效引气剂标准规定SBTJM-标准规定PCA-标准规定GYQ-含气量/%30.001.00+9150-90+12085终凝+120160/-90+12060抗压强度比/%3 d125.00150.00/90.00105.0
13、07 d125.00148.00140.00150.0090.0098.0028 d120.00142.00130.00141.0085.0094.00表6 外加剂性能指标设计等级C9015W6F100C9020W8F200C9015W6F100C9020W8F200复掺碾压单掺碾压复掺碾压单掺碾压复掺碾压单掺碾压复掺碾压单掺碾压单掺常态级配三三二二三三二二三水泥中热中热中热中热中热中热中热中热中热设计Vc值/s13131313坍落度/mm120.0140.0120.0140.0120.0140.0120.0140.050.070.0水胶比0.500.500.440.440.500.500.4
14、40.440.50粉煤灰掺量/%31.00/25.0/30.00/25.00/凝岩粉掺量/%30.0060.0025.0050.0030.0060.0025.0050.0030.00砂率/%32.0032.0036.0036.0030.0030.0034.0034.0028.00骨料比例3 4 33 4 35 55 53 3 43 3 45 55 53 3 4减水剂类型高效高效高效高效高效高效高效高效高性能减水剂掺量/%0.700.800.700.800.700.800.700.800.70引气剂掺量/%0.320.320.280.280.010.010.010.010.01表7 配合比设计表
15、8 每方原材料用量kg设计等级C9015W6F100C9020W8F200C9015W6F100C9020W8F200复掺碾压单掺碾压复掺碾压单掺碾压复掺碾压单掺碾压复掺碾压单掺碾压单掺常态水90.0095.00145.00150.00110.00水泥94.00120.00136.00165.00173.00230.00230.00290.00190.00粉煤灰56.00054.00087.00085.0000火山灰54.00108.0053.75107.5087.00174.0085.00170.0066.00砂668.00731.00617.00670.00564.00中石570.0065
16、0.00430.00650.00435.00大石425.00/580.00/580.00减水剂1.431.821.712.182.433.232.803.681.79引气剂0.650.730.680.760.040.040.040.050.03类别C9015W6F100C9020W8F200C25W8F200C30W8F200混凝土类型碾压碾压常态泵送掺合料/%61.0050.0025.0025.00粉煤灰凝灰岩粉0100505001000100含气量/%5.004.605.105.00坍落度/Vc值/（mms-1）初始1.12.075.0160.0经1 h损失-2.5-2.8-34.0-30.0温度/12.4011.0012.5013.20凝结时间/min初凝860900500475终凝1 0501 055570570表观密度/（kgm-3）2 4402 5002 3802 400表9 新拌混凝土性能30352520100015406030702080试粉煤灰凝灰岩粉工作性能/mm0100505028 d60 d90 d东北水利水电水利科研2023年第3期 54达到设计要求外，其他各
