（水工结构工程专业论文）石灰石粉用作水工碾压混凝土掺合料的研究.pdf

摘要 所谓掺合料，是指为改善混凝土某些性能( 工作性、强度及耐久性等) 与节约水泥 而掺入混凝土拌和物中且掺量一般在水泥质量的5 以上的矿物质材料，主要包括粉煤 灰、硅灰、磨细矿渣、天然火山灰、沸石粉、煅烧页岩灰等。在我国，用作水工碾压混 凝土的掺合料只有粉煤灰( 大朝山大坝特例) ，且这种掺合料的作用显著。但是，粉煤 灰具有地域分布不均、运输费用昂贵等缺点，限制了碾压混凝土的应用，因此亟待开发 可以替代粉煤灰的掺合料。 石灰石粉作为惰性掺合料，对混凝土或砂浆的作用主要受其细度、粒径分布及形貌 等特性的影响。本文通过筛分和激光粒度分析选择四种石粉，分别代表一种典型的粒径 分布，同时运用电镜分析( s e m ) 对比石粉、粉煤灰、矿渣三种掺合料的形貌特征。引 用h o r s f i e l d 模型、f u l l e r 曲线和a n d r e a s e n 方程，分析了石粉颗粒粒径分布对填充效应 的影响，并用m a r s h 流动度和跳桌流动度试验予以验证，最后采用对比试验研究石粉粒 径分布对砂浆强度及干缩性能的影响。通过综合评定四种粒径分布石粉的生产难易度、 填充效应、以及对砂浆强度、干缩性能的影响，选择最优粒径分布石粉，并确定为石粉 掺合料。 由于石粉掺合料的惰性，在混凝土配合比设计中采用适当提高水泥用量的设计思想。 试验选用单掺石粉、单掺粉煤灰、石粉粉煤灰复掺、石粉矿渣复掺四种掺合料组合方案 配制碾压混凝土，研究石粉掺合料对水工碾压混凝土用水量、工作性、强度、干缩、耐 久性等性能的影响。试验结果表明：掺石粉掺合料混凝土的各项性能均能达到预期要求， 与其它掺合料混凝土的性能相差不大，但有自己的特点。针对抗渗性，用压汞法分析研 究了掺石粉砂浆的微观孔结构特征，结果表明：单掺石粉的砂浆有益孔含量小，尤其是 孔径2 0 n m 的微孔，有害孔含量适中，从而保证了掺石粉碾压混凝土具有很好的抗渗 性。 研究表明：单掺石粉掺合料，同时适当提高水泥用量的配合比设计思路在大坝一些 部位的混凝土中完全可以应用。 关键词：石粉粒径分布填充效应石粉掺台料碾压混凝士 a b s t r a c t t os a v ec e m e n ta n di m p r o v i n gs u c hp e r f o r m a n c eo f c o n c r e t ea sw o r k a b i l i t y , s t r e n g t ha n d d u r a b i l i t y , s o m ek i n d so fm i n e r a lm a t e r i a l sa r ei n c o r p o r a t e di n t oc o n c r e t ew i t ha q u a n t i t yo f m o r et h a nf i v ep e r c e n to ft o t a lc e m e n ta c c o u n t t h e s em i n e r a lm a t e r i a l sa r en a m e n da d d i t i v e s u s u a l l yi n c l u d i n gf l ya s h ，s i l i c af u m e ，g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t - f u r n a c e s l a g s ，n a t u r a l p o z z o l a n s ，a n dz e o l i t ep o w d e re t c f o rm a s sc o n c r e t e ，i nc h i n a , f l ya s hw a st h eo n l ya d d i t i v e w h i e hh a sb e e nu s e di nr o l l e r - c o m p a c t e dc o n c r e t ee x c e p td a c h a o s h a nd a l n ，a n dg e t sa f a v o r a b l ee f f e c t i ns o m ea r e a t h e r ei sa b u n d a n th y d r o e l e c t r i cr e $ o u r c e b u tn of l ya s ha n dt h e t r a n s p o r tc o s ti sl a r g e t os o l v et h i sp r o b l e ma n dc o n s t r u c t i n gr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m i nt h i sa r e a , an e we q u i v a l e n ta d d i t i v ew a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a sa ni n e r tc o m p o s i t i o n , t h ep o w d e r si m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f m o r t a ro rc o n c r e t ei s m a i n l yd e p e n d so ni t sf i n e n e s s ，g r a i n s i z ed i s t r i b u t i o na n dm o r p h o l o g y i nt h i sp a p e r f o i l l k i n d so fg r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o nl i m e s t o n ep o w d e r sw e r es e l e c t e db ys i e v i n gm e t h o d 1 a s e r g r a i n - s i z ea n a l s y sa n ds e m ( s c a n n i n ge l e c t r i cm i e r o s c o p e ) a tt h es a m et i m ew ec o m p a r e d t h e m o r p h o l o g y o ft h r e ek i n d so f a d d i t i v e s 一n v a s i i 1 i m e s t o n e p o w d e ra n d g r o u n d g r a n u l a t e db l a s t f u r n a c es l a g h o r s f i e l dm o d a lf u l l e rc u r v ea n da n d r e a s o ne q u a t i o n w e r ea d o p t e dt o t h e o r e t i c a l l ya n a l y z et h ee f f e c to ft h eg r a i n s i z ed i s t r i b u t i o no nt h ef i l l i n g e f f e c to fp a r t i c l e s t h e nt h i sr e l a t i o n s h i pw a sp r o v e db ym a r s hf l u i d i t ya n dv i b r a t i n gt a b l e m e t h o di ne x p e r i m e n t f i n a l l y , w es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h el i m e s t o n ep o w d e ro nt h e p e r f o r m a n c eo fm o r t a r , a n ds e l e c t e dt h eb e s tk i n d so fp o w d e ra st h en e wa d d i t i v eb y c o m p a r i n gt h ep r o d u c i n gp r o c e s s ，f i l l i n ge f f e c ta n dt h ei n f l u e n c eo nm o r t a rp e r f o r m a n c e b e c a u s eo f t h ei n e r tp r o p e r t yo f t h el i m e s t o n ep o w d e r , t h ei d e ao f u s i n gl i m e s t o n ep o w d e r a d d m v e o n l ya n di n c r e a s i n gt h ec e m e n tq u a n t l t yw a su s e di nt h ec o n c r e t em i xp r o p o m o n i n e x p e r i m e n t s ，f o u rm i xs c h e m e so fa d d i t i v e sa r ec h o o s e dw h i e hw e r el i m e s t o n ef i n e s ，f l ya s h , m i x t u r eo ft h el i m e s t o n ep o w d e ra n df l ya s h ，m i x t u r eo ft h el i m e s t o n ep o w d e ra n d g r o u n d - g r a n u l a t e db l a s t - f u r n a c es l a g t h er e s e a r c hi st or e v e a lt h ei n f l u e n c eo ft h el i m e s t o n e p o w d e ro nw a t e rd e m a n d ，w o r k a b i l i t y , s t r e n g t l l , d r ys h r i n k a g ea n dd u r a b i l i t yo fr o l l e r c o m p a c t e dc o n c r e t e 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a ta l lt h ep e r f o r m a n c e so ft h ec o n c r e t ew i t hl i n e s t o n e p o w d e ra r es a t i s f a c t o r ya n dm e e tt h ed e s i g nr e q u e s t ，b u tt h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e s a sf o r c o n c r e t ep e r m e a b i l i t y , t h ep o r e - s t r u c t u r eo ft h em o r t a rw i t hl i m e s t o n ep o w d e rw a sr e s e a r c h e d b ym e r c u r yi n t r u s i o nm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tt h en u m b e ro f t h eb e n e f i c i a lp o r e si sl e s s t h a no t h e ra d d i t i v e s ，e s p e c i a l l yt h eq u a n t i t yo ft h ep o r e sw i t had i a m e t e rl e s st h a n2 0 r m a b u t t h en u m b e ro ft h eh a r m f u lp o r e si sn o tm o r e t h a tm a k et h ec o n c r e t ew i t hl i m e s t o n ep o w d e r h a v ea s a t i s f a c t o r yi m p e r m e a b i l i t y t h ei n v e s t i g a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a tt h er o l l e r - c o m p a c t e dc o n c r e t em i xw i t hl i m e s t o n e p o w d e rs u b s t i t u t i n gf l ya s hc a nb eu s e di ns o m ep a r t so f r c cd a m k e y w o r d s ：l i m e s t o n ep o w d e r , g r a i n - s i z ed i s t r i b u t i o n ，f i l l i n ge f f e c t ，l i n e s t o n ep o w d e ra d d i t i v e ， r o l l e r - c o m p a c t e dc o n c r e t e 中国水利水电科学研究院学位论文 1 1 前言 第一章绪论 碾压混凝土是用振动碾压实的干硬性混凝土，称为r o l l e r - c o m p a c t e dc o n c r e t e ，缩写 为r c c 。与常态混凝土( c v c ) 相比，碾压混凝土有其独特性，压实硬化前呈松散状，性 能完全不同于常态混凝土，硬化后与常态混凝土性能非常相近。它是将土石方施工机械 容量大、速度快、大面积作业的优点和混凝土强度高、耐久性好的特点融为一体，从而 达到技术可靠，快速经济施工的目的【3 2 2 1 。碾压混凝土从上世纪7 0 年代诞生，主要用 于大坝工程和公路工程【3 】。截至到2 0 0 1 年1 2 月，世界范围内已建成碾压混凝土坝( 坝 高大于1 5 m ) 2 3 2 座，3 1 座在建，分布在3 7 个国家1 1 1 。到2 0 0 3 年，中国己建成碾压混 凝土坝4 6 座，碾压混凝土用量超过1 5 0 0 万m 3 【2 i 。公路建设中，碾压混凝土在欧美一 些发达国家应用广泛，并且提出相应的设计施工方法【钇“。在我国，碾压混凝土筑路技 术也有所发展，并提出了“上湿下干”复合型路面的设计思想p 】。 一 作为胶凝材料的一部分，矿物掺合料在混凝土中起着重要的作用，较为公认的作用 主要包括以下几方面：减少水泥用星，降低混凝土绝热温升；改善工作性，减少骨 料分离；填充骨料空隙，提高密实度；发挥二次水化作用，提高混凝土后期强度； 提高耐久性等。常用的掺合料主要包括粉煤灰( f l ya s h ) 、火山灰( p o z z o l a n ) 、粒化高炉 矿渣( g r o u n d g r a n u h t e db l a s t - f u r n a c es l a g ) 、磨细石粉( f i l l e r f i n e s ) 等，表1 1 列出世界范围内 碾压混凝土常用掺合料的应用状况。 表1 - 1r c c 中各种胶凝材料使用状况 l 水泥+ 低 水泥+ 高 水泥+混合水泥+ 天水泥+ 人波特兰 朱知 l 钙粉煤灰 钙粉煤灰 矿渣掺合料然火山灰i = 火山灰水泥 6 5 0 1 1 4 6 2 7 1 2 9 1 5 1 0 3 1 9 分析几个碾压混凝土技术较为成熟的国家( 中国、美国、日本、西班牙) 可知：碾压 混凝土中平均水泥用量大致相当，基本上在7 5 8 5 k g m 3 的范围内1 2 2 i ，胶凝材料用量的 差异主要由掺合料的掺量不同所致僻l 。在我国，碾压混凝土一个显著特点就是矿物掺合 料大量取代水泥，在配合比设计中一直都注重高粉煤灰掺量低水泥用量的配合比设计思 路。随着我国基础设施建设的不断扩张，粉煤灰需求量日益增大，一些地区出现严重缺 乏的状况，尤其是一些水力资源充沛而经济欠发达的地区，如西南地区。要想开发该地 区的水电资源修建碾压混凝土坝，粉煤灰替代产品的研制尤为重要。石灰石在我国分布 广泛，石灰石粉易于粉磨，制备简单经济。本文主要研究石灰石粉掺合料和石灰石粉复 合掺合料对水工碾压混凝土性能的影响，并为工程应用提供科学的依据和基础。 中国水利水电科学研究院学位论文 1 2 掺合料对水工碾压混凝土的重要意义 1 2 1 碾压混凝土的发展状况以及存在的问题 自从1 9 8 2 年第一座全碾压混凝土坝( w i l l o wc r e e kd a m 美国) 的建成【3 1 ，至今2 0 几年间，碾压混凝土筑坝技术得到迅猛发展。 表1 - 2 世界已建和在建的碾压混凝土坝( 截止到2 0 0 1 年1 2 月) ”i 已 在 总 亡三在 总 已在 总 国家国家 国家 建建 和 建 建 和 建建 和 i f州夹洲e 洲 南非 1 3l1 4美国3 523 7中国 4 1 95 0 摩洛哥 9ll o 巴西 2 702 7 日本 3 944 2 安昌 拉 1o1 墨西哥 6o6 泰国 123 布基纳法索1 ol 加拿大 2o2 土耳其 112 厄立特里哑 lo1 洪都拉斯 202印尼 1o l 阿尔及利亚 1ol 哥伦比亚 1l2 哈萨克 1 0 l 突尼斯1 01 智利 1 l 2 占尔吉斯斯坦 10 总和 2 722 9 阿根廷 1ol 约旦 123 欧州多米尼加 10l 伊朗 1ol 西班牙 2 1l 2 2 法属卡旺那 1 01印度 0ll 法国606玻利维亚011 俄罗斯 0 1 l 希腊303总和 7 7 58 2缅甸 0ll 罗马尼亚 202 总和 8 72 l 1 0 8 a i tf ，可 意大利 0ll 葡笱牙 011 澳大利 9 o 9 总和 总和3总和o 9 表1 2 列出截至到年1 2 月世界范围内已建和在建的碾压混凝土坝【1 j ，分析可 知，碾压混凝土坝分布在世界各个地区即各种气候条件下。截止到年，中国建成 碾压混凝土坝4 6 座，围堰超过2 0 座，碾压混凝土用量超过1 5 0 0 万j 1 2 。 随着碾压混凝土筑坝技术的不断发展，国内外修建了一些商碾压混凝土重力坝及拱 坝，如哥伦比亚的i 坝( 坝高，碾压混凝土用量力3 ) j 、智利的 坝( 坝高 碾压混凝土用量万 ) 、沙牌拱坝( 坝高 ，碾压混凝土用量 3 4 8 6 万3 ) 。在建的龙滩碾压混凝土坝，规模仅次于三峡，是目 ； 世界上最高的碾压 混凝土坝，设计最大坝高 ，一期坝高，大坝混凝土万3 ，其中碾压 混凝土万3 ，占6 5 8 7 2 l 。在大批高坝的成功建设中，变态混凝土的提出与应用， 成功解决了常态与碾压混凝土混合使用所带来的一系列不便：斜层平铺浇筑法以及刷毛 2 中国水利水电科学研究院学位论文 铺设垫层的施工方法有效的改善了碾压混凝土的层间结合，解决了碾压混凝土坝的一个 薄弱环节【2 2 1 。 相对于常态混凝土，碾压混凝土的使用年限还很短，技术尚未完全成熟，耐久性方 面还得不到实际观测数据论证，部分基础理论研究仍不够明确，筑坝材料方面也存在一 系列难题【2 1 “1 。 何种碾压混凝土配合比更适于大坝施工? 碾压混凝土坝的防渗、层间结合、坝体分缝问题等如何解决? 如何考虑砂率? 如何考虑碾压混凝土中浆体含量? 为什么要匿视碾压混凝土中r c c 、b c r ( 法国的b a c a r a ) 、富胶混凝土、贫胶 混凝土和r c d 之间的细微差别【6 4 l ? 在无活性掺合料的地区或国家如何配制碾压混凝土? 真正具有活性的掺合料有多少? 也就是说，掺合料在水泥水化反应后参与二次 反应的能力如何? 是否大部分掺合料在混凝土中仅仅充当了“填料”? 当选用优质的火山灰水泥时，在活性掺合料存在的情况下，如何使水泥中的掺 合料充分参与反应? 国内一些工程中碾压混凝土掺合料的应用状况如表1 3 所示，除了用量大之外，另 外一个显著特点是过分依赖粉煤灰，从我就本论文作的调研来看目前只有大朝山大坝采 用了矿渣和凝灰岩复合而成的复合掺合料。 坝名类型坝高( m ) 水泥( k g )掺合料t k g )掺合料用量卣分比( ) 6 0l o o6 2 5 水口 重力坝 1 0 1 6 51 0 56 1 8 岩潍 重力坝 1 l o5 51 0 46 5 4 6 4 9 66 0 0 江垭 重力坝 1 3 1 8 71 0 7 5 5 2 6 59 55 9 4 棉花滩 重力坝 1 1 l5 58 56 0 7 8 51 1 55 7 5 1 0 87 2 4 0 0 沙牌 拱坝 1 3 2 8 98 95 0 0 6 89 65 8 5 大朝山重力坝 l l l 1 1 01 0 04 7 6 9 01 1 05 5 o 龙滩 重力坝 1 9 2 9 06 0 4 0 0 在我国西南地区，粉煤灰产量较低，而可开发水电资源丰富，水利枢纽工程建设比 3 中国水利水电科学研究院学位论文 较集中，对粉煤灰的需求量很大。因此，往往会出现粉煤灰紧缺，甚至工程附近根本没 有粉煤灰的情况，为了满足碾压混凝土技术上的要求，不得不从很远的地区进行运输， 或者使用其它掺合料代替粉煤灰。云南西部山区的大朝山大坝碾压混凝土采用新型p t 掺合料替代粉煤灰，即磷矿渣和凝灰岩混磨而成的复合掺合料【2 “6 5 1 。凝灰岩作为一种火 山灰质材料，与磷矿渣混磨后，可实现利弊互补，从而使p t 掺合料达到与粉煤灰几乎 同等的性能【2 7 6 5 1 。然而凝灰岩同样缺乏普遍性，用其作为掺合料在一些水电站的建设中 仍然是无法实现的。设计中的澜沧江中下游的景洪水电站，坝址附近除矿渣外，可用的 掺合料只有8 0 0 k m 外的宣威级粉煤灰，运费昂贵，在经济上明显不适用。 分析国外碾压混凝土筑坝技术，同样也存在着掺合料不足的问题。可见，掺合料已 成为制约碾压混凝土应用的一个关键因素。为进一步推广碾压混凝土的应用，有必要开 发新型普通掺合料。 1 2 2 水工混凝土掺合料的发展现状 1 2 2 i 掺合料的定义及几种提法 由于种种原因，在历史上，甚至在现在， 矿物外加剂( m i n e r a la d m i x t u r e s ) ! 引1 ， 说法： 掺合料具有不同的名称。例如：” 盛行于美国，也是当今世界上最为普遍的 掺合料( 或掺合材、外掺料) ( a d d i t i v 皓o ra d d i t i o n s ) 或矿物掺合料( 或矿物掺 $ ：1 ) ( m i n e r a la d d i t i v e so l - m i n e r a la d d i t i o n s ) ，这些是我国通常的说法； 混合材( b l e n d i n gc o m p o n e n t s ，b l e n d i n gm a t e r i a l s ，b l e n d e dm a t e r i a l se t e ) l 6 h ： 火山灰材料( p o z z o l a n i em a t e r i a l s ，p o z z o l a n so rp o z z o l a n a s ) 或火山灰掺合料 ( p o z z o l a n i ea d d i t i o n s ) “i 辅助胶凝材料( s u p p l e m e n t a r yc e m e n t i n gm a t e r i a l s ) ，盛行于加拿大 6 0 l ； 水泥替代材料( c e m e n tr e p l a e e m e mm a t e r i a l s ) 口8 l ； 填料( f i l l e r ) t 1 9 3 9 i 。 仅从掺合料种类和多个名称来看，要给它下一个确切的定义确实有一定难度。一般 意义上，混凝土掺合料的定义可以概括为：在拌和混凝土时加入，用于改善混凝土某些 性能且掺量较大( 一般为水泥质量的5 以上) 、影响到混凝土配合比的粉状矿物材料。 以上概念不尽相同，但其所指却都是粉煤灰、矿渣、天然火山灰、硅灰、稻壳灰、 石粉等这一类在水泥或混凝土中使用的材料。为论述方便起见，同时与我国大多数学者 的提法保持一致，本文一律称为掺合料( a d d i t i v e s ) 。本文所研究的是石灰石粉，简称为 石粉，同时称其为掺合料或惰性掺合料。 4 1i、 中国水利水电科学研究院学位论文 1 2 2 2 掺合料的分类 常见的掺合料有硅灰、矿渣、粉煤灰、火山灰质材料、稻壳灰、沸石粉等，应用时 可以作为水泥的混合材在粉磨水泥时掺入，也可以在拌制混凝土时加入。根据掺合料是 否参与水化反应，一般将其分为活性掺和料和非活性掺和料两类1 1 6 1 。活性掺合料主要是 s i o 、a 1 o 、c a - o 组成的一些热力学不稳定结构体一玻璃体，常见的活性掺合料按 其特征又可分为三种：粒化高炉矿渣、火山灰质材料和粉煤灰。粒化高炉矿渣是在高 炉熔炼生铁时，熔剂( 石灰石) 和铁矿石中的杂质在1 4 0 0 1 5 0 0 高温下形成的熔融渣， 经过急冷处理形成玻璃体结构。美国a c i 对火山灰质材料的定义为【5 9 1 ：硅质或铝硅 玻璃质材料，本身具有较弱或没有胶凝性，但在充分磨细和有水分存在的条件下，在常 温下可与c a ( o h ) 2 发生化学反应，形成具有胶凝性的混合物，按其组分又可以分为：含 水硅酸质、铝硅玻璃质和烧粘上质三类。含水硅酸质包括：硅藻土、硅藻石、蛋白石及 硅质渣等；铝硅玻璃质包括火山灰，凝灰岩、浮石、液态渣等：烧粘土类包括烧黏土、 烧煤矸石粉、煅烧页岩灰等【8 ，1 6 4 2 1 。粉煤灰又称为飞灰，是燃煤电厂从烟道中收集的 一种工业废渣，或磨成一定细度的煤粉在煤粉炉中燃烧后，由吸尘器收集的细粉，由于 粉煤灰也为铝硅玻璃质材料，有些分类方法将粉煤灰归为火山灰质材料i ”，但粉煤灰与 其他火山灰质材料相比，有许多自身特点，在此将其单独列出。非活性掺合料在国外也 称为填料1 1 93 9 1 ，凡是不具有活性或活性甚低的人工或天然细粉料( 粒径0 0 7 5 m m ) ， 如磨细石英岩粉、磨细石灰岩粉、以及不符合技术要求的磨细粒化高炉矿渣和火山灰质 粉料 5 j 。随着掺合料需求量的不断增大，在具体工程中，往往会出现一种掺合料储存量 不足的情况，因此出现了复合掺合料。具体复合方案可以是两种掺合料的复合，也可以 是多种掺合料的复合：可以是活性掺合料之间的复合，也可以是活性与惰性掺合料间的 复合。多元胶凝材料的提出【7 l ，从理论上分析了复合掺合料的优越性，为复合掺合料的 研究与应用提供了理论依据。 1 2 2 3 国内外现行混凝土掺和料的标准及试验规范 在大量研究及应用的基础上，各国相继出台了有关掺合料的一系列标准，部分统计 结果如表1 4 所示。 对石粉粒径大小的定义，国内外存在明显的差异。国内定义粒径d 0 1 6 m m 的颗粒 为石粉，在国外，粒径d 0 0 7 5 r a m ( 2 0 0 # 筛) 的颗粒称为石粉或细料( f i n e s ) ，在有些 国家也称为填料( f i l l e r ) ，如巴西、约旦等国，可以看出国外对石粉细度的要求更高。 在碾压混凝土的应用中，对石粉用：最的界定也不同。国外一般定义石粉为填料，用曩计 算公式为： 5 中国水利水电科学研究院学位论文 填擀鄙户絮嵩簪- 蝴。 在美国，用量取决于填料的塑性指数( a s t md 4 3 1 8 ) 如果为非塑性，含量可达1 0 ( 按 骨料总量计) 1 1 3 1 。国内将石粉划分为细骨科的一部分，用量计算公式为： 石粉搁) = 塑铲皂l 毗。口少，甚嚏 我国规范d l t 5 1 1 2 2 0 0 0 水工碾压混凝土施工规范规定细骨料中石粉含量为1 0 2 2 ( 按砂量计) 。 标准号 国家或组织标准内容年代 s t a n d a r dt e s tm e t h o d sf o rs a m p l i n ga n d as j n v i c u s a ：a s t m t e s t i n gf l ya s h0 1 n a t u r a lp o z z o l a n s f o r2 0 0 4 3 1 1 2 0 0 4 u i np o r t l a n d - c e m e n tc o n e r e t e s t a n d a r ds p e e x f i c a t i o nf o rc o a lf l ya s ha n d a 8 t m c u s a ：a s t m r a wo rc a l c m e dn a t l l l a lp o z z o l a nf o ru 辩2 0 0 5 6 1 8 2 0 0 5 mc o n c r e t o s t a n d a r d s p e c i f i c a u o n f o rg r o u n d a s t m c u s a ：a s t mg r a n u l a t e db l a s t - f u m a e es l a gf o ru s em 2 0 0 5 9 8 9 2 0 0 5 c o n e r o t ea n dm o r t a r s s u p p l e m e n t a r yc e m e n u t i o u sm a t e r i a l sf o r a s2 5 8 2 1 9 9 8a u s t r a l i a ：a su s ew i t hp o r t l a n da n db l e n d e dc e n l e i l t - - 1 9 9 8 p a r ti ：f l y a s h g b 厂r 2 8 4 7 2 0 0 5 中国用于水泥中的火山灰质混合材料 2 0 0 5 g b 2 0 3 1 9 9 4中国用f 水泥中的粒化高炉矿渣 1 9 9 4 g b 厂r 1 8 0 , 1 6 2 0 0 0 中国用f 水泥和混凝士中的粒化高炉矿渣 2 0 0 0 g b t 1 5 9 6 2 0 0 5中国用f 水泥和混凝_ 十中的粉煤灰 2 0 0 5 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及 g b l 3 4 4 1 9 9 9 中国 1 9 9 9 粉煤灰硅酸盐水泥 d u t 5 0 5 5 1 9 9 6中国水i ：混凝_ 十掺蹦粉煤灰技术规范 1 9 9 6 在国内，只有少数学者认为，粒径o 0 7 5 m m 的石粉可当作混凝土掺合料，并且在 这一方面的研究也很少，因此，目前没有相应的标准，在实际工程中，只是对石粉含量 和细度作一些要求。 目前国内还没有提出复合掺合料的相应标准规范，一般都足将复合掺合料的各组分 按照各自的标准加以控制，国内复合掺合料的研究和应用也只是处于起步阶段，在大朝 山水电站工程中，对磷矿渣和凝灰岩复合掺合料的研究，其质星控制指标主要有：比重、 细度、需水量比、强度比、s 0 3 含量、烧失量和含水量等1 2 7 “5 1 ，基本按照国内粉煤灰的 质量控制参数加以控制。 6 中困水利水电科学研究院学位论文 1 2 2 4 掺合料对混凝土性能的影响 通过使用矿物掺合料，混凝土很多性能都有所改善：主要包括用水量、工作性、绝 热温升、水泥水化程度、混凝土强度、抗渗性、碱骨料反应、抗硫酸盐侵蚀等。国内外 对矿物掺合料的作用机理有较为统一的认识，即三种效应：形态效应，可以改善拌和 料的工作性；微集料效应，即对混凝土中水泥粉体的填充效应；活性效应，参与水 化反应，提高混凝土强度。与早期的水泥相比，随着水泥细度的增加，c 3 s 含量的增加， 现代水泥的前期水化更加充分。对于水工混凝土，水泥前期水化过快，水化热过于集中， 无疑是影响混凝土开裂的最大隐患。随着耐久性越来越受到关注，人们对此提出了更高 的要求，而掺加矿物掺合料是减少大体积混凝土温度裂缝的一个有效措施。 表1 - 5 掺合料对混凝土性能的影响 混凝_ 十性能影响作用参考文献 优质的粉煤灰和矿渣在同样稠度条件f 降低混凝士用水黾 用水量 超细石灰石粉会增大混凝土用水量 【1 4 1 5 1 1 9 】 火山灰、稻壳灰、硅灰会提高混凝_ 十用水量 【2 4 1 1 5 】 粉煤灰和矿渣町以改善混凝士_ 作性 【1 4 1 5 1 1 9 】 1 = 作性 幺武岩石粉可提高r c c 的粘聚力，提高r c c 的蠼性【2 4 1 1 8 1 1 1 9 1 掺合料分散水泥粒f 提高水泥水化捍度 水泥水化 等质鼍取代水泥，减少水泥水化热，不同掺合料水化速度 【5 1 1 5 】【2 5 1 不同 粉煤灰发生- 二次水化，提高混凝_ 十后期强度 【1 4 1 1 5 1 1 9 】 强度 凝灰岩、矿渣复合掺合料提高混凝士后期强度 2 7 1 2 6 1 粉煤灰降低混凝土于缩 体积稳定性 2 4 】 掺加超细石粉的混凝十具有体积微膨| 长趋势。 掺合料减少混凝士温度裂缝，提高混凝土的密实性，提高 抗渗性 活性掺合料火山灰反应降低混凝士中c a ( o h h 含鼍，从而提 1 4 1 1 5 9 】 耐久性 高混凝士抗化学侵蚀能力；混凝土抗渗性的提高有利f 抗【5 1 5 【1 9 】 化学侵蚀 玄武岩石粉可以减小混凝士碱骨科反应 随着掺合料掺鞋的不断增加，以及惰性掺合料的应用，应 配合比 将掺合料作为混凝_ 十的一个新组分进行配合比设计，而实【1 5 】 际i ：程中一般采取等质鼍取代水泥的配合比设计方法 1 2 2 5 掺合料的研究与应用现状 现代意义的掺合料的兴起足从工业副产品在水泥混凝士中的应用逐渐开始的。上世 纪3 0 年代，美国学者戴维斯等最早研究粉煤灰的活性1 埔l ，4 0 年代末5 0 年代仞，在荚 国蒙大拿州的饿马坝( h u n g r yh o r s ed a m ) 建设中第一次在混凝土中大规模掺用了粉煤 灰呻1 ，在当时，人们已经注意到掺加粉煤灰替代部分水泥能够降低混凝土的绝热温升。 7 中国水利水电科学研究院学位论文 我国在上世纪5 0 年代开始研究粉煤灰掺合料炉1 ，首次在混凝土中大规模应用是在 1 9 6 0 年建成的三门峡大坝混凝土中，并且收到良好的技术和经济效果【6 】。火山灰质掺合 料凝灰岩，在1 9 9 5 年建成的漫湾大坝混凝土中得到成功应用。我国水泥行业近5 0 年来 一直用矿渣作混合材，生产多品种硅酸盐水泥，尤其是矿渣硅酸盐水泥。矿渣直接用作 混凝土掺合料在实际工程中的应用是在大朝山大坝混凝土中，磷矿渣和凝厌岩复合掺合 料的成功应用为矿渣直接用作混凝土掺合料的研究与应用提供了宝贵的经验，同时也为 复合掺合料的应用开辟了先河。 在法国，碾压混凝土大坝不采用含有波特兰水泥的胶凝材料，而是选用粒化高炉矿 渣和粉煤灰作为胶凝材料【2 2 ，6 0 l 。用量一股控制在9 0 1 3 0 k g m 3 ，如l e so l i v e t t e s 坝、 c h o l d o e o g a g n a 坝、s e p 坝，但这些坝的坝高都小于5 0 m t 2 1 。 有关掺合料的品种与资源状况大致可以归纳为表1 - 6 t 6 0 l 。从表1 - 6 可见，掺合料的发 展已具备一定的规模，但有限的储存量与不均匀的地区分布仍不容忽视。随着我国水电 资源的大力开发，掺合料作为水工大体积混凝土必不可少的一部分需求量急剧增加。在 这种情况下，如何做到充分利用现有掺合料，开发分布广泛，经济实用的新型普通掺合 料具有现实意义。 表l - 6 掺合料的分类、品种与资源状况【删 世界产( 储) 量中国产( 储) 鼍中国产( 储) 鬣 分类品名 ( 卣万吨)( 百万吨) 比 工农业副 粉煤灰 5 0 01 5 03 0 磨细矿渣 4 0 08 02 0 产品 稻壳灰 1 6 553 0 大然火山灰 沸l i 粉 巨大巨大 火山灰质 火山凝灰岩少量 页岩类 惰性填料石灰石粉巨大巨大 2 0 0 5 全国水泥熟料年产量l o 6 4 亿吨【6 7 1 ，按照1 5 活性掺合料的掺量掺加，现有掺 合料的产( 储) 量还远远不够，再加上掺合料地域分布不均，因此，急需解决这种供需矛 盾。 1 3 研究课题的提出 1 3 1 石粉用作复合掺合料组分的提出 由于掺合料掺量的不断增大，人们开始考虑：在碾压混凝土中，真正起到活性作用 的掺合料有多少，也就是说，掺合料在水泥水化反应中参与反应的能力如何? 是否大部 8 中国水利水电科学研究院学位论文 分掺合料仅仅充当了“填料”? 从而引出了惰性掺合料，也就是填料。填料作为大坝混凝 土掺合料的研究及应用，最早体现在1 9 8 9 1 9 9 2 年建成的c a p a n d a 坝( 碾压混凝土重力 坝，安哥拉) ，为了保证混凝土有足够的浆体粘聚力，同时优化骨料级配，提高新拌混 凝土的工作性，采用石粉作为矿物掺合料。大坝内部混凝土采用水泥用量7 0 k 咖3 ，石 粉用量l o o k g ，m 3 。同样在其它一些国家，为了减少水工混凝土的温度裂缝，降低成本， 采用降低水泥用量，不掺或少掺活性掺合料，大量掺加石粉，确保混凝土具有足够的浆 体含量和良好的工作性，如阿根廷的u r u g u a - i 坝，哥伦比亚的m i di 坝，约旦的m u j i b 坝， 巴西的j o r d , a o 坝和s a l t oc a x i a s 坝。 坝高1 8 8 m 的m i e li 碾压混凝土重力坝( 哥伦比亚) i n j ，在坝址附近活性掺合料严 重匮乏，为了能够顺利建坝，采用适当提高水泥用量的方法( 水泥用量8 5 1 6 0 k g m 3 ) ， 同时大量掺加石粉( o 0 7 5 m m ) ，石粉含量8 ( 相对于所有骨料) ，所有细集料的含 量为1 3 ( o 0 7 5 m m 包括水泥) ，可见单方混凝土中石粉的用量应该在1 4 0 k g 左右。 应用如此高的石粉含量，主要出于两个目的，一部分石粉代砂，利用石粉代砂能够显著 优化细骨料的级配，提高碾压混凝土的可碾性和密实度；一部分起惰性掺合料的作用， 这种作用主要是通过与部分水泥混合，达到复合掺合料的性能，在实际工程的应用中表 现出很好的效果。同样，约旦的m u j i b 碾压混凝土重力坝【7 3 1 ，碾压混凝土中细料只有水 泥和石粉，水泥用量8 5 k g m 3 ，石粉用量5 6 ( 相对于所有骨料) ，碾压混凝土一年 龄期的抗压强度1 3 m p a ，抗拉强度1 1 m p a ，劈裂抗拉强度2 1 m p a ，振实容重2 5 4 0 k g m 3 ， 各项指标均达到了设计要求。 如前所述，我国西南地区经济相对落后而水电资源储备丰富，开发该地区的水电资 源大批水电站亟待修建。为了推广碾压混凝土在该地区的应用，解决掺合料的问题是前 提，因此，提出了石灰石粉用作水工碾压混凝土掺合料的研究课题。石灰岩在我国分布 广泛，并且只需要机械破碎，一些人工骨料的破碎过程中会产生大量的石粉。在复合掺 合料中，石灰石粉作为惰性组分充分发挥其填充效应，另外一种或几种活性组分，通过 石粉的分散作用，充分发挥其活性效应，保证掺合料具肓足够的活性。 借鉴国外一些成功经验，把握国内研究的空缺。本文主要根据石粉基本特性选择最 优石粉，利用最优石粉分别与水泥( 单掺石粉，适当提高混凝土中水泥用量) 、粉煤灰、 矿渣混合形成复合掺合料，运用对比试验研究石粉掺合料对碾压混凝土性能的影响。 1 3 2 课题研究的目的及意义 从上面的论述可以看出，开发新型掺合料， 弥补掺合料总量不足，缓解供需矛盾。 靠，将从根本上解决掺合料不足的问题； 9 具有以下意义： 如果新型掺合料资源丰富，且技术上可 中国水利水电科学研究院学位论文 寻找价格便宜， 中一柱擎天的局面； 实现就地取材， 向前发展。 资源 富的掺合料，将改变粉煤灰掺合料在水工大体积混凝土 充分利用当地资源，保证地域环境可持续发展，推动水利工程 综上所述，研究开发廉价普通掺合料，具有重要的理论和现实意义。基于此，选择“石 灰石粉用作水工碾压混凝土掺合料的研究”作为硕士论文的课题研究内容，确定了如下 预期目标： 从技术上满足水工碾压混凝土掺合料的要求，使掺石粉掺合料碾压混凝土的各 项性能指标达到工程技术要求； 成本低廉，远远低于矿渣、粉煤灰等常规掺合料； 原料来源丰富，大大超过r c c 的其他掺合料，如粉煤灰、矿渣、凝灰岩等。 为了能更普遍地解决粉煤灰匮乏地区的掺合料问题，推动复合掺合料的研究应用， 有必要确定惰性组分的一系列应用参数，如惰性掺合料的粒度分布，怎样才能实现微集 料的紧密堆积效应，怎样才能使得活性掺合料充分发生二次水化。为复合掺合料的应用 提供科学依据。 1 3 3 课题研究的技术路线 了解碾压混凝土的发展现状及存在的问题，分析国内外混凝土掺合料、复合掺合料 的应用现状、主要参考标准及试验规范，明确复合掺合料中的活性和惰性组分，以及不 同组