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1、摘 要 碾压混凝土自身特点是掺合料大，水泥用量低，浇筑方法采用碾压，这是碾压混凝土与常态混凝土的最大区别。碾压混凝土掺合料一般占胶凝材料的比例高达50%70%。在碾压混凝土中掺用大量的掺合料，一是利用了当地材料，绿色环保、经济节约，变废为宝；二是极大的改善了碾压混凝土性能和施工方法。掺合料(粉煤灰、磷矿渣、凝灰岩、铁矿渣、石粉等)最大贡献是提高了碾压混凝土浆砂比，改善了碾压混凝土拌和物可碾性和层间结合，有效的降低了混凝土温升和温度应力，为碾压混凝土筑坝通仓薄层浇筑，简化施工工艺，加快施工进度提供了强有力的保证。通过碾压混凝土掺合料性能研究与应用，是我们对掺合料的品质、特性、掺量、应用等性能有了
2、更系统全面的认识，为掺合料在碾压混凝土中的应用提供了科学的依据和更加广阔的前景，使碾压混凝土快速筑坝技术的优势和特点得到更加充分的发挥。关键词碾压混凝土 掺合料 粉煤灰 磷矿渣 铁矿渣 凝灰岩 浆砂比 可碾性 1. 前言1.1 碾压混凝土掺合料应用情况我国自1986年建成第一座坑口碾压混凝土重力坝以来，截止目前，在建、已建的碾压混凝土坝(包括围堰等临时工程)已达150座之多，特别是近十年来碾压混凝土筑坝技术在我国越来越成熟，具世界首位，世界公认，中国是碾压混凝土筑坝技术的领先国家。目前，正在建设的高达216.5m的龙滩、200.5m的光照以及装机240万kw的金安桥等水电站工程，坝高库大，混凝
3、土量巨大，主坝采用碾压混凝土全断面筑坝技术，充分体现了我国碾压混凝土筑坝技术的更高水平。二十年来，我国的碾压混凝土筑坝技术得到了长足的发展。我国的碾压混凝土筑坝技术在设计、施工、运行等方面充分展示了中国自己的特色，大量工程实践证明，碾压混凝土筑坝技术质量可信、可靠。无论是粉煤灰高掺、石粉利用、外加剂研究、变态混凝土等以及高寒高温条件下的碾压混凝土施工，特别是碾压混凝土中掺用品种不同的掺合料(粉煤灰、磷矿渣、凝灰岩、铁矿渣、辉绿岩、石灰石等微粉)，形成了中国自己碾压混凝土筑坝的技术特点，使碾压混凝土筑坝技术日趋成熟。随着先进的设计理念，深入的试验研究和大量的碾压混凝土坝施工实践，我国的碾压混凝土
4、配合比设计采用高掺掺合材，低水泥用量，中胶凝材料，高石粉含量，缓凝减水剂，低VC值的技术路线，改善了碾压混凝土拌和物性能，使碾压混凝土的可碾性、液化泛浆、层间结合、密实性、抗渗性能等整体性方面得到了极大的提高。在碾压混凝土掺合料性能研究与应用方面，粉煤灰作为掺合料始终占主导地位，所以粉煤灰在碾压混凝土中的作用机理研究是深化的，应用是成熟的。石粉(小于0.016mm)作为掺合料在碾压混凝土中的作用越来越受到人们的重视，现在石粉已成为碾压混凝土不可缺少的组成部分，人工砂中石粉含量的高低直接影响碾压混凝土拌和物性能。在普定、汾河二库、江垭、大朝山、棉花滩、蔺河口、沙牌、百色、索风营、龙滩等碾压混凝土
5、坝中对石粉含量的认识人们也越来越清楚，石粉含量为18%左右时，碾压混凝土拌合物性能明显改善。特别是近十年来人工砂采用干法生产，比如棉花滩、蔺河口、百色等工程采用干法制砂，有效的提高了石粉含量，研究结果表明，石粉含量可以进一步提高到22%，甚至可以突破22%上限限制。石粉中特别是小于0.08mm的微石粉在碾压混凝土中的作用十分显著，工程实践证明，小于0.08mm的微石粉已成为碾压混凝土掺合料的重要组成部分。虽然我国具有丰富的粉煤灰资源优势，但由于地域辽阔，粉煤灰资源的分布极不平衡。比如云南的大朝山、景洪、居浦渡、戈兰滩、金安桥等碾压混凝土坝工程，由于所需粉煤灰距离产地太远，使用很不经济。加之近年
6、来水电站工程大量开工，导致了粉煤灰货源紧缺。为此本着就地取材的原则，比如大朝山工程，从九十年代初开始，科研和施工单位经过大量反复的试验研究，开发出利用磷矿渣(P)与当地的凝灰岩(T)混合磨制成新型掺合料(即PT掺合料)，其性能、掺量均与二级粉煤灰相近，使用效果也相似。这一创举拓宽了碾压混凝土掺合料的料源和对掺合料的进一步认识。目前，景洪、居浦渡(戈兰滩、土卡河)、金安桥等碾压混凝土坝采用粉煤灰与锰铁矿渣(FM)、凝灰岩与锰铁矿渣(NM)、铁矿渣与石灰岩(FS)、粉煤灰与磷矿渣(FP)等混合磨制成新型的掺合料，使用效果较好。这种新型混合掺合料在碾压混凝土中的使用效果如何与人工砂中的石粉含量高低密
7、切相关。笔者对中国九十年后期主要工程大坝内部三级配碾压混凝土掺合料应用情况进行了统计，见表1-1，统计结果分析表明，大坝内部碾压混凝土设计等级C9015MPa、C9020MPa，大部分粉煤灰掺量分别在60%65%及50%60%范围。影响粉煤灰掺量的因素主要与碾压混凝土设计指标、设计龄期、粉煤灰等级等指标有关，特别是部分工程碾压混凝土极限拉伸值、抗冻等级等设计指标与强度等级不相匹配。目前，碾压混凝土设计龄期大多采用90d(少数工程如棉花滩、双溪、百色等设计龄期采用180d)，这样制约了碾压混凝土后期强度增长的优势，相应增加了大坝的温控负担，使碾压混凝土后期强度的优势潜力未充分发挥。针对不同的掺合
8、料品质、性能、组合、掺量等对碾压混凝土性能影响，特别是对碾压混凝土拌和物性能的影响要认真深化研究，要高度重视碾压混凝土配合比设计，因为这是保证碾压混凝土筑坝质量、加快施工进度和提高效益的基础保证。表1-1 中国主要工程大坝内部三级配碾压混凝土掺合料应用情况工程名称设计等级水胶比掺合料(%)砂率(%)减水剂(%)引气剂(%)VC值(s)材料用量 (kg/m3)骨料品种建成时间(年)WCFSG岩滩C90150.57F65.434NT0.20.25FDN0.351590551047591490灰岩人工1992普定R901500.55F6534三复合0.551058454997681512灰岩人工19
9、93汾河二库R90C200.50F4535.5H2-2 0.6DH9 0.1531594103857801442灰岩人工1999江垭R901500.58F6033木钙 0.4749364967381520人工1999续表1-1 中国主要工程大坝内部三级配碾压混凝土掺合料应用情况工程名称设计等级水胶比掺合料(%)砂率(%)减水剂(%)引气剂(%)VC值(s)材料用量 (kg/m3)骨料品种建成时间(年)WCFSG棉花滩R1801500.60F6534.5BD-V 0.6388851967651459花岗岩人工2000石门子R901500.49F6430PMS 0.95NEA-0.04110846
10、21106701540卵石天然砂2000大朝山R901500.50PT6034FDN-04 0.731087671077981521玄武岩人工2001龙首C90200.48F6530NF-A0 0.9NF-F 0 .050585621156231525卵石天然砂2001沙牌C90200.50F5033TG-2 0.75TG-1 0.01289393937301470人工2002蔺河口C90200.47F6234JM-2 0.7DH9 0.023581661067501456灰岩人工2003三峡三期围堰R901500.50F5534ZB-1R 0.8AIR 2020.01158375917171
11、391花岗岩人工2003百色(准三级)C180150.60F6334ZB-1R 0.81596591018141579人工2005索风营C90150.55F6032QH-R 08DH9 0.01238886495+57021525人工在建景洪C90150.50NM6031GM26 0.5ZB-G 0.01357560907221506天然骨料在建C90150.55NF6033GM26 0.7ZB-G 0.01358864967941477人工招徕河C90200.48F5534GK-4A 0.6GK-9A 0.15357570867421464人工在建龙滩C90250.42F5332ZB-1R
12、0.8ZB-G 0.025780901007031506人工在建C90200.46F5832577871997111520C90150.50F65335780561057331500光照C90200.48F5034HLC-N 0.7HJAE 0.015358883101+377021435人工在建居甫渡C90150.50TS5534GK-4A 0.7GK-9A 0.02387567837491456人工在建金安桥C90150.55PF6036ZB-1R 0.8ZB-G 0.015388562937991420人工在建C90200.50PF6035ZB-1R 0.8ZB-G 0.01538856
13、81027711433人工注：F粉煤灰、PT磷矿渣与凝灰岩、NM凝灰岩与锰铁矿渣、NF凝灰岩与粉煤灰、PF磷矿渣与粉煤灰、TS铁矿渣与石灰岩粉。1.2掺合料研究方向由于碾压混凝土自身特点是掺合料大，水泥用量低，浇筑方法采用碾压，这是碾压混凝土与常态混凝土的最大区别。碾压混凝土自身特点主要为：水泥用量低（5090kg/m3）；掺合料掺量大（5070%）； 水化热低，温控措施简单，可以通仓薄层浇筑；坝体不分纵横缝，全断面碾压，施工简单、快速，减少模板工作量； 坝顶可以溢流、安全，投资少，技术经济效益显著。适应坝工设计主要技术要求特征，特别是对降低温度应力和简化大坝温控措施非常有利。碾压混凝土掺合料
14、一般占胶凝材料的比例高达50%70%。在碾压混凝土中掺用大量的掺合料，一是利用了当地材料，绿色环保、经济节约，变废为宝；二是极大的改善了碾压混凝土性能和施工方法。掺合料（粉煤灰、磷矿渣、凝灰岩、铁矿渣、石粉等）最大贡献是提高了碾压混凝土浆砂比，改善了碾压混凝土拌和物可碾性和层间结合，提高了抗剪强度，有效的降低了混凝土温升和温度应力，为碾压混凝土筑坝通仓薄层浇筑，简化施工工艺，加快施工进度提供了强有力的保证。已故吴中伟院士认为，绿色高性能混凝土（GHPC）是混凝土的发展方向，以后的混凝土都应成为GHPC。满足绿色混凝土的含义：（1）节约资源、能源；（2）不破坏环境，更有利于环境；（3）可持续发展
15、，既要满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需要的能力。所以碾压混凝土本身就是绿色混凝土。掺合料对碾压混凝土性能的影响主要表现：a）掺合料的微集料作用，改善拌合物的和易性，增加内聚力，减少离析；b）延缓水泥水化热温峰出现时间，降低水化热，减少大体积混凝土的温升值，与碾压混凝土强度发展规律相匹配，可以减少温度裂缝；c）有利延长碾压混凝土拌和物初凝时间，对提高可碾性、层间结合十分有利。碾压混凝土配合比设计在确定水胶比、砂率、单位用水量三大参数的前提下，选择掺合料的掺量、品种以及石粉含量等因素，在碾压混凝土配合比设计及施工中占有举足轻重的作用。材料科学是现代科学技术的重要基础，从高新产业到传统产业，
16、从航天到日常生活都离不开材料，大坝的质量，最终反映在筑坝材料上。碾压混凝土与常态混凝土在掺合料的应用上、机理上和施工方法上有很大的不同，还需要对掺合料与碾压混凝土适应性问题以及长期耐久性的影响，进行深化研究。 本文通过对“粉煤灰在碾压混凝土中研究与应用、石粉在在碾压混凝土中的研究与利用、PT掺合料在碾压混凝土中研究与应用、矿渣微粉在碾压混凝土中的试验研究”，对掺合料性能有了进一步的认识。为此，需要及时进行总结，更冷静地思考，从正反两方面进行探讨研究。通过对碾压混凝土掺合料的性能研究与应用，要始终坚持把大坝的质量安全摆在第一位的重要位置，使碾压混凝土这项筑坝技术更具生命力、更安全、更趋完美。2.
17、粉煤灰在碾压混凝土中研究与应用2.1 粉煤灰的物理化学特性2.1.1 粉煤灰的物理特性 粉煤灰作为工业废料，物理性质主要为密度、堆积密度、细度、颗粒形貌、需水量、颗粒级配(粒径分布)等。粉煤灰的物理性质与粉煤灰的化学性质、矿物组成都有很大关系。影响粉煤灰物理性质的因素也比较多，认识与了解粉煤灰的物理性质对粉煤灰在碾压混凝土应用是非常重要的，虽然对粉煤灰物理性质的研究手段可以相对比较简单，但目前对粉煤灰物理性质的系统研究结果并不多。密度。我国粉煤灰的密度范围在1.772.43 g/cm3，平均值为2.08g/cm3。粉煤灰的密度对粉煤灰质量评定和控制具有一定的意义，如果密度发生变化，在一定程度上
18、表明其质量的波动。粉煤灰用作混凝土掺合料时，粉煤灰的密度通常也是混凝土配合比设计时的参数之一。通常影响粉煤灰密度最主要的因素为CaO的含量，研究结果显示，低钙粉煤灰(CaO10%)密度通常比较低，且变化范围比较大，高钙粉煤灰(CaO10%)的密度平均要比低钙粉煤灰的密高19%左右。构成粉煤灰的一些矿物的理想密度分别为：磁铁矿4.55.1g/cm3，石英2.65g/cm3，莫来石3.03 g/cm3，碳1.22.0 g/cm3，铝硅玻璃体2.52.7 g/cm3。很显然，如果粉煤灰中铁的化合物含量比较高，粉煤灰的密度就比较大；反之如果粉煤灰的烧失量比较高，即未燃碳份比较高，粉煤灰的密度就比较低。
19、堆积密度。粉煤灰的堆积密度很大程度上与粉煤灰中的颗粒级配有关，当然与粉煤灰的密度以及与粉煤灰的颗粒形貌也有很大关系。不同粉煤灰的堆积密度差异很大。我国粉煤灰的堆积密度统计值范围在5161070 kg/m3之间。低钙粉煤灰的密度变化范围为6001000 kg/m3，压实密度为10001400 kg/m3，高钙粉煤灰的密度范围为8001200 kg/m3，压实堆积密度可达13001600 kg/m3。粉煤灰的堆积密度与粉煤灰的含水率关系也很大，随粉煤灰的含水率增加，粉煤灰堆积密度增加，但达到最大值后随含水率增加而降低。低钙粉煤灰最佳含水率为15%33%，最大压实堆积密度可达1700 kg/ m3。
20、细度。粉煤灰作为副产品所具有的利用价值，很大程度上是因为粉煤灰为很细的颗粒，具有很大的比表面积，因此细度是粉煤灰非常重要的性能指标。粉煤灰的颗粒粒径主要分布在0.5300 m的 范围内，其中玻璃微珠的粉煤灰范围在0.5100 m，但大部分在45m 。现代火电厂通常采用静电收尘方式，不同电场所收集到的粉煤灰细度差异很大。所以，细度是评定粉煤灰等级的主要指标之一。大量的试验研究分析发现，细度与粉煤灰的氧化钙含量关系比较大，高钙粉煤灰通常比较细，大部分较粗的粉煤灰石英含量比较高。根据我国国家标准用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GB1596-91)和水工混凝土掺用粉煤灰技术规程DL/T5055-1996，
21、我国粉煤灰的细度采用45m孔径的筛余量来表示。根据国内外大量试验结果，采用45m 孔径的标准筛来测定粉煤灰的细度比较合理。因此国际上大多数国家所采用的现行粉煤灰标准都采用45m 筛余百分数作为粉煤灰的细度指标。相对而言，比表面积表示粉煤灰的细度更为准确，不仅可以反映粉煤灰的细度，还可以整体上反映粉煤灰的颗粒形状，甚至还可以反映粉煤灰颗粒开放空隙的量。粉煤灰的比表面积通常采用勃氏法来测定，我国粉煤灰比表面的变化范围在8005500cm2/g，一般在16003500 cm2/g。所以掺粉煤灰对改善混凝土的和易性效果是十分显著的。通常粉煤灰越细其利用价值越高，但是采用单一的筛余量来表示粉煤灰的越细是
22、不够准确的，如果筛孔径过大，筛余量只能表示粉煤灰中粗大颗粒的量，如果筛孔径过小，筛余量只能表示粉煤灰中细小颗粒的量。采用比表面积比较准确，但测试比较复杂，且取决于所用的方法，只是相对意义比较明显。颜色。肉眼看到的粉煤灰为灰色粉末状物质。通常原状灰的颜色越浅，表明粉煤灰的烧失量越低，并且同级别煤的粉煤灰颜色越浅，还表明粉煤灰的颗粒越细，因为一般情况下细颗粒的煤粉通常燃烧比较充分，因此粉煤灰的烧失量比较低，由于粉煤灰颜色可以反映含碳量的高低，因此对于粉煤灰的质量控制和生产控制，粉煤灰的颜色受煤粉的燃烧条件影响比较大，另外还与粉煤灰的组成、含水率、细度等因素有关。一般来说，无烟煤相对烟煤其颜色就比较
23、深。颗粒形貌。观察粉煤灰的颗粒形貌就必须借助显微镜和扫描电镜以及其他手段。用扫描电镜来观察粉煤灰的颗粒形貌非常普遍，因为扫描电镜可以观察到粉煤灰的绝大部分粒径，范围为1400m。通过电镜可以观察到，小颗粒粉煤灰为表面光滑的球形颗粒，较大粒径的粉煤灰(250m)形状不规则，有些含有未完全燃烧的物质，有些为内含很多细小粉煤灰颗粒的开口球状颗粒，有些细小粉煤灰颗粒附着在大的粉煤灰颗粒表面，相当多的非球形粉煤灰颗粒可能都是未燃碳成分颗粒。 粉煤灰中的CaO的含量对粉煤灰颗粒形貌影响比较大。CaO因为降低铝硅酸盐的聚合度而影响粉煤灰的颗粒粒径。高钙矿物的熔融物有比较低的粘性，因此其溶融物能形成更小的液滴
24、然后冷却成粉煤灰颗粒，并且因为小液滴冷却速度更快使得其玻璃体的含量更高。粘性的高低同样影响粉煤灰的颗粒形状，低钙矿物因为具有更高粘性更容易引入气体而形成中空的球形结构，这也是低钙粉煤灰的密度比高钙粉煤灰低的主要原因。需水性。需水量对于粉煤灰的应用是非常重要的物理性能指标。粉煤灰的需水量，可以定义为粉煤灰和水的混合物达到某一流动度的情况下所需的水量，粉煤灰的需水量越小，粉煤灰的工程利用价值就越高。影响粉煤灰需水量的主要因素为粉煤灰的细度、颗粒形貌、颗粒级配，此外还与粉煤灰的密度、烧失量高低有很大关系。 工程应用中通常以需水量比来表示粉煤灰的需水性。如粉煤灰作为水泥混凝土掺合料，GB1596、DL
25、/5055规定级粉煤灰的需水量比不大于95%，级粉煤灰不大于105%，级粉煤灰不大于115%。 因为影响粉煤灰需水量的因素很多，不同粉煤灰的需水量差别比较大，研究发现需水量与粉煤灰烧失量、粉煤灰细度有非常明显的正比关系。此外，高钙粉煤灰的需水量要稍低于低钙粉煤灰，这可能是因为粉煤灰密度和表面形貌的差异。抗压强度比。粉煤灰作为水泥混凝土掺合料主要是利用其火山灰活性，抗压强度比可以比较准确表示粉煤灰这种性质。我国GB1596规定抗压强度比为水泥胶砂28天抗压强度比，其值为试验样品的28天抗压强度和对比样品28天抗压强度的比值，试验样品为掺有30%、细度(008mm孔径筛余)为5%7%的粉煤灰。美国
26、标准ASTM C618中抗压强度比的规定也类似于我国的GB1596，但试验样品中粉煤灰掺量不同。GB1596中对粉煤灰用作为水泥混凝土和砂浆掺合料时的抗压强度比没有提出要求，但对用于作为水泥混合材的粉煤灰抗压强度比则有要求，I级粉煤灰的抗压强度比不低于75%。吸附性能。粉煤灰是一种由硅、铝、钙、铁等元素的氧化物和一些微量元素氧化物以及未燃碳组成的颗粒，这些颗粒有些为海绵状，有些为多孔状，有些为中空的球状颗粒。由于这些颗粒都非常细，因此具有非常大的比表面积。另外，粉煤灰是由煤在非常高的温度下燃烧急冷所得到的颗粒，粉煤灰颗粒表面具有一定的活性。因此粉煤灰具有比较高的吸附性能。所以，粉煤灰用作为混凝
27、土掺合料时，这种吸附性能直接表现在影响混凝土外加剂的效果，特别是对引气剂的吸附作用明显。 粉煤灰吸附性能的研究结果显示，粉煤灰的吸附能力可达到活性炭粉末的75%以上。2.1.2粉煤灰的化学性质化学组成。粉煤灰的化学组成很大程度上取决于原煤的无机物组成和燃烧条件。根据粉煤灰中各种元素含量的差异可将粉煤灰中的元素分为主要元素和微量元素，此外粉煤灰中另一很重要的化学组成为未燃碳份，这些未燃碳份对粉煤灰的应用影响非常大。粉煤灰的70%以上通常都是由氧化硅、氧化铝和氧化铁组成，典型的粉煤灰中还有钙、镁、钛、硫、钾、硝和磷的氧化物。表2-1是1998年对我国粉煤灰主要化学元素的含量统计结果(样品数为365
28、个)。表2-1 粉煤灰主要化学元素的含量元素名称 含量范围(%) 平均值(%)O 47.83 Si 11.4 831.14 23.50 Al 6.4022.91 15.26 Fe 1.9018.51 3.84 Ca 0.3025.10 2.31 K 0.223.10 1.04 Mg 0.051.92 0.52 Ti 0.401.80 0.71 S 0.034.75 0.32 Na 0.051.40 0.31 P 0.000.90 0.04 Ci 0.000.12 0.02 其他 0.5029.12 4.30 不同地区粉煤灰的化学组成差异非常大。系统研究粉煤灰的化学组成变化对粉煤灰的利用、资源化
29、意义很大，国际上对粉煤灰化学组成变化情况的研究结果比较多。我国一些地区35家火电厂的粉煤灰的主要氧化物含量统计结果列于表2-2。表2-2 我国一些地区粉煤炭的化学组成氧化物SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO NaO K2O SO3 Loos均值(%)范围(%)50.6 27.1 7.1 2.8 1.2 0.5 1.3 0.3 8.233.959.7 16.535.1 1.519.7 0.810.4 0.71.9 0.71.9 0.21.1 9.01.1 1.223.6 烧失量。大量试验结果显示，粒径越大粉煤灰的含碳量越高，小于45m的粉煤灰颗粒中含碳量非常低。因此提高煤粉的细度可
30、以很大程度降低粉煤灰的含碳量，换句话说，粉煤灰越粗，则含碳量必然升高。火山灰活性。硅质或铝硅质材料本身不具有或只有很弱的胶凝性质，但在水存在的情况下与CaO化合将会形成水硬性固体，这种性质称为火山灰性质。因为粉煤灰的火山灰活性通常采用抗压强度比来表示，因此也有不少研究者将粉煤灰的火山灰活性划归为粉煤灰的物理性质。粉煤灰特别是低钙粉煤灰，从化学组成上看是一种比较典型的火山灰质材料，粉煤灰的很多工程应用都是建立在对粉煤灰这种潜在的火山灰性质的利用上，因此火山灰性质是粉煤灰最基本的性质。由于硅酸盐水泥水化时会产生Ca(OH)2，如果粉煤灰与硅酸盐水泥混合，粉煤灰将会与水泥水化产物Ca(OH)2进行二
31、次反应，且这种反应速度比粉煤灰一石灰混合物要快，因此采用粉煤灰代替部分水泥用于配制混凝土或水泥砂浆，然后以其抗压强度与基准混凝土或水泥砂浆的抗压强度的比值，就可以反映粉煤灰的火山灰活性高低，比值越高，即表明粉煤灰火山灰活性越高。粉煤灰中的玻璃体越多，火山灰化学反应性能越强，硬化浆体的强度也越高。粉煤灰的火山灰活性很大程度上受粉煤灰中玻璃体的类型的影响。粉煤灰中玻璃体结构非常复杂，虽然不少研究者采用先进的分析手段，但有关研究结果仍然比较少。粉煤灰与水泥的反应。粉煤灰与水泥的反应通常被描述为“与水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成CSH凝胶”，习惯上称之为“二次反应”。 粉煤灰在有水泥存在条件下的
32、反应是这样的，首先是粉煤灰颗粒表面形成一层CSH凝胶外壳(CSH凝胶为硅酸盐水泥的水化产物)，然后是粉煤灰颗粒表面的玻璃体的溶解，这种溶解的速度通常受水泥基本系统孔隙中含有高浓度碱性水化产物溶液的影响，粉煤灰再与Ca(OH)2反应形成水化产物，所产生的CSH凝胶相对素硅酸盐水泥混凝土有比较低的钙硅比，并且在CSH凝胶内连接硅酸盐四面体的网架结构也有所不同。由于火山灰反应，Ca(OH)2的含量要比素水泥混凝土要低。尽管关于粉煤灰与水泥反应的研究结果比较多，但要揭示粉煤灰与水泥之间的化学反应仍然有很多研究工作值得深入。因为不同粉煤灰之间，同种粉煤灰不同颗粒之间的差异都比较大。如果说粉煤灰与水泥存在
33、化学反应，还不如说粉煤灰与水泥之间是物理化学反应。 总的来说，粉煤灰与水泥的反应将显著影响硬化水泥浆体和混凝土的最终性质，粉煤灰的CaO含量不同，粉煤灰与水泥反应差异也比较大。低钙粉煤灰中，可与水泥反应的组分主要是玻璃体，粉煤灰颗粒中的石英、赤铁矿、磁铁矿等晶体相在水泥中是没有反应性的，而玻璃体在通常温度下与水泥反应速度也很慢(这也是掺粉煤灰混凝土早期强度偏低的主要因素)；但是在尺寸相对比较大的构件中，因为水泥水化热而有较高温度的情况下，这种水化反应将加快，程度也加大；如果在蒸汽养护或蒸压条件下，这种反应速度非常迅速。高钙粉煤灰不仅玻璃体还有一些晶体组分都有化学反应性；一些粉煤灰含有游离氧化钙
34、、硫酸钙、C3A，这些活性晶体组分的含量比较高，加水后可直接生成钙矾石、单硫型铝酸钙，甚至CSH凝胶。2.2 掺粉煤灰碾压混凝土性能研究与应用2.2.1粉煤灰在碾压混凝土中应用情况在碾压混凝土掺合料性能研究与应用方面，粉煤灰作为掺合料始终占主导地位，所以粉煤灰在碾压混凝土中的作用机理研究是较为深化的，应用是成熟的。虽然我国具有丰富的粉煤灰资源优势，但由于地域辽阔,，粉煤灰资源的分布极不平衡。1993年贵州普定工程开创了全断面碾压混凝土筑坝技术的先河，是我国应用全断面碾压混凝土筑坝技术建成的首座拱坝，坝体采用碾压混凝土自身防渗，在国内最先打破碾压混凝土筑坝技术中的“金包银”传统防渗结构习惯，是中
35、国在碾压混凝土筑坝技术上的一项重大技术创新。在坝体迎水面使用骨料最大粒径40mm的二级配碾压混凝土作为坝体防渗层，与坝体三级配碾压混凝土同时填筑，同层碾压。经坝体多年挡水运行实践证明，防渗效果不亚于常态混凝土。进入九十年代后期至今，碾压混凝土筑坝技术不断创新，趋于成熟，碾压混凝土坝基本全部采用全断面碾压混凝土施工技术，这样粉煤灰不在限于碾压混凝土坝内部大量掺用，而且防渗区同样掺用较大量的粉煤灰。中国九十年后期主要工程大坝内部三级配碾压混凝土掺用粉煤灰应用情况见前表1-1，表1-1统计表明，大坝内部设计等级C9015MPa粉煤灰掺量约在6065%范围，C9020MPa约在5060%范围，影响粉煤
36、灰掺量的主要因素是碾压混凝土设计指标、龄期、粉煤灰等级等，如极限拉伸值、抗冻等级与设计标号不相匹配，设计龄期大多采用90d(少数工程采用180d)，这样制约了粉煤灰混凝土后期强度的利用，增加了大坝的温控负担，使粉煤灰后期强度的优势潜力未完全充分发挥。2.2.2高掺粉煤灰碾压混凝土研究与应用2.2.2.1蔺河口双曲拱坝碾压混凝土我国的碾压混凝土一般都采用高掺低钙粉煤灰的形式，目前国内大部分工程三级配内部碾压混凝土中粉煤灰掺量已达65%，在个别围堰中达到了70%，但在大坝二级配防渗区仍只有50%左右。实践证明，碾压混凝土的防渗与胶凝材总量有密切关系，而与粉煤灰掺量无直接的明显的关系，因此，二级配防
37、渗区粉煤灰掺量提高到与三级配内部混凝土接近或相同的粉煤灰掺量在技术上是完全可行的。为此，蔺河口双曲拱坝全断面碾压混凝土配合比设计采用高掺粉煤灰的技术路线，一是简化温控，降低成本，充分体现碾压混凝土筑坝的技术性和经济性；二是采用低水胶比和低的值，改善了碾压混凝土拌和物施工的可碾性、液化泛浆、层间结合和抗骨料分离的能力，极大的提高了碾压混凝土可塑性、抗裂性能以及抗渗性能等。蔺河口水电站位于汉江支流岚河中游，地处陕西省岚皋县境内，为岚河流域梯级开发中的唯一控制性工程。枢纽工程主要建筑物由全断面碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪表孔、泄洪洞及引水式发电厂房等建筑物组成。最大坝高100米，坝顶弧线长311米，
38、顶宽6米，最大底宽27.2米，大坝混凝土总量为29.5万m3，采用全断面碾压混凝土施工，其中碾压混凝土为 22万m3，占混凝土总量的74%。2.2.2.2蔺河口拱坝碾压混凝土配合比设计拱坝碾压混凝土原材料。水泥：水泥为葛洲坝集团公司荆门水泥厂生产的“三峡牌”525号中热硅酸盐水泥。该水泥产品质量稳定可靠。水泥C=3190kg/m3，水化热3d为232kJ/kg，7d为277kJ/kg。化学成份中MgO含量占4.0%4.5%，平均脆性系数6.4，具有低水化热、低脆性及微膨胀性能。粉煤灰：粉煤灰为陕西渭河电厂生产，其质量达到国家级灰或准级灰标准，细度9%14%，需水量比为90%100%，F=220
39、0kg/m3。化学成份中SiO2、AL2O3、Fe2O3总含量占85%左右，活性较高。骨料：粗细骨料为灰岩人骨料，人工砂采用巴马科干法生产，FM=2.8，石粉含量1521%，S=2610kg/m3；粗骨料G=27042720kg/m3，小石、中石、大石吸水率分别为0.9%、0.5%、0.3%。外加剂：外加剂通过综合性能优选，选用缓凝高效减水剂JM-，掺量0.7%。引气剂选用DH9。碾压混凝土配合比设计。蔺河口水电站大坝碾压混凝土设计指标见表2-3。根据设计要求，大坝混凝土强度保证率P=85%，CV 值0.18，经计算碾压混凝土 R90200配制强度为24.6MPa。 表2-3 碾压混凝土设计指
40、标分区编号-1-2-1-2使用部位上游水位变化区以下上游水位变化区及以上内部高程475高程以下内部高程475高程以上主要控制指标抗渗、抗剪、极限拉伸抗渗、抗剪、极限拉伸、抗冻抗剪、极限拉伸抗剪、极限拉伸VC值(s)48484848混凝土级配二二三三密实度(%)98989898容重(kg/m3)2400240024002400设计标号R90200D50S8R90200D100S8R90200D50S6R90200D50S6极限拉伸(10-4)0.850.850.800.85抗剪强度f1.451.451.451.45c(MPa)1.651.651.651.65碾压混凝土配合比设计就是为了确定掺合料
41、(粉煤灰)掺量F/(C+F)、水胶比W/(C+F)、砂率S/(S+G)、单位用水量等参数之间的关系，达到满足碾压混凝土施工要求的可碾性、液化泛浆、层间结合、密实度以及设计要求等。水胶比与粉煤灰掺量：水胶比与粉煤灰掺量是碾压混凝土设计的两个关键参数，其取值大小及掺量决定着碾压混凝土的性能是否满足设计和施工要求以及温控和经济性。一些学者认为，目前在国内碾压混凝土方面大力推行的有两类配合比，一类是中胶材碾压混凝土，胶材用量140170kg/m3，掺和料占5060%。另一类是富胶材碾压混凝土，胶材用量180250kg/m3，掺和料占6075%。为此对上述两类配合比进行了两个方案的的参数试验。方案一、方
42、案二试验结果分别见表2-4、2-5。表2-4方案一试验结果表明，在水胶比一定的条件下，随粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度、极限拉伸值有规律的呈下降趋势。粉煤灰掺量为70%时，90d抗压强度为17.8MPa，极限拉伸值仅为0.5910-4，该掺量更适合180d设计龄期。 表2-5方案二试验结果表明，固定粉煤灰掺量为65%不变，W/(C+F)分别取值0.56、0.53、0.50、0.47、0.44进行试验。试验结果表明，随水胶比减小，混凝土的抗压强度、极限拉伸值有规律的呈上升趋势。 水胶比为0.53、0.56时，90d抗压强度、极限拉伸值达不到设计要求；W/(C+F)为0.50时，抗压强度、极限拉伸值达到或接近设计指标；W/(C+F)为0.47、0.44时，90d抗压强度、极限拉伸值均满足设计要求。通过以上两个方案配合比的试验结果分析比较，设计龄期90d 碾压混凝土，二级配防渗区与三级配内部混凝土均选定水胶比0.47,粉煤灰掺量65%。表2-4 方案一 不同粉煤灰掺量试验结果序号W/(C+F)F/(C+F)(%)骨料级配龄期强度(MPa)90
