碾压混凝土 (roller compacted concrete, RCC) 是单位体积用水量低、水泥用量少、掺配大掺量粉煤灰, 通过振动碾压施工工艺、采用维勃稠度值体现塑性的超干硬性水泥混凝土。石粉是由母岩加工机制山砂细集料中粒径<0.16mm的成分, 矿物成分和机制砂母岩矿物成分相同。石粉含量是1个单位机制砂中石粉质量与机制砂总质量的比值。石粉微粉含量是石粉中<0.08mm的成分占石粉总质量的比例, 掺配石粉工程实例统计如表1所示。碾压混凝土施工快、效益高、造价低, 水工项目建设中可减少常态混凝土用量从而节约成本, 碾压混凝土典型建设项目如表2所示。

贵州省拌制混凝土常选用石灰岩或白云岩生产粗细集料, 即机制碎石、机制山砂。针对C60及以下机制山砂普通混凝土, 贵州省已经制定地方标准, 很好地指导工程应用。贵州某水库工程采用碾压混凝土拱坝, 碾压混凝土设计参数为C9020W8F100, 水胶比0.51。为确保碾压混凝土质量、施工工作性能, 提高碾压混凝土可碾性、密实性、抗渗性、层间结合、液化泛浆整体性能, 采用大掺量外掺粉煤灰、掺缓凝剂、低VC值、合理集料级配、最优石粉含量设计碾压混凝土配合比。工程实践证明, 石粉是必不可少的成分, 机制砂石粉含量直接影响到碾压混凝土的工作性能和质量。

施工现场碾压混凝土各原材料如下:水泥选用都匀豪龙袋装水泥P·O42.5, 如表3所示。粉煤灰选用都匀电厂F类Ⅱ级, 如表4所示。外加剂选用贵阳升辉SH-200高性能减水剂, 如表5所示。水选用贵州某水库现场河流提升储存的水, 如表6所示。粗、细集料选用水库自产料场以白云岩为母岩的机制碎石、机制山砂, 如表7, 8所示。白云岩生产机制砂中石粉品质参照粉煤灰指标进行检测, 如表9所示。白云岩石粉化学成分如表10所示, 石粉矿物种类及含量如表11所示, 母岩成分碱集料检测如表12所示。

现场碾压混凝土实际施工取样后各项指标如表13~16所示。

贵州地区机制山砂细度模数为3.0~3.3, 实际工程中<0.08mm微粉颗粒含量在8%~13%, 贵州某水库自产料场<0.08mm白云岩微粉颗粒在18%~26%, 不同掺量石粉含量给碾压混凝土带来很多问题。

1) 石粉起微集料作用时, 增大粗、细集料表面积, 不改变原设计浆体用量, 需要提供水泥浆体包裹微集料表面积, 则减少包裹粗、细集料表面积的水泥浆体, 减少提供混凝土流动的水泥浆体, 降低碾压混凝土综合性能。

2) 石粉起低活性胶凝材料作用时占用单方混凝土的用水, 不改变原设计单位用水量时, 水泥基、粉煤灰基等活性成分与水的水化反应减少, 导致水化反应的时间延长, 浆体量减少, 包裹粗、细集料表面积的水泥浆体减少, 提供混合材料流动的水泥浆体减少, 降低碾压混凝土综合性能。

3) 过多石粉含量在碾压混凝土拌合振动中, 造成集料和浆体之间形成石粉浆体层, 阻碍水泥浆体对集料的完全包裹, 不利于各成分流动, 降低水泥浆体与集料表面积的黏结性能, 导致混合材料不均匀、碾压混凝土离析、综合性能下降。

4) 过高石粉含量降低碾压混凝土内部自由水向外迁徙的速度, 并保留一部分自由水与石粉颗粒物理结合, 碾压混凝土内部由于水的存在缺陷大量存在, 在干燥、高温、高风速工程环境中收缩开裂提前、裂缝数量更多、裂缝宽度与深度值更大。

5) 贵州省大量工程实践发现机制山砂混凝土质量波动大, 标准差和变异系数大, 耐久性能不理想, 尤其是水化热导致大体积混凝土开裂的问题较严重。

6) 混凝土外加剂与贵州省境内生产的水泥、石灰岩或白云岩生产粗、细集料的相容性问题不理想。

7) 白云岩母岩生产的粗、细集料级配不理想。

通过电子显微镜SEM扫描白云岩石粉在普通硅酸盐水泥凝胶体中的水化产物, 发现白云岩石粉不具备可被碱激发的水化活性, 水化早期凝胶体的水化产物为Ca (OH) ₂、C—S—H凝胶、未水化但被水膜包裹的石粉颗粒;水化后期除了常规的凝胶体成分, 仍可扫描观测到较多不水化的白云岩石粉颗粒。石粉粒径<0.045mm时, 石粉能表现出在离散元四组分中的低活性, 石粉粒径越小、占比越大则石粉浆体活性越高。10万倍电子显微镜SEM扫描设备如图1所示, 龄期7d, 28d不同石粉含量规定倍数的SEM照片如图2, 3所示。

图2, 3显示凝胶体系中水化产物增多, 在水化产物28d胶凝体系中能观测到白云岩石粉颗粒, 水化产物结构比短龄期致密, 石粉颗粒对胶凝材料起到填充密实作用。

电镜SEM扫描研究表明, 适当石粉含量对水泥水化具有增强作用, 石粉在水泥水化反应中可以起到晶核作用, 诱导水泥的水化产物析晶, 加速水泥水化, 并阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的转化。白云岩母岩制成的水泥胶砂28d龄期后在石粉部分大颗粒表面未见水化产物, 仅起到在混合材料微集料的填充作用, 以及在水泥成分水化浆体、粉煤灰成分水化浆体的絮凝状物质的扩散、伸展、延伸搭接中起支撑点、联系点的作用。

电镜SEM扫描研究显示, 石粉是一种惰性掺和料, 补充了混凝土中的微细颗粒, 增大固体表面积对水体积的比例, 适量的石粉含量能减少泌水, 形成水膜包裹的浆体, 改善混凝土和易性。陈家珑研究认为, 机制山砂中70%石粉颗粒粒径>0.016mm, 平均粒径为0.036 9mm, 石粉粒度在该区域内不会阻碍水泥浆体对集料的包裹和填充, 适量的石粉含量一定程度上可提高混凝土保水性和黏聚性, 使混凝土易于成型振捣。

碾压混凝土宏观上力学性能可以看作是混合材料各种物质按比例组成的加权体现, 碾压混凝土内部构造特征决定其宏观规律。碾压混凝土机理不同于常态混凝土, 需要采用碾压工艺逐层振动压实使混凝土均匀和密实。碾压混凝土的固相、液相、气相三相组成在振动压实机械的振动和压实作用下, 固相体积不会发生变化, 液相体积即胶体成分在终凝前具有可塑性, 气相体积则接近外表层的被排出碾压混凝土, 内层气相体积不能排出的则随机处于毛细孔中。固相颗粒理想状态是均匀分布于碾压混凝土各施工层中, 实际情况则是碾压混凝土拌合物由多样成分组成, 本身就不均匀, 从传送带端头到施工现场标高有一定距离, 固相颗粒密度大的先跌落, 密度小的后跌落, 加大拌合物的不均匀性。在机械振动压实下, 液相提供流动和包裹固相作用, 固相颗粒相对位置重新组合排列, 粗集料彼此接近并产生骨架嵌挤和粒子干涉, 粒径小的颗粒被振动填充到粒径大的颗粒空隙中, 细集料填充在粗集料嵌挤后留下的空隙中, 未终凝的胶体包裹粗、细集料提供流动的性能;总的拌合用水在提供足够胶凝材料水化反应的量和提供混凝土流动的量后存在多余的水一部分泌水失掉, 一部分密闭在碾压混凝土内部毛细孔中, 后期蒸发掉形成微观孔隙;气相的空气成分在机械振动压实中大部分逐步溢出, 少部分存留在无水的毛细孔中形成微观孔隙。随着施工工艺的进行, 碾压混凝土各相逐渐均匀、位置相对固定, 单方容重增大、密实度增加。

机制砂混凝土中的石粉含量影响混凝土的耐久性。机制砂混凝土中石粉能够增加混凝土中粉体材料的总量, 粉体材料的增加, 使混凝土需水量增加并且混凝土浆体稠度增加, 水分由内向外迁移时受到的阻力加大, 水分迁移速率下降, 表现为混凝土内部孔隙增多, 综合性能下降;混凝土早期开裂与水分向外迁移的速率有关, 水分向外迁移不及时, 从内部向外迁移的水分不足以补充外部散失的水分, 混凝土的表面就会出现裂缝, 水分向外迁移的速率越小, 则产生的裂缝时间就越早, 裂缝宽度就越大。当石粉含量每增加2%时, 拌合物单方用水量需要增加约5kg/m³。随着石粉含量增加, 增加单方用水量时, 改变水灰比强度降低1~3MPa。

碾压混凝土中, 浆体主要由水泥、粉煤灰、石粉和泥粉加水拌合形成, 在有限元尺度中即为离散元四组分体系, 石粉作为离散元四组分体系的重要组成部分, 起到对集料的有益补充。单方混凝土中一定比例水提供给水泥基、粉煤灰基水化反应, 称为结合水或化合水;一定比例水被离散元四组分吸附在表面成为水膜层但不发生化学反应, 称为吸附水;一定比例水随机存在粗、细集料及浆体中, 称为孔隙水或自由水, 随龄期被蒸发排出, 不能排出的则成为气态或液态存在于碾压混凝土内部, 形成内部空隙、微孔隙和孔隙水。

采用粉煤灰等掺和料进行二次水化反应或与水泥水化产物中的Ca (OH) ₂作用生成水化硅酸钙, 改善混凝土的微观结构, 特别是集料界面的黏聚性能, 提高水泥浆和集料界面密实程度。另外, 采用合适石粉含量掺配在碾压混凝土中起“微集料”和晶核作用, 促进水泥基水化反应及晶体的密实程度, 提高水化反应的结晶度, 填充了水泥、粉煤灰等颗粒间及水泥与集料的孔隙, 改善混凝土拌合物的和易性、稳定性, 减少离析和泌水现象, 增强硬化后碾压混凝土在外力作用下抵抗变形的能力。

当石粉含量超过最优掺量时, 会造成混凝土体系中的粉体材料过多, 大部分石粉并不能发挥填充作用和微集料效应, 不能发生水化反应, 还会堆积在混凝土体系中, 使混凝土变黏难以拌合, 降低流动性导致混合材料不均匀、不密实, 破坏混凝土的紧密堆积结构, 使混凝土的综合性能降低。

碾压混凝土在碾压工艺开始时, 集料未满足需要的均匀性, 由于胶凝材料中水泥用量少, 高活性水泥基水化反应慢, 浆体在自重作用下向混凝土底部集聚, 水化生成的浆体形成的砂浆不足以填充集料干涉嵌挤留下的空隙, 也不能提供混凝土良好的流动性。所以, 碾压混凝土利用振动碾压工艺改变这一特性。碾压混凝土从开始加水拌合, 运输到现场后振动, 由于振动压力的作用, 初期拌合物开始排列组合, 快速沉降, 受到重力和振动压力的作用, 碾压混凝土中集料颗粒不断发生位置变化。碾压施工工艺要求对应的混合材料各颗粒和浆体的位置规律为挤占空间体积、向大空隙运动、粗细浆体搭配填充密实、均匀稳定。

碾压混凝土混合材料初始状态为松散堆积体, 浆体终凝前在机械设备有序振动作用下失去稳定状态产生流动, 振动和自重作用下粗集料位置相对稳定但也会产生滑移、重新排列组合形成骨架, 砂浆流动填充粗集料之间的空隙, 浆体包裹粗、细集料颗粒, 填充粗、细集料留下的空隙, 随着施工工艺的进行最终形成相对紧密实体。粒径为4.75mm以上的粗集料在1个单位总体积中占优, 粗集料单个颗粒互相独立占据一定空间, 又互相干涉嵌挤, 构成骨架, 留出的空隙由<4.75mm细集料颗粒单元均匀、机动填充。胶体材料不断与水发生水化反应生成的浆体在未终凝前具备流动性。相对于集料物质而言浆体物质密度小, 机械振动下不断在集料间的空隙中发生流动, 粗、细集料所占体积外形成的空隙由流动的浆体来填充, 浆体既填充空隙又包裹集料表面积。在振动压力不断作用下, 包裹在集料表面的砂浆达到一定浆体厚度保持稳定, 自由砂浆充实拌合物内部粗集料之间的空隙。振动作用不断促使集料和砂浆发生运动。碾压混凝土拌合物各组分逐渐占据本身物质该有的体积, 使得混合物中砂浆能填充粗集料之间的空隙, 密度最小的空气运动到接近混凝土的外层并大部分被排出, 拌合物逐步均匀, 被压密实, 达到终凝时间, 胶体固化成型碾压后形成密实的整体。

在碾压施工工艺中, 粗集料颗粒位置相对稳定, 振动对砂浆的运动规律起主导作用, 砂浆颗粒则扩散、填充、挤密、稳定。集料间的空隙被砂浆填充后, 集料间的空隙、微孔隙随着粗、细集料的级配和颗粒形态的变异而随机存在, 或大或小, 从而导致碾压混凝土存在缺陷。具有良好级配的集料中外形饱满的颗粒有利于混合料的振动密实, 有利于砂浆的连通和填充。在碾压混凝土中, 石粉可以有代替掺和料的作用, 在低活性下形成具有较低黏性的浆体, 与高、中活性的浆体一起填充空隙和孔隙, 包裹集料表面积。

1) 贵州某水库采用掺配合适含量白云岩石粉的碾压混凝土施工性能、力学性能满足要求、体积稳定、耐久性良好、节约资源、降低工程成本, 拓展了绿色经济、节能环保、可持续发展的概念。

2) 施工工艺及机械设备的配备影响碾压混凝土性能, 在使用高白云岩石粉含量浇筑碾压混凝土时需要通过试验验证配合比、施工工艺及施工设备。

3) 为提高胶凝材料与集料的胶结强度及混凝土密实性, 靠提高水泥强度等级或提高水泥用量不现实, 应该综合考虑高性能混凝土6种组成成分的合理配合比, 重视石粉作为离散元四组分的作用。

4) 机制砂的生产建议选用优质集料二次加工, 必须严格控制生产用母岩的品相, 选用多次调试后合格的机械设备, 严格控制各指标, 各粒径按规划求解进行掺配并进行试验后满足最大理论密度要求, 成品石粉含量由亚甲蓝试验确定。