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。

石粉是机制山砂中由母岩加工成细集料且存在于细集料中粒径<0.16mm的成分, 矿物成分和机制砂母岩矿物成分相同。石粉颗粒微观状态外形饱满, 当颗粒粒径<0.08mm, 其外观轮廓表面积在水的张力下形成水膜对石粉颗粒的包裹, 一定程度上、一定微观尺度下石粉与水结合成为浆体。通过最高可达10万倍的电子显微镜SEM扫描, 石粉也可看作由更小颗粒的材料组成, 形貌相似于水泥颗粒, 细度接近粉煤灰, 勃氏比表面积值为220~350m²/kg。石粉在混合材中起到形成微集料和惰性胶材作用, 与活性胶材形成浆体一起包裹集料表面, 填充混合材空隙。在中国的普定坝、岩滩坝、江垭坝、汾河二库、白石坝、黄丹坝等水电工程中, 石粉应用都达到一定比例, 实际工程应用效果良好。

贵州某水库项目基于控制工程成本、满足施工工期、施工周边料场选择面小等客观因素决定使用白云岩母岩生产粗集料、机制砂配制高性能碾压混凝土。在大体积高性能碾压混凝土中应用大掺量白云岩石粉的机制山砂, 在贵州的水利工程建设中较少见。贵州某水库项目如图1所示。

本试验研究基于贵州某水库实体工程浇筑的高性能碾压混凝土 (设计逻辑思路见图2) , 提出碾压混凝土离散元四组分概念:碾压混凝土拌合物是由有限离散颗粒单元按照一定规律嵌挤填充组合成一个整体, 每个颗粒为1个离散单元, 每个离散单元在三维空间形成既相互独立又相互干涉的颗粒离散元四组分体系。离散元四组分是对水泥、粉煤灰、石粉和泥粉4种以颗粒尺寸相近、性能不尽相同的复合胶凝材料称谓, 认为水泥、粉煤灰、石粉3种颗粒状组成材料相互间发生填充效应, 泥粉组成材料由于本质原因起到降低复合胶凝材料性能的反作用, 颗粒间空隙比未使用合适掺量石粉时更小, 存在于空隙间的化合水也相应减少, 增大自由水比例, 加大浆体的塑性、流变性, 如图3所示。离散元四组分具备3个特征: (1) 颗粒单元在组合体空间内彼此占据一定体积, 但在一个单位的总体积内相互独立; (2) 组合体总体积不变, 颗粒单元可以发生有限空间位移, 但每个颗粒受到周围颗粒的嵌挤和约束; (3) 组合体中体积大材料留下的空隙由体积小材料填充, 体积小材料的空隙由体积更小材料填充, 胶材生成的浆体包裹各混合物的表面提供流动性能, 并充实混合材形成密实结构。

贵州某水库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。试验材料与实体工程相同, 从施工现场运输到指定实验室进行试验。

水泥用都匀豪龙袋装水泥P·O42.5, 粉煤灰选用都匀电厂F类Ⅱ级, 外加剂选用贵阳升辉SH-200高性能减水剂, 拌合用水选用贵州某水库现场河流水, 粗细集料选用自产料场以白云岩母岩生产的机制碎石、机制山砂。以上材料性能指标均满足相关规范规定。

料场生产白云岩石粉细度需水比为84%, 高于Ⅰ级粉煤灰标准;采用负压筛试验筛余47.2%, 低于Ⅲ级粉煤灰标准;烧失量1.7%, 高于Ⅰ级粉煤灰标准;用勃氏比表面积法检测结果为245m²/kg;亚甲蓝试验MB值为0.8, 基本满足Ⅲ级粉煤灰的技术指标要求。石粉参照粉煤灰标准检测, 如表1~3所示。

碾压混凝土内部构造特征决定其规律, 表现在力学性能上。碾压混凝土从开始加水拌合, 运输到现场振捣, 拌合物理论上满足颗粒离散四组分的3个特征。粗集料的空隙被砂浆填充, 期望混合材料密实, 实际是存在局部空隙, 微孔隙随机在混合材料中存在。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内部缺陷。只有具有良好级配的集料、外形饱满的颗粒才利于混合料的振动密实和砂浆连通、密实填充。

由表4~7、图4可知, 当石粉含量>22.6%时, 虽然石粉增加了拌合物的浆体面积, 减少了集料与机制砂之间的摩擦, 但是离散元四组分中石粉也要吸收水分, 单位体积碾压混凝土的需水量增加, 拌合物体系中总的石粉量增加, 粉体与水形成的浆体稠度增加, 黏聚性增加, 混凝土的流动性有一定下降。石粉含量较低时, 拌合物的黏聚性很差, 石子与浆体有分离现象, 石粉含量为22.6%时有最好的黏聚性。拌合物的离析泌水情况随石粉含量增加而改善, 在石粉含量为24.6%时离析泌水现象基本消失。

石粉改善混凝土中机制砂多棱角性和级配不良的缺点, 在混凝土中有很好的填充效应, 增加集料与浆体界面过渡区的密实度;石粉的细度与粉煤灰细度相当, 混凝土中的石粉发生微集料效应, 部分石粉颗粒在水泥水化早期对Ca (OH) ₂和C—S—H的形成起到晶核作用, 加速了熟料矿物的水化;部分石粉的微细颗粒与C₃A水化形成水化碳铝酸钙, 利于早期强度的发展。

当石粉含量超过一定的限值 (>25%) , 造成碾压混凝土体系中粉体材料过多, 大部分石粉并不能发挥其填充作用和微集料效应, 不能发生水化反应, 堆积在碾压混凝土体系中, 破坏碾压混凝土的离散元四组分的密实组合, 使得碾压混凝土的工作性能整体降低。

当石粉含量<23.6%时, 碾压混凝土的抗压强度随石粉含量增加而增大;当石粉含量>23.6%时, 随石粉含量的增加碾压混凝土的抗压强度没有增大, 石粉含量超过最优值导致碾压混凝土综合性能降低。石粉含量高, 碾压混凝土需水量增大, 形成的离散元四组分浆体体量大, 随龄期推移在不利的环境下干缩增大。

石粉含量对碾压混凝土抗拉强度没有影响, 碾压混凝土抗拉强度仍然很低, 其值比抗压强度的1/10还低, 对碾压混凝土抗压弹性模量没有影响, 有利于提高混凝土抗渗性。

通过SEM电子显微镜扫描研究白云岩石粉在普通硅酸盐水泥凝胶体中的水化产物, 水化早期凝胶体的水化产物为Ca (OH) ₂、C—S—H凝胶、未水化被水膜包裹的石粉颗粒, 水化后期除了通常的凝胶体成分, 在水化产物28d的胶凝体系仍可扫描观测到较多不水化白云岩石粉颗粒, 因此白云岩石粉颗粒粒径<0.045mm不具备被碱激发的水化活性。当石粉粒径<0.045mm时, 在离散元四组分中的低活性影响不可忽视, 能表现出一定活性, 即石粉粒径越小、占比越大则石粉浆体活性越高, 石粉颗粒对胶凝材料起到填充密实作用。

本试验研究采用的电镜SEM扫描研究表明, 适量白云岩石粉含量能改善混凝土的工作性能, 提高混凝土凝胶体强度, 参见图5所示离散元四组分体系水化的SEM照片。分析原因为:白云岩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。通过SEM扫描试验研究发现, 在石粉部分大颗粒表面的白云岩母岩制成的水泥胶砂在28d龄期后未见水化产物, 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。SEM电镜扫描研究认为, 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。在保持粗细集料用量下, 增大石粉含量即增大混合材料中固体颗粒的表面积。当增多的石粉颗粒起惰性胶材作用时, 必然增大单方混凝土用水量;当增多的石粉颗粒起填充集料空隙或微孔隙时, 并不需要更多的水存在, 也就不存在增大单方混凝土用水量。石粉含量>12%则机制山砂混凝土的干缩率增大, 主要原因是石粉作为粉体成分增加了浆体体量, 增大需水量导致干缩率增大。所以, 石粉含量需要通过试验确定最优值, 石粉的最佳含量能改善混凝土的工作性能。

1) 白云岩石粉含量<24.6%时, 碾压混凝土的抗压强度随石粉含量增加而提高。

2) 白云岩石粉含量>22.6%时, 碾压混凝土的流动性有一定下降, 拌合物的离析泌水情况随石粉含量增加而改善, 在石粉含量为24.6%时离析泌水现象基本消失。

3) 白云岩石粉含量<24.6%时, 增加石粉含量对碾压混凝土抗拉强度没有影响, 对碾压混凝土抗压弹性模量没有影响, 有利于提高碾压混凝土的抗渗性。

4) 白云岩石粉含量>24.6%时, 会造成碾压混凝土体系中的粉体材料过多, 破坏碾压混凝土的离散元四组分的密实组合, 碾压混凝土的工作性能整体降低。