矿渣粉高性能混凝土在水利工程中的应用.pdf

第3 期 ( 总第1 0 8 期) 中国水 能及电气化 N o 3( T O T A L N O 1 0 8 ) 2 0 1 4 年3 月 C h i n a Wa t e r P o w e r &E l e c t r i fi c a t i o n 矿渣粉 高性能混 凝土在水利工程 中的应用 赵 建 明 ( 新疆伊犁河流域开发建设管理局 ，新疆 伊宁8 3 5 0 0 0 ) 摘要：矿渣粉具有很好的活性，掺入混凝土中能够改善混凝土结构，减少水泥用量，降低水化热，抑制骨料 碱活性反应，是一种经济、环保的混凝土掺合料。掺入适量矿渣粉能够配制满足设计、施工要求的高性能混 凝土。 关键 词 ：高性能混凝土 ；矿渣粉 ；应用 中图分类号：T V 4 3 1 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 4 )0 3 - 0 0 1 0 - 0 3 Ap p l i c a t i o n o f S l a g Po wd e r Hi g h Pe r f o r ma n c e Co n c r e t e i n W a t e r C o n s e r v a n c y P r o j e c t Z HAO J i a n mi n g ( X i n j i a n g Y i l i R i v e r B a s i n D e v e l o p me n t a n d C o n s t r u c t i o n A u t h o r i t y ，Y i n i n g 8 3 5 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S l a g p o w d e r h a s g o o d a c t i v i t y，w h i c h c a n i mp r o v e c o n c r e t e s t r u c t u r e ，r e d u c e c e me n t d o s a g e，l o w e r h e a t o f h y d r a t i o n，a n d i n h i b i t a g g r e g a t e a l k a l i a c t i v i t y r e a c t i o n b y b e i n g mi x e d i n c o n c r e t e ． I t b e l o n g s t o e c o n o mi c a n d e n v i r o n me n t — f r i e n d l y c o n c r e t e mi x t u r e ． Hi g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e me e t i n g d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n r e q u i r e me n t s c a n b e p r e p a r e d b y mi x i n g s u i t a b l e a mo u n t o f s l a g p o w d e r ． Ke y wo r ds ： h i g h p e r f o r ma n c e c o nc r e t e；s l a g p o wde r；a p pl i c a t i o n 1 工程概况 新疆伊 犁北 岸干 渠工 程为 I 等 大 ( 1 ) 型工 程 ， 渠道全长 1 2 7 ． 1 4 k in，设计流量 5 5 ． 5 0 m ／ s ，加大流量 6 2 m ／ s 。渠道某标段为隧洞工程 ，隧洞全长 4 7 9 5 m， 为无压明流隧 洞 ，纵 坡 1 ／ 2 2 0 0 ，隧 洞选 择 马蹄 形 断 隧洞工程混凝土施工 区域为严寒地 区，多年年平 均气温8 ． 2 0～ 1 1 ． 7 0 ~ C，极端最低气温 一 3 2 ． 6 0 ℃，最 大冻土深度 6 0～1 3 0 c m；极端最高气温 4 0 ． 6 0 ℃，无 霜期 1 4 0～ 1 6 0天。隧洞混凝土衬砌采用泵送法施工， 隧洞进 口及 出 口段混凝土设计 指标为 C 2 5 F 3 0 0 W6 ， 洞身段混凝土设计指标为 C 2 5 F 2 0 0 W6 ，均为二级配 面 ，断面 尺寸 6 ． 2 0 m 6 ． 2 0 m，衬 砌厚 度 0 ． 8 0 m。隧 混凝 土 。 洞工程主要包括隧洞进 口明渠 、隧洞进 口渐变段 、隧 洞洞身、隧洞出口暗涵、隧洞出口矩形槽、隧洞施工 2 矿渣粉性质及作用 支洞。 矿渣粉是将炼铁高炉排出的水淬矿渣外加少量助 1 0 建设管理 Co n s t r uc t i o n Ma n a g e me n t 磨剂经超细粉磨后而得到的一种粉末状产品。矿渣含 有较多的 C a O，经水 淬后 的粒化 高炉矿渣 大部分 为非 晶体，具有玻璃质结构，这种玻璃体蕴藏有很高的结 晶性能量，具有很好的活性。由于矿渣粉一般都磨得 比水泥细以及其表面的玻璃质，可起到填充水泥颗粒间 隙的微集料作用，从而改善混凝土的孔结构，降低混凝 土孔隙率，能够减少} 昆 凝土的水和水泥用量 ，降低混 凝土水化热 ，易于拌制 出和易性好的高性能} 昆 凝土 。 新疆天然砂砾石料储量丰 富 ，混凝土用 骨料基 本 采用天然料场经筛分、水洗后的天然骨料，但新疆天 然砂 、骨料普 遍具有潜在碱活性 ，混凝土 中适量掺 入 矿渣粉、粉煤灰等掺合料可以抑制混凝土中骨料碱活 性反应，提高混凝土耐久性和使用寿命。根据矿渣粉 抑制骨料碱 活 性实 验结 果 ，矿 渣粉 掺 量在 2 0 ％ 以上 时 ，即可抑制骨料碱活性反应 。 矿渣粉能够改善混凝土性能，发挥其经济、环保 作用 ，拓展 了混凝土种类 ，应用前景广阔。 3 矿渣粉高性能混凝土配合比 3 ． 1 配合比原材料 3 ． 1 ． 1水泥及 矿渣 粉 隧洞工程使用的水泥为伊犁当地生产的普通硅酸 盐4 2 ． 5水泥，其物理力学性能检验结果见表 l ，矿渣 粉也为当地产品，其技术性能检验结果见表2 。 表 1 所 用 普 通 硅 酸 盐 4 2 ． 5 水 泥 物 理 力 学 性 能 检 验 结 果 比表面积 标准稠度 凝 结时间 ( m i n ) 抗折强度 ( MP a ) 抗压强度 ( MP a ) 检验项 目 安定性 ( i n ／ k g ) f ％ 1 初凝 终凝 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 执行标准 ：G B l 7 5 —2 0 0 7( 4 2 ． 5 ) > 3 0 0 >4 5 < 6 0 0 必须合格 3 ． 5 0 6 ． 5 0 1 7 ． 0 0 4 2 ． 5 O 检验结果 3 5 0 2 7 ． 1 0 1 8 2 2 8 5 合格 4 ． 2 0 7 ． 6 O 1 8 ． 1 0 4 3 ． 5 0 表 2 所 用 矿 渣 粉 技 术 性 能 检 验 结 果 密度 比表面积 烧失量 流动度 比 三氧化硫 含水率 活性指数 ( ％ ) 检验项目 ( g ／ c m ) ( m ／k g ) f ％ f ％ ) ( ％ ) ( ％ ) 7 d 2 8 d 技术指标 S 7 5 2 ． 8 0 3 0 0 <3 ． 0 0 <9 5 5 5 >7 5 检验结果 $ 7 5 2 ． 9 0 4 l l O ． 9 0 l 0 1 O ． 6 2 0 ． 2 0 6 5 l 0 4 由检验结果可知：所用普通硅酸盐 4 2 ． 5水泥所 检项 目满足 《 通用硅酸盐水泥》 ( G B l 7 5 —2 o 0 7 )中 的技术 指标要 求 ；所 用矿渣 粉技术 性能检验结 果满足 《 用于水泥和混凝土 中的粒化高炉矿渣粉》 ( G B ／ T 1 8 0 4 6 --2 0 0 8 )中 $ 7 5级技术指标要求 。 3 ． 1 ． 2 砂石骨料及外加剂 配合比所用粗 、细骨料各项技术指标所检项 目， 均满足 《 水工混凝土施工规范》 ( D L ／ T 5 1 4 4 —2 0 0 1 ) 技术指标要求；高效减水剂 、引气剂性能指标均满足 《 混凝土外加剂》( G B 8 0 7 6 --2 0 0 8 )中合格品的技术 要求。 3 ． 2 矿渣粉掺量的选定 结合 C 2 5 F 3 0 0 W6混凝土配合 比水胶 比的选定 ， 采用 不 同 的水 胶 比，每 个 水 胶 比分 别 选 取 3 0 ％ 和 4 0 ％两个掺量 ，对拌 和物 性能 及抗压 强 度进行试 验 ， 试验结果见表 3 。 由表 3 7 昆 凝土拌和物性能及抗压强度结 果可 以看 出：在用水量 、水胶比、砂率等配合比参数相同的情 况下 ，3 0 ％矿渣粉掺量混凝土7天 、2 8天抗压强度高 于4 0 ％矿渣粉掺量的强度。从强度结果分析 ，3 0 ％矿 渣粉掺量优于 4 0 ％矿渣粉掺量 ；4 0 ％矿渣粉掺量混 凝土坍落度略大于 3 0 ％掺量的，矿渣粉为玻璃质结 构，掺入混凝土中能够增大混凝土的流动性。 1 7 建设管理 Co n s t r u c t i o n Ma n a g e me n t 表 3 混 凝 土 拌 合 物 性 能 及 强 度 试 验 结 果 用水量 矿渣粉 水泥用量 矿渣粉 抗压强度 水胶 比 掺量 用量 砂率 含气量 坍落度 外加剂 品种与掺量 ( MP a ) ( k g ／ i n ) ( k s ／ m ) ( ％ ) ( ％ 1 ( m m) ( ％ ) ( k g ／ in ) 7 d 2 8 d 减水剂 引气剂 3 0 2 4 5 1 O 5 4 2 5 ． 5 O 2 0 0 2 5 ． 1 O 3 8 ． 9 0 0 ． 7 0 ％ 1 ． 5 0 ／ 万 1 4 0 0 ． 4 0 4 0 2l O 1 4 0 4 2 5 ． 7 0 2 0 0 2 4． 3 O 3 7 2 0 0． 7 0％ 1 _ 5 0 ／ 万 3 0 2 2 7 1 5 1 4 l 5 ． 8 O l 9 0 2 7 ． 4 0 4 0 ． 4 0 0 ． 7 0 ％ 1 ． 5 0 ／ 万 1 4 0 0 ． 3 7 4 0 2 6 5 l 1 4 4 1 5 ． 7 0 2 0 0 2 6 ． 6 O 4 0 ． 0 0 0 ． 7 0 ％ 1 ． 5 0 ／ 万 3 0 2 8 0 1 2 0 4 0 5 ． 6 0 l 8 O 2 9 ． 6 O 4 2 ． 3 0 0 ． 7 0 ％ 1 ． 5 0 ／ 万 1 4 0 O ． 3 5 4 0 2 4 0 1 6 O 4 0 5 ． 4 0 l 9 0 2 7 ． 6 O 4 2 ． 1 O 0 ． 7 0 ％ 1 ． 5 0 ／ 万 3 ． 3 隧洞工程进 口及出口段推荐混凝土配合比 隧洞工程进 口及 出 口段推荐混凝 土配合 比见 表 4 。 3 ． 4 隧洞工程进 口及 出口段推荐混凝土配合 比 耐久性能 隧洞工程进 口及出口段推荐混凝土配合比耐久性 能见表 5 。 表4 隧 洞 工 程 进 口 及 出 口段 推 荐 混 凝 土 配 合 比 含气量 坍落度 砂率 1 m 混凝土各项材料用量 ( k g ) 设计指标 水胶 比 f ％) ( mE) f ％1 水 水泥 矿渣粉 砂 小石 中石 减水剂 引气剂 C2 5F 3 0 0W6 0 ． 3 5 5 ． 6 O 1 8 O 4 0 1 4 0 2 8 0 1 2 O 71 8 5 3 8 5 3 8 2 ． 8 O O ． 0 6 1 6 O～l 8 0ram 表5 隧洞工程进口及出口段推荐混凝土配合比耐久- 陛能 F 3 0 0次冻融 混凝土设计指标 相对动弹模量 重量损失失率 抗渗 f ％ 1 f ％ 1 C 2 5 F 3 O O W6 >6 0 W6 1 6 0～l 8 0mm 混凝土为连续级 配的颗粒堆积体系 ，粗集 料间隙 由细集料填充 ，细集料 间隙 由水泥颗粒填 充 ，水 泥颗 粒之间的间隙则 由更细 的颗粒填充。矿渣粉可起 到填 充到水泥颗粒间隙的微集料作用，从而改善混凝土的 孔结构，降低孔隙率，使混凝土形成了密实充填结 构 ，提高混凝土的抗渗性能。 矿渣中主要化学成分为 S i O 、A 1 0 和 C a O，高 活性的 S i O 、A 1 0 可与水泥 中 C s和 C S水化产生 的c a( O H) ： 反应 ，进一步形成水化硅酸钙产物，填 充到水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高混凝土的致密 度，同时将强度较低的 c a( O H) 晶体转化成强度较 1 2 高的水化硅酸钙凝胶，提高混凝土的强度。混凝土中 掺入 引气剂在混凝土 中形成微小封闭气孔可 以阻断混 凝土中水的通道，进一步提高混凝土抗冻性能，掺入 适量矿渣粉，提高混凝土密实度 ，同时引入适量气体 阻断水的通道 ，形成内部相对密实、水不易进人混凝 土内的结构，抗冻性能更高。低水胶比有利于矿物掺 合料 发挥作 用 ，可 配制抗 冻指标 达到 F 3 0 0的高性 能 混凝 土。 4 注意事项 a ．矿渣粉混凝土黏性大，但抗离析能力相应下 降，应选择合适的矿渣粉掺量 、砂率以保证混凝土施 工及工作性能。 b ． 掺人高效减水剂可以降低混凝土用水量及胶 凝材料用量，高效减水剂掺量不宜超过最优掺量，掺 量过高矿渣粉混凝土容易出现泌水现象。 c ．水泥原料中掺人适量矿渣粉作( 下转第6页) 建设管理 Co ns t r uc t i o n Ma na g e me nt 8月 1 5日 1 5天 、8月 3 1日 ～9月 1 5日1 5天 、9月 2 5 日 ～ 1 0月 1 5日2 0天 、1 0月 3 1日 ～1 1月 8日8天为 分水时 间。实测 资 料 中，发 生 连续 最大 来 水 的7 ～9 月水量约 占全年水量的4 0 ％ ～ 5 0 ％。根据水管所多年 统计 ，讨赖河南干渠多年平均 流量 为 8 ． 2 4 m ／ s ，年来 水 天数 1 9 9天。因此 ，讨赖河南干渠上非 常适 宜农 村 小水 电的开发建设 ，同时 ，该 电站 的建设 ，符合 甘肃 省非主要河流水 电开发的规划 ，对加快嘉 峪关农 村水 力资源的开发建设将起到积极作用。 b ． 该项 目的建设是保护和改善当地生态环境和 减少大气污染 的需要。 嘉峪关是 国家著名 的旅游城市 ，也是 甘肃省重要 的钢铁工业基地 ，污染相对 较大 ，而且农 村居 民生活 用能过分依赖柴草和煤炭，对生态林草和植被进行砍 伐 ，给当地生态环境造成了一定影响，同时也加重了 嘉 峪关 的大气污染 。因此 ，该项 目的建设 在一定程度 减 轻了环境 的污染程度 。 c ． 该项 目的建设能够带来多方面的效益。具体 分 析如下 ： 1 )生态效益。按照全国2 0 0 8年燃煤电厂供电标 准煤耗 2 4 9克／ ( k W h )计算 ，讨赖河南 干渠水 电站 建 成后 ，年 发 电量 4 3 7万 k W h ，年 节 约 标 准 煤 1 ． 5 2万 t ， 减少 二氧化碳 排放 2 ． 0 9万 t ，减少 二 氧化 硫 排放 0 ． 0 5 万 t ，减 少烟尘排放 0 ． 1 万 t 。 讨赖河南干渠水电站小水 电代燃料项 目实施后， 可解决 5 7 7 户 居民的生活用燃料 问题 ，将有效遏 制人 为破坏 自然保护区及其他植被 ，防止水土流失，巩固 退耕还林 的效果 。实施以电代燃料后 ，项 目区森林覆 盖率 可实现年均增长 0 ． 8 1 ％ ，效果明显 ，将达 到以电 代柴 、以林涵水 、以水发 电 、以电养林 的 目的 。 2 )社会效益。小水电代燃料项 目建设是根据当 地新农村建设实际 ，以发展农村水 电 、促进农村基础 设施建设 、改善农业生产条件 、提高农 村居 民生活质 量 、增加农 民就业机会 、促进农村社会 全面进步 、繁 荣农 村精 神文 化 生 活为 目的，具 有 十分 显 著 的社会 效益。 实施小水 电代燃料工程后 ，大部分 农户家会用上 电饭煲 、电炒锅 、电磁炉 ，告 别烟熏火燎 的 日子 ，做 饭省时便捷 ，从而节省 出更多的时间从 事副业或外 出 打工，增加农民收入。项目区农民利用代燃料后节省 的劳动力和时间开展农副产品加工 、养殖等 副业 ，增 加收入 ，逐渐成为 当地经济新的增长点 。 3 )经济效益。小水电代燃料项 目实施后，将进 一 步改善当地居民生产生活条件。促进当地居民收入 增加，有力拉动相关产业的发展；促进项 目区经济结 构调整，加快二 、三产业发展；促进当地社会经济等 方面的发展。 5 结语 综上所述 ，通过讨赖河南干渠水电站 以电代燃料 生态工程 的实施 ，改变 了广大群众落后 的炊饮取 暖方 式 ，保 护了绿色家 园。同时 ，小 水电代燃料生态 工程 的启动，将对拉动地方经济 、 促进相关产业发展，起 到重要 的作用 。 一⋯‘一十+I ．一一一‘一⋯～～ 一 一十一 ⋯- 一一一“十l _ 十一 一一一“⋯十l _一一⋯- 4 - “ 十’ 十⋯ 一- ~ - 一“ +l _+- +， ，⋯～～ ～一+” 一 + ( 上接第 1 2页)为矿物掺合料 ，不仅可以增加水泥比 表面积及强度，而且可以降低成本。目前许多水泥厂 都在水泥原料中掺人一定比例的矿渣粉，在确定混凝 土配合 比及选定矿渣粉掺量 时要考虑这一 因素。 5 结语 矿渣粉作为一种经济、环保型的混凝土掺合料 ， 6 能够降低混凝土成本，降低水化热，改善混凝土性能， 配制出和易性好的高性能混凝土。目前，矿渣粉混凝 土在水利工程施工中已得到成功应用，应用前景广阔。 参考文献 张伟军， 等． 高性能混凝土的应用与混凝土耐久性的发展[ J ] ． 建筑 材料及制品 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ．