《碾压混凝土材料、结构与性能》.pdf
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二、 筑坝碾压混凝土的特点
碾压混凝土虽蛋属混凝土但文有别于常态混凝土。碾压混凝土 拌和物与常态混凝土拌和物比较，骨料用量较多、水泥用量较 少，虽掺用一定量的掺合材料，但胶凝材料浆用量仍较少。拌和 物不具有流动性，册落度为零，粘聚性小，一般不泌水。拌和物 在振动压实机具所施加的振动和动压力作用下，胶凝材料浆由凝 胶转变为溶胶（即发生液化）而具有一定的流动性。固相颗粒位 置得到重新排列，颗粒之间产生相对位移，彼此接近。小颗粒被 挤压填充到大颗粒之间的空隙中，空隙里的空气受挤压而逐渐逸 出，拌和物逐渐密实。因此，碾压混凝土拌和物的振动压实既具 有混凝土的基本特点，也具有土料压实的某些特征。碾压混凝土 的特定施工方法要求拌和物必须具有适当的工作度一一一既能承受 住振动碾在其上行走不陷落，文不能过于干硬，以免振动碾难于 甚至无法将其碾压密实。工作度用VC值表示。VC值的大小应 根据振动碾的能量、施工现场温、湿度条件加以确定，一般选用 10土5）S较合适。 硬化碾压混凝土与常态混凝土比较，技术性能有其明显的特 点：由于碾压混凝土中掺用较大比例的掺合料，而多数掺合料 早期水化反应较少，使硬化碾压混凝土早期强度较低，后期强度 增长较大：碾压混凝土的绝热温升明显低于常态混凝土，最高温 升出现时间明显推迟，温降缓慢：碾压混凝土的自生体积变形及 干缩变形明显小于常态混凝土。 在实际工程中碾压混凝土的性能受施工质量影响较大。施工 层面的粘结质量对碾压混凝土的性能影响尤其突出。
三、 当前坝用碾压混凝土存在的主要问题
碾压混凝土坝的发展极快，数量迅速增多，坝的高度和规模 绽丛酱螅有鸵泊又亓Π酉蛑亓鞍雍捅」鞍臃⒄埂Ｓ胁簧偕� 及碾压混凝土材料的技术问题需要解决。当前存在的主要问题大 致有以下四个方面。
下粉煤灰作为碾压混凝土掺合材料以及无粉煤灰时替代材料的使 用等问题都需要加以研究。 4.碾压混凝土的长龄期性能与耐久性问题 低水泥用量、高粉煤灰掺量碾压混凝土的早期强度较低，但 随着龄期的延长，强度得到发展，其他各种性能也随着混凝土龄 期的延长而发展变化。尽管碾压混凝土的部分性能已有长达10 年左右的实测资料4]，但截至目前为止烟草标准，这种混凝土的更长龄 期（如50年、100年）性能如何还不清楚，因为最早建设的碾 玉混凝土坝至今也仅二十多年。因此开展碾压混凝土长龄期性能 与耐久性的研究是士分必要的。
碾压混凝土同其他混凝土一样，也是由水泥、掺合料、砂石 骨料、外加剂和水等材料所组成的，但各组分所占比例同常态混 凝土有较大差别。 在碾压混凝土中，水泥和掺合料统称为胶凝材料。胶凝材料 与水混合形成胶凝材料浆，它填充砂子间的空隙、包裹砂子颗 粒，并与砂子一起形成砂浆。砂浆填充石子间的空隙并把石子颗 粒包裹起来。在碾压混凝土拌和物中，胶凝材料浆在砂石颗粒间 起“润滑”作用，使拌和物具有施工所要求的稠度。硬化后的胶 疑材料浆体将砂石骨料牢固地胶结成为一个整体。碾压混凝土中 的骨料（一般不考虑其与胶凝材料浆起化学反应）构成混凝土的 骨架”，并在一定程度上改善混凝土的某些性能（如减小混凝土 的体积变形、降低混凝土的温升等）。外加剂在碾压混凝土中起 减水、缓凝等作用，是必不可少的组成材料之一。 为了保证碾压混凝土具有良好的技术性能并降低工程造价 必须合理地选择碾压混凝土的各种组成材料。由于碾压混凝土 和物稠度大，属超干硬性混凝土，在施工上须采用振动碾压的方 法，有别于常态混凝土的施工方法，故在组成材料上亦应根据其 特性来选取。
碾压混凝土对水泥品种没有特别要求。从原则上说，凡适用
于配制水工常态混凝土的水泥均可用于配制碾压混凝土，它包括 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸 盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水 泥和其他品种的水泥。国内的水工碾压混凝土工程多使用 32.5MPa或42.5MPa等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，施 工现场另加较大比例的掺合料：葛洲坝大江一号船闸左下导墙 基础，清江隔河岩水电站围堰曾使用425号矿渣硅酸盐大坝水 泥。美国陆军工程师团和美国垦务局多选用Ⅱ型硅酸盐水泥作为 大坝用的水泥。巴西的萨库德纳瓦奥林达（SacodeNovaOlinda） 坝采用火山灰硅酸盐水泥。法国的奥利韦特（Olivettes）坝采用 矿渣硅酸盐水泥。日本则习惯使用粉煤灰硅酸盐水泥（其中粉煤 灰掺量为30%），施工现场不再掺加其他掺合料。
水泥的各项技术性质，包括细度、标准稠度用水量、凝结时 间、体积安定性、强度、水化热、化学成分等，均应符合国家标 准的要求。 (一）细度 水泥颗粒的粗细直接影响水泥的凝结硬化及强度。水泥颗粒 愈细，水化作用愈迅速充分，凝结硬化速度愈快，早期强度愈 高。但如果水泥磨得过细，不仅耗能大，成本高，且易与空气中 的水分和二氧化碳反应，因此，不宜久置。同时，水泥磨得过细 在硬化时收缩也较大。 水泥细度用0.080mm方孔筛的筛余量表示，也可用比表面 积，即1kg水泥所具有的总表面积（m/kg）来表示。国家标准 规定，硅酸盐水泥比表面积大于300m/kg，普通水泥、矿渣水 泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的0.080mm方孔筛筛余不得超过 10%，中热水泥、低热水泥的0.080mm方孔筛筛余不得超过 12%。由于较细的水泥颗粒能更好地激发掺合料的活性，有关文
建议，对于大量掺用掺合料的碾压混凝土所用水泥， 0.080mm方孔筛筛余应不大于5%。 (二）标准稠度用水量 在按国家标准检验水泥的凝结时间和体积安定性时，规定用 标准稠度”的水泥净浆。水泥标准稠度用水量（也称需水量） 采用水泥标准稠度测定仪测定，以水与水泥质量的百分比表示。 硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在24%～30%之间。 影响标准稠度用水量的因素有熟料成分、水泥的细度、混合 材料的种类及掺量等。熟料矿物中铝酸三钙需水量最大，硅酸二 钙需水量最小；水泥愈细需水量愈大；使用的混合材料如火山灰 等需水量愈大，若掺量大，则对应水泥标准稠度用水量增大。 水泥标准中对标准稠度用水量没有提出具体要求，但需水量 的大小能在一定程度上影响混凝土的性能。拌制相同稠度的混凝 土，所用水泥的需水量愈大，则加水量愈多，硬化时的收缩愈 大，硬化后的强度以及密实性也愈差。因此，当其他条件相同 时，水泥的标准稠度用水量愈小愈好。 (三）凝结时间 水泥的凝结时间分初凝时间和终凝时间。为使碾压混凝土有 充分的时间进行拌和、运输、摊铺和碾压，水泥初凝时间不能过 短；当施工完毕，文要求尽快硬化，具有强度，故终疑时间不能 太长。 影响水泥凝结时间的因素很多：熟料中铝酸三钙含量高，石 膏掺量不足，使水泥快凝：水泥愈细，水化速度愈快，凝结愈 快；水灰比愈小，凝结时的温度愈高，凝结愈快；混合材料掺量 大、水泥过粗等都会使水泥凝结缓慢。 水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆，在规定温度及湿 度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定的。国家标准规定，硅 酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥初凝
不得早于45min，中热水泥、低热水泥初凝不得早于60min；硅 酸盐水泥终凝不得迟于6.5h，普通水泥、矿渣水泥、火山灰水 泥、粉煤灰水泥终凝不得迟于10h，中热水泥、低热水泥终凝不 得迟于12h。初凝时间不合格者为废品。 （四）体积安定性 如果水泥在凝结硬化以后产生不均匀的体积变化，即所谓体 积安定性不良，就会使建筑物产生膨胀性裂缝，降低构筑物的质 量，甚至引起严重事故。水泥体积安定性不良，一般是由于熟料 中所含的游离氧化钙、氧化镁或掺入的石膏过多引起的。游离氧 化钙或氧化镁的水化速度很慢，在水泥已经硬化后才开始水化 水化引起体积膨胀，使水泥石开裂：当石膏掺量过多时，在水泥 硬化后，它还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫 铝酸钙，体积约增大1.5倍，也会引起水泥石开裂。 国家标准规定，用沸煮试饼或雷氏夹法检验水泥的体积安定 性。水泥净浆试饼沸煮4h后，试饼经肉眼观祭未发现裂纹，用 直尺检查没有弯曲，则称为体积安定性合格：雷氏夹法是测量雷 氏夹指针尖端间的距离，若其增加值不大于5.0mm，则该水泥 体本积安定性合格。沸煮只起加速氧化钙水化的作用，所以只能检 查游离氧化钙所引起的水泥体积安定性不良。对于中热和低热水 泥的生产，国家标准规定了熟料中游离氧化钙的含量：中热水泥 不得超过1.0%，低热水泥不得超过1.2%。对于氧化镁须采用 水泥压蒸安定性试验方法进行检定，石膏的危害则需长期浸在常 温水中才能发现，两者均不便于快速检验。所以国家标准规定水 泥熟料中氧化镁的含量不得超过5.0%，如果水泥经压蒸安定性 试验合格，则水泥中氧化镁含量允许放宽到6.0%；硅酸盐水 泥、普通水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、中热水泥和低热水泥 中三氧化硫含量不得超过3.5%，矿渣水泥中三氧化硫含量不得 超过4.0%。体积安定性不良的水泥作为废品处理。
新标准的检验结果称为水泥的强度等级，它与旧标准中的标 号并不是对应的。例如，过去的普通水泥525号，大致只相 当于现在的42.5MPa等级。 (六）水化热 水泥的水化是放热反应。水化放热量和放热速度不仅取决于 水泥的矿广物成分，还与水泥细度、水泥中所掺混合材料以及外加 剂的品种、数量等有关。水泥熟料矿物中，铝酸三钙的水化热最 大，放热速度也最快，硅酸三钙水化热稍低，硅酸二钙水化热最 小，放热速度也慢。水泥愈细，水化反应速度愈快，水化热释放 速率也愈大。 国家标准规定，中热水泥425号和525号的3d水化热不得 超过251kykg，7d水化热不得超过293kykg；低热矿渣水泥 325号的3d水化热不得超过188kJ/kg，7d水化热不得超过 230kkg；低热矿渣水泥425号的3d水化热不得超过197kJ/kg， 7d水化热不得超过230k/kg。 在大型基础、大型构筑物、大坝等大体积混凝土中，由于水 化热积聚在内部不易发散，内部温度常升至50～60℃以上，内 外温差很大，产生不均匀的内应力，使混凝土表面产生裂缝：当 混凝土体冷却后收缩受到约束时，就产生贯穿性裂缝。碾压混凝 土多用于大体积构筑物，故胶凝材料的水化热是一项重要的性 能。通常情况下，低热水泥的早期强度及强度增长率虽较硅酸盐 水泥低，但90d龄期后，其强度却超过硅酸盐水泥。硅酸盐水泥 和普通硅酸盐水泥都具有水化速度快、水化热高的特点，因而在 满足碾压混凝土各项技术指标的前提下，应尽可能降低水泥用 量，同时掺加适量掺合料，这样做一方面能够降低水化热温升、 减慢碾压混凝土早期发热速度、延长发热过程、减少混凝土温度 裂缝，另一方面还可以节约资金。 (七）不溶物 国家标准规定，I型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%，
ⅡI型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.5%。 (八）烧失量 国家标准规定，1型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.0%， Ⅱ型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.5%，普通水泥中烧失量不 得大于5.0%。 （九）碱 国家标准规定，水泥中碱含量按Na0+0.658K，0计算值 来表示，若使用活性骨料需要限制水泥中碱含量时，由供需双方 商定。般地，硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水 泥、粉煤灰水泥和中热水泥熟料中的碱含量不得超过0.6%，低 热矿渣水泥熟料中的碱含量不得超过1.0%。 DL/T5112一2000《水工碾压混凝土施工规范》中指出，水 工碾压混凝土所用水泥，可根据具体情况对水泥的矿物成分、含 碱量等提出专门要求，固定广家生产，并优先采用散装水泥。每 批水泥必须有出广检验报告。运到工地后进行复检，必要时还应 进行化学分析。水泥必须按不同品种、强度等级及出广编号分别 运输和存放，且运输及存放场地应有防雨及防潮设施。存放期超 过3个月的水泥，使用前必须进行复检，并按复检结果使用，严 禁使用结块的水泥。
二、 碾压混凝土中水泥的选取
碾压混凝土筑坝技术由低坝向高坝、由重力坝向拱坝的发展 对碾压混凝土本身的抗裂性能提出了更高的要求，与之相适应的 原材料的选择上要求提高水泥的韧性，降低其脆性。研究表明 除尽量提高水泥中 C,S 和 C4AF的含量，降低 C,S 和 C3A的含量
外，还可掺用低碱性钢渣等混合材料，利用其耐磨、微膨胀、高 C2S的特性，进一步降低水泥的脆性系数，提高水泥的抗裂性 能。
掺合料是指在施工现场掺入混凝土中的矿物质材料。混合材 是指水泥出广时已掺入水泥中的活性和非活性矿物质材料。 为了降低大体积混凝土的温升，可以在混凝土中设置冷却水 管，但考虑到碾压混凝土施工的快速和连续性，一般不采取这种 办法，而是尽可能地降低每立方米混凝土中水泥的用量。然而 为了满足施工对拌和物工作度及坝体结构设计对混凝土提出的技 术性能要求，水泥用量文不能过少。因此，掺合料就成了碾压混 疑土不可缺少的组成材料。掺合料磨成细粉，与石灰或石灰和石 膏拌和在一起并加水后，在常温下，生成具有水硬性胶凝水化物 的能力，称为活性。根据活性的不同，掺合料可分为活性掺合料 和非活性掺合料两大类。 碾压混凝土中的掺合料应优先选用活性掺合料，如粉煤灰 火山灰质材料、粒化高炉矿渣等，经过试验论证，也可以采用非 活性掺合料。这些掺合料经收集或加工，其细度与水泥的细度属 于同一数量级，掺入混凝土中，可以代替部分水泥包裹骨料表面 及填充骨料间的空隙，弥补了碾压混凝土中由于水泥用量减少而 造成的灰浆量不足。此外，活性掺合料中都含有大量的活性 SiO2和活性Al2O3，虽然这些活性物质本身的水化反应极慢，但 它能与水泥的水化产物Ca（OH)2发生二次水化反应，生成具有 胶结性能的稳定的水化产物，从而对改善混凝土的技术性能起到 重要的作用。由于掺合料的水化热远远低于水泥，故掺用掺合料 的碾压混凝土绝热温升低，同时具有后期强度增长率大，长龄期 强度高，抗渗性能和抗变形性能等随龄期的延长明显增长等特点。
几个国家碾压混凝土坝的胶凝材
注：中国有4座碾压混凝土坝未统计在内。
粉煤灰是火力发电厂的工业废渣，是从煤粉炉烟道气体中收 集的粉末。国外称之为“飞灰”或“磨细燃料灰”。 近年来国内外碾压混凝土已普遍采用大掺量粉煤灰。工程实 残证明，粉煤灰是一种良好的活性掺合料，其掺量提高对碾压混 凝土筑坝有利。因为碾压混凝土中掺入粉煤灰可以适当减少混凝 土的拌和用水量，增强混凝土拌和物的抗分离性，提高混凝土的 抗侵蚀能力及后期强度。对灰浆量较少的碾压混凝土来说，掺加
碾压混凝土材料、结构与性能续表掺合料种类及用量(kt m掺合料掺国别工程名称部位粉煤灰磨细矿渣量 (%)美溢流面8030柳溪坝坝下游面4731内部1929上静水坝内部17069埃尔克溪坝内部25.432国盖勒思维尔坝内部3640英国米尔顿布劳克坝内部14263澳铜田坝内部3027大克莱布尼坝60利46亚布卡堰9050西班牙卡斯蒂洛勃朗柯坝9452南德米斯特克拉尔坝5850扎艾豪克坝8470非布拉姆罗本海梅尔坝内部10770不用水泥，矿渣、高钙粉煤灰、法国奥里维特坝石灰石粉共130kgm中铜街子溢流坝内部8556.7铜街子左岸挡水坝7650铜街子1#坝7046坑口坝内部8057天生桥二级挡水坝8560.7岩滩水电站围堰10569国漫湾水电站10460由于各电广燃煤质量不同，煤粉细度也不同；各种锅炉燃烧温度有很大差别（高者可达1500～1700℃，低者仅1100℃左右）：煤粉升温速率、燃烧充分程度、灰分冷却条件不同，即使是在同台锅炉中也会由于锅炉温度场中温度分布不均匀，使煤粉从进入锅炉到收集出来所经历的热过程不一致，这就造成了粉煤灰颗粒形貌26
的不同。同时煤质的不同，也对粉煤灰性质产生不同的影响。因 此，不同电广的粉煤灰化学成分和矿物组成也于差方别。这些不 司的形态、化学成分和矿物组成将影响粉煤灰的使用效果。 (一)粉煤灰的物理特性 1.颗粒形态 粉煤灰是由多种颗粒机械混合的粒群，借助光学显微镜、扫描 电子显微镜，可以清晰地观察到粉煤灰的各种颗粒形貌。从形貌 上可以将粉煤灰中的颗粒粗略地分为珠状颗粒、渣状颗粒、钝角颗 粒、碎屑颗粒和粘聚颗粒等五类。 珠状粉煤灰颗粒呈圆球形，表面一般比较光滑。它是粉煤灰 颗粒处于锅炉高温区时间较长而形成的熔融体，或是由于粉煤灰 颗粒中含有较多低熔点的物质，在不太高的燃烧温度下变成了熔 融体。这些液态颗粒在迅速冷却过程中，由于表面张力的作用，形 成了珠状颗粒。根据内部的密实状态及表观密度的大小，珠状颗 粒文可分为漂珠、空心沉珠、复珠和密实沉珠四种。漂珠是薄壁的 空心玻璃微珠，有的壳壁上还有极小的针孔状洞穴。漂珠的粒径 在珠状颗粒中是比较粗的，直径为30～100um，而壁厚只有直径 的5%～8%，一般为0.2～2um，能浮在水面上。漂珠的化学成分 中Si02的含量较高，占55%～61%，颗粒表观密度为0.4～ 0.8gcm。般电厂粉煤灰中漂珠含量不多，占0.5%~1.5%。 漂珠壁薄易碎，所以往往在粉煤灰样品中发现些漂珠碎片。通 常所说的空心微珠”，主要就是指漂珠。空心沉珠为厚壁空心玻 离微珠，粒径为0.5m，珠壁密实无孔，厚度约占直径的30%。颗 粒表观密度接近2.0gcm，不能漂浮，强度很高。在一些较粗的 薄壁微珠中，粘集了大量细小的玻璃微珠，通过扫描电镜可观察到 内部鱼卵状的细珠，称为复珠或子母珠。此外，还有一些粘连的畸 形微珠和痘疱状微珠，也可包括在复珠之列。这些都可称为珠联 体”。较多电厂的粉煤灰微珠中，主要是密实的玻璃沉珠，其表面 光洁，但也有一些微珠的表面在扫描电镜下可观祭到附有石英或
莫来石微晶，还有的附着硫酸盐微粒。密实沉珠主要是铝硅酸盐 玻璃体的实心微珠，表观密度2.8gcm左右，粒径大都在45um 以下，多数为1～3μm。除多数微粒是分散体以外，也有少数粘连 在起的珠联体。玻璃中含CaO较多的，呈乳白色，叫做富钙微 珠。另有一小部分含氧化铁（Fe2O3，FeO4）较高的（含量可达 50%），表面光滑程度较差，颜色较深，叫做富铁微珠，表观密度大 于3.4gcm，颗粒较大,往往混杂于粗灰之中。 国产粉煤灰中常有相当数量的形状不规则、结构蔬松的海绵 伏多孔玻璃颗粒，粒径较粗，但也有较细的碎屑。海绵状玻璃体的 生成通常是因燃烧温度欠高或在火焰中停留时间过短，或因灰分 溶点较高，以致这些灰渣没有达到完全熔融的程度，由于燃烧过程 中颗粒内部部分气体的逸出，使颗粒表面形成蜂窝状结构，部分没 有逸出的气体使这些颗粒内部成为多结构，国外称之为“火山灰 渣”。这类颗粒具有开放性和封闭性的孔穴，表面常粘附有很多细 小的球状玻璃微珠。某些电厂的粉煤灰的烧剩碳粒接近珠状，称 为碳珠。碳珠呈疏松多孔结构，容易碾碎，孔腔吸水性高，粒径偏 租，45um以上的颗粒比例较高。 粉煤灰中还含有数量不多的钝角颗粒，其中有些是未熔融或 部分熔融的颗粒，大部分是英颗粒。 颗粒碎屑也或多或少地存在于粉煤灰中，也就是通称的“尾 粉”粒径一般小于30um。 粘聚颗粒主要是各种颗粒的粘聚体，在粉煤灰中也有一定数 量，一般容易碾散。 2.表观密度、堆积密度（旧称松散容重）和紧密密度（旧称压 实容重） 粉煤灰的表观密度是各种混合颗粒的平均表观密度，如果密 实颗粒含量较多时表观密度就偏高，空心、多孔的颗粒增多时表观 密度就偏低。低钙粉煤灰的表观密度一般为1.8～2.6gcm。但 根据国内电厂粉煤灰实测值统计，表观密度小于2gcm的粉煤灰
约占40%，最低值为1.44gcm。高钙粉煤灰表观密度较高，可达 2.5～2.8gcm。只有少数国家的粉煤灰标准规范对表观密度值 作出了规定，如英国ABC81841规定粉煤灰的表观密度应不小于 2000kgm。表观密度指标对粉煤灰的质量评定和生产控制具有 定的实用意义。如果表观密度发生变化，则表明质量也发生了 变化，应引起注意，还可用来判断粉煤灰的均匀性。如美国 ASTMC618标准规范中虽然对粉煤灰的表观密度不作规定，但是 对表观密度的变化却提出了要求，即10个粉煤灰试样的表观密度 试验结果，不得超过平均值的5%，否则均匀性就算不合格。表观 密度值也是对粉煤灰的细度和烧失量的一种间接的考祭。对碾压 混凝土配合比设计而言，表观密度也是必须测定的重要的技术参 数。 低钙粉煤灰堆积密度的变化范围为600～1000kgm，紧密 密度为1000～1400kgm，高钙粉煤灰堆积密度达800～ 200kgm，紧密密度为1300～1600kgm。随着含水量的增加 湿粉煤灰的紧密密度有所增加，在最佳含水量时达到最大的紧密 密度，含水量超过此值，紧密密度文趋下降。低钙粉煤灰的最佳含 水量范围为15%～35%，最大紧密密度可达1700kgm。 3.细度 粉煤灰细度是影响混凝土性能的重要指标。根据粉煤灰不同 颗粒形貌的粒径范围可知，粉煤灰颗粒愈细，珠状颗粒所占比例愈 大，渣状颗粒愈少，活性愈高，最终反应也愈充分。用细颗粒灰样 与粗颗粒灰样在同等条件下进行对比试验，前者消耗的氢氧化钙 和石膏的量较后者多，水化产物明显增加.结合水也较多。粉煤灰 的细度与收尘方式有很大关系，用静电收尘器收集的粉煤灰由于 收尘效率高，把细小的颗粒大部分收集下来，所收集的粉煤灰质量 好。而以机械收尘器收集的粉煤灰由于收尘效率低，粉煤灰中细 小的颗粒大部分从烟卤跑掉，收集下来的粉煤灰颗粒较粗，含碳量 高，质量差。
不少学者研究了粉煤灰细度对其品质的影响。瓦特（Watt) 等认为，提高粉煤灰的细度可以使制品强度增长变快。布林克 Brink）、霍尔斯特德（Halsted)等认为，粉煤灰中5～30um的颗粒 活性最高。国内外大量试验证实，粉煤灰中大于45um的颗粒愈 多，需水量愈大。因此，多数国家规定以45um筛筛余百分数作为 粉煤灰的细度指标。我国GBJ146一90规定，采用气流筛测定粉 煤灰的45um筛筛余量，I级灰不大于12%，Ⅱ级灰不大于20%， Ⅱ级灰不大于45%。对于坝体内部和垫层碾压混凝土，所用粉煤 灰细田度可以适当放宽。 司水泥类似，粉煤灰细度亦可用比表面积衡量。比表面积可 用透气法测定，它是根据一定量的空气通过一定空隙和固定厚度 的粉煤灰所受阻力不同而引起的流速变化来计算比表面积的。国 内电厂粉煤灰比表面积的变化范围为80～550m/kg，大多数为 160350m/kg。粉煤灰愈细，其比表面积愈大，可供水化反应的 空间也愈大。由于粉煤灰中有许多粗糙、多孔颗粒及颗粒粘聚体 持别是当粉煤灰的含碳量较高时，不可避免地将很大部分内表 面积计入在内。因此，应将粉煤灰的比表面积与其相应的颗粒形 貌结合起来考虑，才能较准确地反映其细度。粒径在90um以上 的粉煤灰，含碳量较多，这时用透气法测粉煤灰的比表面积误差较 大，故透气法只适用于含碳量不超过5%的粉煤灰的比表面积的 测定。需要指出的是，比表面积的测定方法除透气法外，还有勃氏 法、氮吸附法等等，用不同方法测得的比表面积差别很大。因此， 对粉煤灰比表面积的测定结果应注明试验方法。 4.颗粒级配 颗粒级配反映粉煤灰粗细颗粒的搭配情况。用多级筛分或沉 降法可以得到粉煤灰的粒径分布状况。多级筛分常用每平方厘米 900孔、4900孔、15600孔的套筛进行筛分。沉降法是根据密度 相同而粒径不同的颗粒在定介质中的沉降速度不同的原理，通 过沉降天平测定一定时间内落入天平中的颗粒质量而获得粒径分
布的。 5.标准稠度用水量和需水量比 粉煤灰的标准稠度用水量是衡量粉煤灰达到标准稠度浆体时 所需的拌和水量。可按水泥标准稠度用水量的测定方法进行测 定。原状粉煤灰的标准稠度用水量大多在0.25～0.7范围内波 动。一般情况下，当粉煤灰中珠状颗粒含量较多、渣状颗粒含量较 少时，粉煤灰较细.表观密度较高。相反，当粉煤灰中渣状颗粒含 量较多，尤其是含碳量较高时，粉煤灰较粗，表观密度较小，密实度 较低，需水量较大。试验证明，需水量小的粉煤灰含有较多的表面 光滑球状玻璃微珠，通过电子显微镜观察，需水量小于0.4的粉煤 灰.其珠状颗粒大多占80%以上；需水量在0.4～0.5的粉煤灰， 珠状颗粒占60%～70%：需水量在0.55～0.7的粉煤灰，珠状颗 粒占40%～60%；需水量大于0.7的粉煤灰，珠状颗粒含量在 40%以下。 衡量粉煤灰需水量的另个指标是需水量比。它用粉煤灰等 质量取代30%的水泥制成水泥粉煤灰胶砂，以水泥粉煤灰胶砂和 标准水泥胶砂在跳桌流动度相同时两种胶砂需水量的比值表示。 我国GBJ14690规定，1级，II级，II级粉煤灰的需水量比分别 不大于95%,105%和115%。 当粉煤灰需水量比较大时，为使混凝土达到相同的工作度，必 须增加拌和用水量，因而使混凝土的强度下降，其他性能恶化。需 水量比较小的粉煤灰掺入混疑土后，有减水作用，不仅可以增进混 凝土的强度发展同时可提高混凝土的抗渗性及耐久性。 6.强度比 强度比是指粉煤灰等质量取代30%水泥的胶砂试件在标准 养护条件下，其强度与石英胶砂基准试件强度的比值，它是反映粉 煤灰与水泥水化产物Ca（OH)2进行二次水化时对强度贡献大小 的个指标。一般粉煤灰本身并无胶结性能，但在常温条件下当 有水存在时，粉煤灰能与石灰起化学反应生成具有胶结性能的水
国产粉煤灰的物理性能表
纵览我国粉煤灰的物理性能，其波动极大。以45um筛筛余 量为例，有的接近英国的结构混凝土用粉煤灰标准BS3892的第 部分（<12.5%），而差的粉煤灰乎全部留在45um筛上。 需水量比的波动值亦较大，好的灰达到GB1596一91中I级灰的 标准，有显著的减水效果，差的灰比基准试件高出30%。相应 地，粉煤灰的抗压强度比亦波动较大，差灰的28d胶砂强度只有 基准试件的37%，好灰则可达到85%。我国粉煤灰的另一特点 是品位的波动较大，由收尘器直接收集下来的粉煤灰很少达到 GB1596一91中11级灰的标准，一般都需加工。究其原因，可能 与我国的锅炉容量总体上偏小，收尘设备不完善，排灰系统不尽 合理有关。近年来，我国新建的电厂不仅锅炉容量日益扩大，而 且其中一部分已初步实现灰、渣分排，各级电收尘分开收尘排
化学成分上的差异，造成了粉煤灰化学活性的不同。粉煤灰 的活性取决于活性SiO2和AO3的含量。而CaO对粉煤灰的活 性极为有利，某些CaO含量较高的粉煤灰在加水后甚至能单独 自行硬化。根据粉煤灰中有效氧化钙（即不包括结晶化合物中的 CaO）的含量，可将粉煤灰分为低钙灰（Ca0含量在10%以下） 和高钙灰（Ca0含量在10%以上）。目前世界上的碾压混凝土坝 中掺低钙灰的占67.9%，掺高钙灰的占5.7%（包括不含水泥成
来。其实，掺入混凝土中的粉煤灰对混凝土性能所发挥的效用不 仅仅是潜在活性的显示，更是多方面效能的综合，其中包括对混 疑土的减水作用、致密作用以及一定的均质化作用，粉煤灰的活 性成分所产生的化学效应以及粉煤灰颗粒在水泥浆体中发挥其细 而分散的微集料的物理和化学作用。以上各方面效能的综合称为 粉煤灰效应，它包括形态效应、活性效应和微集料效应。 粉煤灰的形态效应是指掺入混凝土中的粉煤灰由于特有的颗 粒形态和适宜的级配，使混凝土拌和物的工作性能和混凝土的初 始结构得到改善。粉煤灰的掺入使浆体中水泥颗粒均匀分散，增 大了水泥水化空间和水化产物的生成场所，从而促进初期水泥的 水化反应，这种“解絮”作用以及粉煤灰分布于浆体中的颗粒物 理效应，使硬化混疑土的初始结构得到改善。粉煤灰的形态效应 直接影响新拌混凝土的流变性质和硬化中混凝土的初始结构，因 而它对奠定混凝土的结构和性质具有重要的意义。当粉煤灰中所 含珠状、密实颗粒较多，粗细颗粒搭配较好时，混凝土拌和物的 流变性能和硬化中的结构得到改善，即形态效应发挥较充分。 粉煤灰的活性效应是指掺入混凝土中的粉煤灰的活性成分所 发生的化学效应，能起到改善硬化混凝土结构和性能的作用。粉 煤灰属于火山灰质材料之一，它所含的活性氧化物（如活性 SiO2和活性AlO）与水泥水化产物Ca(OH)2和部分硫酸钙起反 应生成稳定的不溶解的具有一定胶结性能的化合物，该反应称为 火山灰反应。低钙粉煤灰的活性效应主要是火山灰反应：高钙粉 煤灰的活性效应还包括一些属于结晶矿物的水化反应。玻璃体颗 粒表面的稳定性、致密性和不易水化导致了粉煤灰的初期水化反 应进行缓慢，从电子显微镜的观察表明，在水泥水化7d后，掺 入水泥中的粉煤灰颗粒表面很难看出有什么变化；28d时刚能看 到表征开始初步水化的疑胶状水化产物出现：此后反应速度加 快，90d以后，粉煤灰颗粒表面上开始出现大量相互交又连接的 水化硅酸钙纤维状晶体。通过对粉煤灰水泥浆中Ca(OH)2含量
增强粉煤灰与周围水化产物的粘结。 粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰颗粒在水泥浆体中发挥细而 分散的微集料的物理和化学作用，对混凝土拌和物的和易性及硬 化混凝土的结构和性能起到改善的作用。粉煤灰微粒在水泥浆体 中分散状态良好，这有助于改善新拌混凝土和硬化混凝土的均匀 性，也有助于混凝土中孔隙的充填和细化。从扫描电镜中观察 粉煤灰玻璃微珠经过2a龄期的反应产物层厚度仅约为1um；龄 期为10a的样品，此值也仅有2um，只有极细的颗粒，反应才能 深入中心。但尽管这一反应层的厚度增长缓慢，反应层中水化物 的网络却愈来愈紧密。这说明粉煤灰的微集料特征要比未水化的 水泥粒芯更为明显，而且保持微集料状态的时间更长，因此一些 质量稍差的粉煤灰对于碾压混凝土是值得研究选用的。粉煤灰填 充性的微集料作用能够减少水泥浆体中的含气量，降低混凝土的 泌水性，使水泥石结构更为致密。 粉煤灰效应是在一定条件下由上述三种效应共同作用的总 和。概括地说，在新拌混凝土中，粉煤灰微珠既有独特的“滚珠 轴承”和“解絮”的行为，文能发挥改善浆体的颗粒级配、增大 浆体体积、减少孔隙和需水量、使孔隙细化等物理作用为主的效 能，这是以粉煤灰的形态效应和微集料效应为主共同作用的结 果。在混凝土凝结硬化的前期，粉煤灰往往作为胶凝材料的“第 二组分”，虽然能由“粉末未效应”扩展“水化场合”，增加凝胶生 成量，但此时混凝土的硬化作用毕竞主要取决于在数量和能量上 占优势的水泥熟料矿物的水化，而粉煤灰的“低标号水泥”的作 用，也须依靠它和水泥的共同作用才能产生。在混凝土凝结硬化 的中期和后期，由于活性玻璃体逐渐水化，生成的水化产物填充 了粉煤灰颗粒与水泥水化产物之间及集料之间的孔隙和空隙，改 善了水化产物的结构强度，这是以化学作用为主的效能，是活性 效应和微集料效应等共同作用的结果
（五）粉煤灰效应的评价方法 评价粉煤灰效应的方法有多种，各有优劣，完善的方法还有 待于进步研究。日前常用的方法有：需水量比法、强度比法、 石灰吸收法、溶出度法、导电率法等等。 1.需水量比法 需水量比法是以相同跳桌扩散度的水泥粉煤灰胶砂和水泥胶 砂所需水量的比值表示的方法。该方法的试验结果在一定程度上 反映粉煤灰在拌和物中所起的润滑作用，从个侧面反映粉煤 灰的形态效应。粉煤灰的需水量比愈小，在一一定程度上反映其质 量愈好。 2.强度比法 强度比法是用水泥粉煤灰胶砂强度与水泥石英粉胶砂强度之 比来评价粉煤灰效应的方法。在一定条件下，强度比反映了粉煤 灰的火山灰活性，该法比较直观，受到国内外的普遍重视。但应 该指出，强度是结构的属性，它反映的仅仅是硬化胶凝材料浆体 的结构和性能，并不能全面反映原材料（粉煤灰）的结构和性 能。所以严格地说，用强度比来反映粉煤灰本身的活性是不够确 切的，但用此法大体评价不同粉煤灰活性上的差异还是恰当的 大此得到了广泛的应用。 3.白灰吸收法（维卡法） 这种方法最早用于火山灰的品质鉴定。该法测定的是一定时 旬内粉煤灰在石灰溶液中所吸收石灰的量，以此来反映粉煤灰火 山灰效应的大小和反应速率。常用1g重的代表试样在石灰饱和 溶液中经30d吸收的Ca0量（mg）来表示。必要时也可用4d的 吸收值来比较。该法能较迅速、定性地判断粉煤灰中活性成分和 情性成分的量，但还不能充分合理地反映粉煤灰的活性效应。石 灰吸收值是粉煤灰对石灰物理吸附和化学吸附的总和，而物理吸 附与粉煤灰的内表面积密切相关，化学吸附与粉煤灰颗粒表面 SiO，和AlO：的形态及结构状况有关。石灰吸收值还与粉煤灰中
的CaO含量有关。密实度高、内比表面积小的粉煤灰颗粒（如 富钙玻璃体）物理吸附值小，但活性并不定低，高钙粉煤灰对 石灰的化学吸附值并不一定比低钙粉煤灰高，但其活性效应却相 对较高，这些都说明石灰吸附法并不能真实地反映粉煤灰的活性。 4.溶出度法 以粉煤灰中可溶物含量表征粉煤灰活性的方法称为溶出度 法。该法是将粉煤灰置于酸或碱溶液中，或者置于先酸后碱溶液 中，经一定时间后，测定其溶出物的含量。例如可溶硅百分含量 的测定是精确称取1g粉煤灰，在0℃条件下置于100ml浓度为 moYL的HC1溶液中，经1h后迅速抽滤，并用硅钼黄比色分 析法测定可溶硅占粉煤灰试样质量的百分数。滤液中粉煤灰玻璃 本颗粒在酸碱溶液中能够逐渐溶出的部分是玻璃体中最活泼的部 分。不同电厂粉煤灰的可溶出SiO2和AhO含量是有区别的。 般情况下，可溶出的SiO2和Al2O含量愈高，粉煤灰的活性 愈高，在适当的条件下愈容易水化和凝结硬化。 5.综合评价 上述各种方法在一定程度上反映粉煤灰效应的某些侧面，它 门都存在着一定的局限性，因此，近些年来人们愈来愈多地趋向 于采用综合方法来评价粉煤灰的效应。人们所考虑的因素可归纳 为：粉煤灰的表观密度、细度（或比表面积）、颗粒粒径分布、 颗粒形貌、SiO和Al2O含量、低铁玻璃体含量、SO3以及碳含 量、标准稠度用水量等。这些因素间接地反映厂粉煤灰效应的大 小，可以对粉煤灰效应作出定性的评价，经过一段时间的研究， 可以逐步达到定量的程度。
凡天然的或人工的以氧化硅和氧化铝为主要成分的矿物质材 科，本身磨细后加水拌和并不硬化，但与气硬性石灰混合后，再 加水拌和，则不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化，因
在高炉中冶炼生铁时，所产生的浮在铁水表面的以硅酸钙和 硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经过骤冷处理，成为颗粒状态 质地疏松、多孔，称为粒化高炉矿渣。矿渣的化学组成主要是 些氧化物，其中CaO，SiO2，AhO3占总量的90%以上，还有少 量MgO，FeO和些硫化物（如CaS，MnS，FeS）等。用做混 疑土掺合料的矿渣，般以CaO，AlO含量较高，SiO2含量较 氏者，活性较大，质量较高。矿渣的活性不仅与其化学成分有 关，而且在很大程度上取决于成粒条件和矿渣的结构形态等多种 大素。经过骤冷处理的粒状矿渣，由于在骤冷过程中熔融状态的 矿渣粘度增加很快，来不及结晶，故大部分形成玻璃质结构，处 于不稳定状态，它储有大量的化学内能，在碱性激发剂（石灰或 水泥熟料）与硫酸盐激发剂（石膏）的作用下，呈现出较强的水 硬活性。在矿渣资源丰富的地方可以使用磨细的粒化高炉矿渣查作 为碾压混凝土的掺合料。目前世界上有13.8%的碾压混凝土坝 使用了粒化高炉矿渣作为掺合料（包括不含水泥成分的7座）。 常用的评价矿渣活性的方法有化学分析法和强度试验法等。 1.化学分析法 化学成分可以作为评定矿渣活性的个方面。根据 GB203一一78的规定，矿渣的质量可用质量系数K来衡量：
Ca0% + Mg0% + Al03 % SiO, % + MnO% + Ti, %
质量系数愈大，矿渣的活性愈高。粒化高炉矿渣的质量系数 一般股应不小于1.2。然而，仅仅根据化学成分判断矿渣的活性显 然是不全面的，因为矿渣的活性还涉及到其内部结构状态。不过 化学成分毕竞能在一定程度上反映矿渣的本质，因此仍然是评定 矿渣质量的主要方法之一
2.强度试验法 将矿渣和硅酸盐水泥熟料及石膏混合均匀，配成矿渣水泥， 并保持掺量和细度不变，以标准试验方法分别测定矿渣水泥和纯 熟料水泥的7d及28d强度，按下式计算强度比：
并保持掺量和细度不变，以标准试验方法分别测定矿渣水泥和纯 熟料水泥的7d及28d强度，按下式计算强度比： 矿渣水泥强度 当强度比等于1时，说明矿渣无活性。强度比愈大，矿渣的 活性愈高。 另外，我国国家标准还要求粒化高炉石矿广渣中锰化合物的含 量，以MnO计不得超过4%；钛化合物的含量，以TiO2计不得 超过10%；氟化合物的含量，以F计不得超过2%。治炼锰铁所 得的粒化高炉矿渣，锰化合物的含量，以MnO2计不得超过 15%；硫化合物的含量，以S计不得超过2%。高炉矿渣的淬冷 处理必须充分，粒化高炉矿渣的表观密度不得大于1100kgm； 未经充分萍冷的块状矿渣，经直观剔选，以重量计不得大于 5%，其最大尺寸不得大于100mm。粒化高炉矿渣不得混有任何 杂质，金属铁的含量亦应严格控制。 除了进行上述品质检验外，还应进行掺矿渣的碾压混凝土性 能试验，以便全面掌握该碾压混凝土的性能，
非活性掺合料是不具有活性或活性甚低的人工或大然矿物质 材料，又称为填充性掺合料。此类掺合料中，质地较坚实的有石 英岩、石灰岩、砂岩等磨成的细粉：质地较松软的有粘土、黄土 等。另外，凡不符合技术要求的粒化高炉矿渣、火山灰质材料及 粉煤灰配电网标准规范范本，均可作为非活性掺合料应用。对于非活性掺合料的品质 要求，主要应具有足够的细度，不含或极少含有对水泥有害的杂 质。 非活性的人工填料已在一些碾压混凝土坝中得到了应用（占
骨料占碾压混凝土总质量的85%～90%，占混凝土总体积 的80%～85%，是混凝土的主要组成材料。碾压混凝土对骨料 没有特殊要求，能满足常态混凝土要求的骨料，一般都可用于碾 玉混凝土。但是，由于骨料在碾压混凝土中需要通过碾压，所以 除要求骨料质地坚硬、表观密度合格外，还必须注意不含过多的
页岩、粘土质岩、云母、活性氧化硅等有害物质，避免有害物质 减弱水泥与骨料间的结合力，其至起破坏作用。除品质要求外还 必须选择良好的骨料级配，使碾压混凝土具有良好的抗分离能 力。 用于碾压混疑土的骨料可分为天然骨料和人工骨料，前者有 山砂、河砂、卵石（砾石）等，后者有人工砂、碎石等。室内试 验资料表明，用同一种胶凝材料和相同的水交比拌制碾压混凝 土，若采用人工骨料，可比天然骨料提高抗压强度25%～60%， 水胶比愈大，强度的提高率愈大：但人工骨料较天然骨料难压 实，振动碾压过程中容易断裂和挤碎。骨料还可根据粒径分为细 骨料（砂子）和粗骨料（石子）。全部都能通过10mm筛孔，且 85%以上的质量能通过5mm筛孔的骨料称为细骨料；85%以上 质量遗留在5mm以上筛上的的骨料称为粗骨料。 骨料的性能和品质对碾压混凝土拌和物的性能及硬化后混凝 土的强度、耐久性等物理力学指标都有不同程度的影响。骨料的 品质和数量决定工程能否顺利施工及工程的经济性。所以，必须 通过严密的勘探调查，系统的物理力学性能试验及经济比较，正 确地选择料场。碾压混凝土施工速度快，骨料使用量大而集中 骨料选择失当或调研不够都将导致工程施工时出现被动局面。因 此，应特别予以重视，切忌在骨料的选择上出现任何差错
碾压混凝土的粗骨料有卵石和碎石，两者各有特点。使用卵 石拌制混凝土可以减小空隙率，与碎石骨料相比，在相同砂浆用 量情况下可以得到工作度较小的混凝土拌和物。但施工实践表 明，用碎石拌制的碾压混凝土在出机和卸料过程中发生骨料分离 的程度较卵石轻。骨料的颗粒形状受母岩成因影响较大，若天然 骨料中形状过于扁平或过于狭长颗粒所占比例较多，则不仅空隙 率增大，而且在用振动碾碾压时，这些颗粒易破碎并排列成水平
电子产品标准根据耐久性对骨料的分类表
(二)粗骨料最大粒径 骨料最大粒径是指至少有90%的试样质量能通过的最小筛 孔尺寸。粗骨料最大粒径主要根据骨料分离情况、铺筑层厚度、振 动机械的性能及施工运输方式等确定。 碾压混凝土是一种超干硬性混凝土，多采用自卸卡车运输入
内外部分碾压混凝土工程骨料选
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