寒旱區(qū)水利工程大摻量粉煤灰混凝土試驗(yàn)研究

秦子鵬，杜應(yīng)吉，田 艷

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

1 研究背景

水利工程混凝土凍融破壞是我國(guó)北方地區(qū)水利工程建設(shè)的突出問(wèn)題之一，西北地區(qū)的混凝土凍融破壞問(wèn)題尤其嚴(yán)重［1］。西北地區(qū)大多處于干旱和半干旱地區(qū)，冬季氣溫低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差較大，對(duì)大體積水工混凝土的工作性能非常不利;在水位變動(dòng)區(qū)混凝土冬季要承受頻繁的凍融循環(huán)作用后還必須具有足夠的抗?jié)B性能以滿足水利工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，寒旱區(qū)水工混凝土應(yīng)盡可能地降低單方用水量，采用低水膠比，并適當(dāng)增加混凝土的含氣量。很多學(xué)者的試驗(yàn)研究［2－3］表明:將粉煤灰作為一種膠凝材料摻入混凝土中取代部分水泥，不僅可以改善混凝土的工作性能、降低混凝土的單方成本，而且還可以減輕煤廢料對(duì)環(huán)境的污染。因此，大摻量粉煤灰混凝土的研究工作既具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，又具有良好的社會(huì)效益。

關(guān)于西北寒旱區(qū)水利工程大摻量粉煤灰混凝土工作性能的研究較少，本文試圖通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合西北寒旱區(qū)水利工程建設(shè)，針對(duì)混凝土強(qiáng)度、抗凍和抗?jié)B性能的實(shí)際要求，研究大摻量粉煤灰混凝土在該地區(qū)的應(yīng)用，期望能為大摻量粉煤灰混凝土在西北寒旱區(qū)水利工程建設(shè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用提供一定的借鑒。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥:“賽馬”牌42.5普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為45.5 MPa和9.1 MPa;粉煤灰:寧夏大壩電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為4.8%，需水量比為91%，燒失量為0.47%;細(xì)骨料:寧夏當(dāng)?shù)氐拇稚常?xì)度模數(shù)為3.3，表觀密度為2.66 g/cm3，含泥量為3.7%;粗骨料:寧夏銀川鎮(zhèn)北堡碎石，堆積密度為 1 344 kg/m3，吸水率為0.5%;高效減水劑:NF－5A減水劑;引氣劑:JOP引氣劑。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中混凝土的配合比設(shè)計(jì)是以水膠比和粉煤灰摻量為變量，并保證各組試件的含氣量基本相等。依據(jù)文獻(xiàn)［4］，試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土的含氣量為(4.5±0.5)%，因?yàn)檫^(guò)低的含氣量對(duì)寒旱區(qū)水工混凝土的抗凍性能不利，而過(guò)高的含氣量會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。編號(hào)A1—A5試件采用等強(qiáng)度配制，強(qiáng)度等級(jí)為C25，以研究同一強(qiáng)度等級(jí)下，混凝土的力學(xué)、抗凍融及抗?jié)B性能隨粉煤灰摻量的變化;B1—B5試件采用等水膠比配制，水膠比為0.40，以研究同一水膠比下，混凝土的力學(xué)、抗凍融及抗?jié)B性能隨粉煤灰摻量的變化。試驗(yàn)配合比見表1。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比Table 1 Mix proportions of the concrete for the test

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能包括抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度以及彈性模量等多個(gè)方面，研究起來(lái)比較復(fù)雜。一般認(rèn)為抗壓強(qiáng)度能夠較為真實(shí)地反映混凝土的整體力學(xué)性能，因此，這里采用混凝土7，28，60 d的立方體抗壓強(qiáng)度來(lái)了解粉煤灰混凝土力學(xué)強(qiáng)度及其增長(zhǎng)情況。試驗(yàn)結(jié)果見表2，各齡期下混凝土中粉煤灰摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖1。

表2 各配合比下混凝土力學(xué)性能結(jié)果Table 2 Mechanical properties of the concrete of different mix proportions

在常溫下，由于粉煤灰的水化反應(yīng)非常緩慢，一般認(rèn)為粉煤灰單獨(dú)與水拌合后并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。張?jiān)粕龋?］的研究表明粉煤灰摻入到水泥漿后，水泥水化程度均比同條件下的純水泥漿高，且粉煤灰摻量越大，水泥水化程度提高也越多。Berry等［6］和Xu等［7］利用SEM觀察水泥粉煤灰漿體時(shí)發(fā)現(xiàn)，齡期7 d時(shí)許多較細(xì)的粉煤灰顆粒表面出現(xiàn)了刻痕，水化產(chǎn)物在粉煤灰顆粒表面生成。上述表明粉煤灰摻入到水泥漿體后不僅能促進(jìn)水泥水化，而且當(dāng)水泥水化到一定程度后粉煤灰可以發(fā)生火山灰反應(yīng)。

圖1 各齡期下混凝土中粉煤灰摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between fly ash content and compressive strength of the concrete at different ages

由圖1可以看出:在等水膠比(W/B=0.40)條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，7 d抗壓強(qiáng)度降低較快，28 d和60 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)降低緩慢。上述現(xiàn)象表明粉煤灰早期和后期反應(yīng)速率較慢，而中期反應(yīng)速率較快。原因在于早期水泥水化產(chǎn)物較少，無(wú)法激活粉煤灰的火山灰效應(yīng)，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到補(bǔ)償，所以混凝土早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而顯著降低;隨著水泥水化的進(jìn)行，粉煤灰中的活性部分SiO2和A12O3開始與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)水泥水化反應(yīng)進(jìn)行;在后期，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2等被大量消耗，水泥水化速率比較緩慢，此時(shí)，粉煤灰的反應(yīng)速率也相應(yīng)慢了下來(lái)。

在等強(qiáng)度(C25)配制條件下，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加有所降低，但28 d和60 d抗壓強(qiáng)度卻在逐漸增加，且增幅均大于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)組(A1)的抗壓強(qiáng)度。這主要是由于粉煤灰中的活性SiO2能逐漸地與游離Ca(OH)2和高堿性的水化硅酸鈣(C/S≥1.5)發(fā)生二次火山灰反應(yīng)生成低堿性水化硅酸鈣(C/S≤1)，它的強(qiáng)度要比高堿性水化硅酸鈣大得多，而粉煤灰中的活性成分A12O3還能與游離Ca(OH)2生成水化鋁酸鈣，或者活性成分SiO2和A12O3與游離Ca(OH)2生成水化鋁硅酸鈣，這2類水化產(chǎn)物也具有較高的強(qiáng)度，這樣既消耗了大量的游離Ca(OH)2(Ca(OH)2是片狀晶體，易使混凝土產(chǎn)生微裂隙)，減小了其不利影響，又增加了水泥石的強(qiáng)度［8］。在等強(qiáng)度配制條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，水膠比相應(yīng)減小，在較低水膠比條件下，水泥漿體能提供更多的水化產(chǎn)物與粉煤灰中的活性物質(zhì)反應(yīng)，使得上述反應(yīng)過(guò)程有所加強(qiáng)。因此，在等強(qiáng)度配制條件下粉煤灰混凝土的中后期強(qiáng)度要比普通混凝土的高。

3.2 抗凍性能

工程上常用相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)合質(zhì)量損失率來(lái)衡量混凝土的抗凍融性。等強(qiáng)度和等水膠比設(shè)計(jì)時(shí)的28 d齡期混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表3，不同凍融次數(shù)下混凝土中粉煤灰摻量和相對(duì)動(dòng)彈模的關(guān)系見圖2。等強(qiáng)度配制條件下，粉煤灰摻量為50%的混凝土受凍前后的微觀分析見圖3。

表3 混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of freeze-thaw test on the concrete

圖2 不同凍融次數(shù)下混凝土中粉煤灰摻量和相對(duì)動(dòng)彈性模量的關(guān)系Fig.2 Relationship between fly ash content and relative dynamic elastic modulus of the concrete at different freeze-thaw cycles

圖3 粉煤灰混凝土凍融前后微觀形態(tài)Fig.3 Microstructure of fly ash concrete before and after freeze-thaw cycles

根據(jù)圖2，在等強(qiáng)度(C25)配制條件下，凍融150次，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模和質(zhì)量的損失沒有明顯變化;凍融200次后，在粉煤灰摻量達(dá)到50%后混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模的損失有所增大，但損失幅度并未超過(guò)2%，相對(duì)動(dòng)彈模值基本保持在90%以上且質(zhì)量損失在1.3%以內(nèi)。在等水膠比(W/B=0.40)配制時(shí)，凍融150次和200次后，隨粉煤灰摻量超過(guò)到50%后，粉煤灰混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模和質(zhì)量的損失明顯增大，參照普通混凝土抗凍試驗(yàn)［9－10］以及相關(guān)粉煤灰混凝土的抗凍試驗(yàn)［11］可以斷定上述趨勢(shì)在凍融循環(huán)次數(shù)增加后會(huì)更加明顯。以上說(shuō)明混凝土的抗凍融性與強(qiáng)度有很大關(guān)系，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，它們的抗凍融性并不隨粉煤灰摻量的增加發(fā)生顯著變化，而等水膠比配制的混凝土隨粉煤灰摻量的增大，強(qiáng)度逐漸降低，抗凍融性也顯著降低。

根據(jù)圖3，粉煤灰混凝土受凍前水泥石與粗骨料的粘結(jié)面已經(jīng)存在微裂縫，經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后裂縫向水泥石內(nèi)部擴(kuò)展，氣泡也出現(xiàn)了裂縫，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使混凝土的整體性能下降。

為了研究粉煤灰混凝土在寒旱區(qū)遭遇輕度凍融后的自愈合能力，將在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至齡期28d和60d的混凝土試件分別進(jìn)行凍融(循環(huán)200次)后置于自然條件下，再經(jīng)過(guò)180 d的養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)與凍前混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)混凝土的凍后自愈合能力。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰混凝土凍后的自愈合能力Table 4 The self-healing properties of the fly ash concrete after freeze-thaw cycles

當(dāng)混凝土的凍融損傷較輕時(shí)，經(jīng)過(guò)自然條件下養(yǎng)護(hù)180 d后，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度基本能夠恢復(fù)甚至超過(guò)凍前的強(qiáng)度;劈裂抗拉強(qiáng)度則很難恢復(fù)到凍前的強(qiáng)度水平，與基準(zhǔn)試驗(yàn)組(A1)相比，大摻量粉煤灰混凝土凍后的劈裂抗拉強(qiáng)度恢復(fù)有所增強(qiáng)，個(gè)別試驗(yàn)組還超過(guò)了凍前強(qiáng)度水平。這說(shuō)明抗拉強(qiáng)度對(duì)凍融循環(huán)作用要比抗壓強(qiáng)度更為敏感［12－13］，粉煤灰對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的恢復(fù)有所幫助。粉煤灰摻量為50%的混凝土(A4)凍融循環(huán)200次自然條件下養(yǎng)護(hù)180 d后的微觀分析見圖4。

圖4 粉煤灰混凝土凍融－養(yǎng)護(hù)180 d后的微觀形態(tài)Fig.4 Microstructure of fly ash concrete after freeze-thaw and curing for 180 days

關(guān)于混凝土的凍融破壞機(jī)理還沒有一個(gè)較為理想的理論來(lái)全面解釋。目前，水工混凝土的破壞機(jī)理多以膨脹壓力與滲透壓力理論來(lái)解釋［14］，該理論認(rèn)為凍融破壞的主要原因是在低溫度下，水結(jié)成冰產(chǎn)生體積膨脹，冷水遷移產(chǎn)生滲透壓力以及混凝土表面存在溫度梯度等致使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土材料某處承受的力超過(guò)其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在該處產(chǎn)生微裂縫，微裂縫逐漸增大、擴(kuò)展直至互相連通，致使混凝土的力學(xué)強(qiáng)度降低。

根據(jù)圖4，混凝土凍融后經(jīng)過(guò)180 d的自然養(yǎng)護(hù)，部分微裂縫通過(guò)粉煤灰的二次水化反應(yīng)已經(jīng)愈合并生成大量的菊花狀C－S－H凝膠(見圖4(a)和圖4(b))，同時(shí)水泥水化作用也在緩慢進(jìn)行，但還有一部分微裂縫受其周圍的水泥或粉煤灰二次水化程度及養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響不能愈合(見圖4(c))，這部分的微裂縫對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，致使抗拉強(qiáng)度不能像抗壓強(qiáng)度那樣恢復(fù)較好。部分粉煤灰顆粒表面仍較為光滑(見圖4(d))，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，二次水化反應(yīng)還能發(fā)生，粉煤灰混凝土內(nèi)部的微裂縫還有得到進(jìn)一步修復(fù)的可能。

3.3 抗?jié)B性能

結(jié)合水利工程對(duì)混凝土抗?jié)B性能的要求，研究大摻量粉煤灰混凝土的抗?jié)B系數(shù)隨粉煤灰摻量的影響，將等強(qiáng)度和等水膠比條件下配制的混凝土進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of impermeability test on the concrete

由表5知，在等強(qiáng)度和等水膠比條件下配制的粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能均較好，能夠滿足抗?jié)B等級(jí)為 W6(對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)為0.419×10－8cm/s)的水利工程要求。粉煤灰混凝土優(yōu)良的抗?jié)B性在于粉煤灰中活性成分SiO2和A12O3在水泥水化產(chǎn)物的激發(fā)下發(fā)生二次火山灰反應(yīng)生成了低堿度的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石，使Ca(OH)2顯著減少，從而改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，減少混凝土的滲水通道，增加了混凝土的密實(shí)度，提高了混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)水泥與粉煤灰的配比較為合適時(shí)，如等強(qiáng)度配制條件下，水膠比為0.35，粉煤灰摻量在50%時(shí)，粉煤灰混凝土可以擁有更高的抗?jié)B性能。

4 結(jié)論

(1)在等強(qiáng)度或等水膠比配制條件下，大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度較低，中后期(尤其是中期)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。水工混凝土結(jié)構(gòu)可以考慮粉煤灰混凝土中后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

(2)在等強(qiáng)度配制條件下，粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度同時(shí)受粉煤灰摻量和水膠比的影響，在一定范圍內(nèi)(粉煤灰摻量≤50%，W/B≥0.35)，抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加，水膠比的減小而增大;超過(guò)這一范圍則減小。在等水膠比配制條件下，抗壓強(qiáng)度受粉煤灰摻量的影響十分明顯，隨粉煤灰摻量的增加而顯著降低。

(3)在等摻氣量條件下，粉煤灰混凝土的抗凍融性與強(qiáng)度關(guān)系密切，強(qiáng)度越高其抗凍融越好;當(dāng)凍融損傷較輕時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度基本能夠恢復(fù)到凍前水平，劈裂抗拉強(qiáng)度則很難恢復(fù)到凍前水平，這可能是寒旱區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。

(4)在等強(qiáng)度或等水膠比條件下配制的粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能均較好，能滿足大部分水利工程的抗?jié)B要求。

(5)在寒旱區(qū)，對(duì)抗凍融或抗?jié)B要求較高的水工混凝土的粉煤灰摻量應(yīng)控制在50%以內(nèi)，這樣既能保證水利工程在承受200次凍融循環(huán)作用后不發(fā)生較大的凍融破壞，還能擁有優(yōu)良的抗?jié)B性能。

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