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    礦物摻合料混凝土在水利工程項(xiàng)目施工中的應(yīng)用研究

    2016-09-12 08:01:54王顯旭新疆水利水電科學(xué)研究院
    河南水利與南水北調(diào) 2016年7期
    關(guān)鍵詞:硅灰抗?jié)B礦渣

    □王顯旭(新疆水利水電科學(xué)研究院)

    礦物摻合料混凝土在水利工程項(xiàng)目施工中的應(yīng)用研究

    □王顯旭(新疆水利水電科學(xué)研究院)

    在水利工程項(xiàng)目施工中,不同礦物摻合料的加入,能夠使混凝土各方面的性能得到改善。由于礦物摻合料的種類較多,如粉煤灰、礦渣、硅灰等等,在這些礦物摻合料中,選擇一種改善混凝土性能最佳的摻合料,對(duì)于工程整體質(zhì)量的提升非常重要。文章結(jié)合新疆卡拉貝利水利工程,分析了不同摻合料對(duì)混凝土性能的影響,根據(jù)分析結(jié)果,選定粉煤灰作為該工程混凝土配合比設(shè)計(jì)的摻合料。

    水利工程;礦物摻合料;混凝土

    1 礦物摻合料的作用

    1.1提高混凝土強(qiáng)度

    在水泥的主要礦物組成中,C3S和C2S占比高達(dá)70%,在水化反應(yīng)后生成鈣硅比為1.60~1.90的高堿度水化硅酸鈣和氫氧化鈣,其強(qiáng)度和穩(wěn)定性明顯低于低堿度水化硅酸鈣。將礦物摻合料摻入混凝土后,其活性SiO2可與高堿度水化硅酸鈣和氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成低堿度水化硅酸鈣,消除氫氧化鈣,有效改善水泥中的膠凝物質(zhì)組成,優(yōu)化水泥石與集料的界面結(jié)構(gòu),增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

    1.2增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性

    水泥的平均粒徑介于20~30 μm之間,由于水泥中<10 μm粒徑的顆粒數(shù)量不足,所以導(dǎo)致水泥的填充性較差、密實(shí)度不高。對(duì)于單摻而言,超細(xì)礦物摻合料的平均粒徑介于3~6 μm之間,將其摻入到水泥中,可以填充水泥粒子之間的孔隙,有助于增強(qiáng)混凝土密實(shí)度、抗?jié)B性和強(qiáng)度;對(duì)于雙摻而言,在摻入超細(xì)礦物摻合料的基礎(chǔ)上再滲入一定比例的硅灰,因硅灰平均粒徑小于超細(xì)礦物摻合料的平均粒徑,對(duì)超細(xì)礦物摻合料的粒子孔隙起到填充作用,所以會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度。

    1.3提高混凝土的塑性

    礦物摻合料中的硅灰、礦渣、粉煤灰等,對(duì)混凝土拌合物有著較強(qiáng)的增塑作用。超細(xì)礦物摻合料的顆粒在水泥顆粒中起到“滾珠”作用,可增強(qiáng)漿體的流動(dòng)性。同時(shí),超細(xì)礦物摻合料顆粒在填充水泥顆??紫哆^程中,可將原本填充到水泥顆??紫吨械乃种脫Q出來,加厚粒子之間的間隔水層,使得水泥漿體積增大,進(jìn)而提高混凝土的流動(dòng)性和塑性。

    1.4提升混凝土的耐久性

    在有侵蝕介質(zhì)的環(huán)境中,硅酸鹽水泥混凝土中的水化產(chǎn)物極易與侵蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膨脹型、溶解型物質(zhì),破壞混凝土的原有結(jié)構(gòu)。而在混凝土中摻入礦物摻合料,能夠充分發(fā)揮摻合料的火山灰效應(yīng)、稀釋效應(yīng)等,減少混凝土中水化產(chǎn)物的數(shù)量,生成數(shù)量更多、穩(wěn)定性更強(qiáng)、強(qiáng)度更高的低堿度水化硅酸鈣,提高混凝土的抗侵蝕能力。此外,礦物摻合料均勻分布在混凝土結(jié)構(gòu)中,可起到密實(shí)水泥石結(jié)合和界面結(jié)構(gòu)的作用,有效抑制氯鹽等物質(zhì)的侵蝕,增強(qiáng)混凝土的耐久性。

    2 水利工程施工中礦物摻合料混凝土的應(yīng)用

    為了便于研究,文章以新疆卡拉貝利水利工程為例,對(duì)礦物摻合料混凝土的應(yīng)用進(jìn)行論述??ɡ惱且蛔螅?)型水庫(kù),位于克孜河山區(qū),具有防洪、灌溉、發(fā)電等功能。水庫(kù)總庫(kù)容量約為2.62億m3,正常蓄水位1770.00 m,調(diào)節(jié)庫(kù)容1.69億m3,死水位1740 m,水電站的裝機(jī)容量為70 MW。水庫(kù)大壩的最大壩高為92.50 m,壩頂高程1775.50 m,壩頂寬12 m,壩長(zhǎng)835 m;防浪墻高程為1776.70 m。大壩為混凝土面板砂礫石壩,通過對(duì)壩址區(qū)河水、河床內(nèi)潛水進(jìn)行取樣分析后發(fā)現(xiàn),水中的硫酸根離子含量均比較高,分別為356.30~499.50 mg/L和413.10~614.80 mg/L,其對(duì)混凝土具有結(jié)晶類硫酸鹽型中等-強(qiáng)腐蝕性。為提高大壩的耐久性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,決定采用高性能混凝土進(jìn)行施工建設(shè)。

    2.1礦物摻合料對(duì)混凝土的影響

    2.1.1對(duì)混凝土工作性能的影響

    混凝土的工作性能是評(píng)價(jià)混凝土可用性的關(guān)鍵指標(biāo),尤其是在水利工程項(xiàng)目施工中,混凝土的工作性能是高性能混凝土的主要技術(shù)要求之一。在進(jìn)行礦物摻合料對(duì)混凝土工作性能的影響試驗(yàn)研究中,采用三種工程中最為常用的礦物摻合料,即粉煤灰、礦渣粉及硅灰。試驗(yàn)中,假設(shè)減水劑的摻量及其對(duì)混凝土坍落度的影響是線性的,設(shè)定一個(gè)系數(shù)K,用于描述礦物摻合料對(duì)混凝土工作性能的影響:K=坍落度/外加劑的摻量。由試驗(yàn)過程可知(限于篇幅試驗(yàn)過程省略),三種摻合料單獨(dú)摻入時(shí),K值會(huì)隨著摻合料摻入量的增大而提高,這說明,粉煤灰能夠?qū)炷恋墓ぷ餍阅芷鸬揭欢ǔ潭鹊母纳谱饔?,摻合料摻入量的增加可以提高改善程度;礦渣對(duì)混凝土工作性能的改善效果比較微弱,當(dāng)其摻入量為25%時(shí),改善的效果最為明顯,但摻入量繼續(xù)增加,對(duì)混凝土工作性能的改善并不顯著,當(dāng)摻入量增加至35%時(shí),基本顯示不出改善效果;三種礦物摻合料中,硅灰對(duì)混凝土工作性能的改善效果最差,同時(shí)還產(chǎn)生了不利影響,隨著硅灰摻入量的增加,混凝土工作性能隨之變差。由此可見,粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的改善效果最佳。

    2.1.2對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

    由試驗(yàn)過程可知(限于篇幅試驗(yàn)過程省略),摻入粉煤灰的混凝土90d前的強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻入量增加而下降,120 d后,混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出超過基準(zhǔn)強(qiáng)度的趨勢(shì),這與業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的研究結(jié)果相一致。由此表明,粉煤灰的摻入會(huì)使混凝土的早期強(qiáng)度下降,但后期強(qiáng)度會(huì)有所提升;摻入礦渣的混凝土14 d前的強(qiáng)度有所下降,并隨著礦渣摻入量的增加而下降,在14 d后,其強(qiáng)度出現(xiàn)了反彈,并超過了基準(zhǔn)強(qiáng)度,混凝土的強(qiáng)度也隨著礦渣摻入量的增加而增大;摻入硅灰時(shí),混凝土的強(qiáng)度較之基準(zhǔn)強(qiáng)度高很多,隨著硅灰摻入量的增加,混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。由于水利工程中的水工建筑物對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的要求較低,對(duì)后期強(qiáng)度的要求較高,因此,在本工程中,為了提高混凝土的強(qiáng)度,應(yīng)當(dāng)摻入適量的粉煤灰。

    2.1.3礦物摻合料對(duì)混凝土耐久性的影響

    ①對(duì)抗?jié)B性的影響。由試驗(yàn)過程可知,摻入粉煤灰的混凝土其抗?jié)B性在粉煤灰摻入量為20%時(shí),得到了提升,這與混凝土齡期較早有關(guān),由于齡期過短,致使粉煤灰的火山灰效應(yīng)無(wú)法獲得有效的發(fā)揮,其抗?jié)B透性也未能得到體現(xiàn)。當(dāng)齡期達(dá)到120 d后,摻入粉煤灰的混凝土抗?jié)B性大幅度提升,并且在摻入量較低的條件下,粉煤灰的微集料效應(yīng)也能充分發(fā)揮;摻入礦渣時(shí),混凝土的抗?jié)B性得到了改善,并在摻入量為25%時(shí),抗?jié)B性最佳,這是因?yàn)榈V渣具有水硬性的特點(diǎn),其作用的發(fā)揮要比粉煤灰早;硅灰的摻入使混凝土的孔級(jí)配得到了改善,孔隙率降低,抗?jié)B性能提升;②對(duì)抗腐蝕性的影響。當(dāng)硫酸根離子滲入到混凝土結(jié)構(gòu)中,經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)過程,逐步導(dǎo)致混凝土性能退化。造成這種現(xiàn)象的原因在于以下兩個(gè)方面:一方面,混凝土的水灰比、孔隙率、骨料品種、外加劑等因素,會(huì)影響混凝土的密實(shí)度,以及混凝土中氫氧化鈣和水化鋁酸鈣的含量;另一方面,混凝土所處于的外部環(huán)境中的陽(yáng)離子類型、溶液溫度、硫酸根濃度、侵蝕溶液pH值等,會(huì)形成硫酸鹽反應(yīng)的發(fā)生條件,對(duì)混凝土的退化速度產(chǎn)生直接作用。試驗(yàn)表明,三種摻合料中,摻入粉煤灰的混凝土抗腐蝕性最佳;③對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響。在混凝土中摻入不同的礦物摻合料后,可有效改善混凝土中的砂漿孔隙結(jié)構(gòu),大幅度減少孔比表面積。隨著礦物摻合料摻量的增加,礦渣、硅灰、粉煤灰的孔比表面積會(huì)隨之減小。對(duì)于硅灰而言,當(dāng)摻量分別達(dá)到5%、8%、10%時(shí),與普通混凝土相比,其孔比表面積僅為普通混凝土的81%、60%、31%。由此可知,硅灰對(duì)混凝土孔比表面積的影響直接與其摻量有著密切關(guān)系;對(duì)于粉煤灰而言,其摻量的不斷提高并不能引起混凝土孔比表面積的隨之減少,只有在摻量達(dá)到20%時(shí),才能使混凝土孔比表面積得到最佳改善。

    2.2礦物摻合料的選用

    通過上述分析,在三種礦物摻合料中,粉煤灰可以改善混凝土的各方面性能,因此,本工程中,在混凝土配合比設(shè)計(jì)中,選用粉煤灰作為摻合料。工程中使用的粉煤灰為喀什電廠生產(chǎn)II級(jí)粉煤灰,其檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    表1 喀什電廠生產(chǎn)II級(jí)粉煤灰檢驗(yàn)結(jié)果表

    3 結(jié)語(yǔ)

    綜上所述,文章以新疆卡拉貝利水利工程為例,分析了不同摻合料對(duì)混凝土的影響,研究結(jié)果表明,在粉煤灰、礦渣、硅灰這三種摻合料中,粉煤灰對(duì)于改善混凝土各方面性能的效果最佳,故此,在該水利工程的混凝土配合比設(shè)計(jì)中,決定選用喀什電廠生產(chǎn)II級(jí)粉煤灰作為摻合料,借此來提升混凝土的性能,從而確保工程的建設(shè)質(zhì)量。

    [1]劉智超,許樹芳,劉曉佳,楊建房,張鈺.大摻量礦物摻合料混凝土在大清河下游西河右堤(西河閘段)防洪堤防除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用研究[J].海河水利,2014(1):84-86.

    [2]閻培渝,陳志城.含不同礦物摻合料的高強(qiáng)混凝土的自收縮特性[J].工業(yè)建筑,2013(8):52-54.

    [3]王喆,王棟民.不同復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能的影響差異[J].硅酸鹽通報(bào),2015(8):142-144.

    [4]楊迪.摻合料混凝土技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].吉林水利,2010 (1):111-113.

    [5]李文鵬,段新虹,李連喜.高性能混凝土在水利項(xiàng)目中的應(yīng)用與研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2010(10):47-49.

    [6]朱炳喜,許旭東.淺談提升水工混凝土耐久性的技術(shù)措施[J].江蘇水利,2014(S1):71-73.收稿日期:2016-06-21

    (責(zé)任編輯:左英勇)

    TU 528

    A

    1673-8853(2016)07-0128-02

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