摻不同粉煤灰的水工混凝土抗水滲透性分析

江 波

(大連莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

實(shí)質(zhì)上，碳化就是CO2不斷滲透到混凝土內(nèi)部，并促使水分遷移到較小飽和度區(qū)域的過(guò)程[1]。所以，改善水工混凝土的抗?jié)B性能是保證水工結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效運(yùn)行的關(guān)鍵。粉煤灰是可以替代部分水泥的一種膠凝材料，發(fā)揮著活性、微集料、形態(tài)等效應(yīng)[2-4]。摻入粉煤灰既能夠緩解內(nèi)部水化熱產(chǎn)生的溫升、延緩水化速度以及減少水化熱，還可以防止溫度裂縫的形成，有利于控制堿集料反應(yīng)、減小孔隙率、改善抗?jié)B性和降低工程成本等，提高水工結(jié)構(gòu)的后期強(qiáng)度穩(wěn)定性和使用年限[5-6]。

然而，現(xiàn)有研究比較側(cè)重于水工混凝土的力學(xué)性能及其抗壓強(qiáng)度方面，研究耐久性以及長(zhǎng)期性能的還較少，單一強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法滿(mǎn)足水工混凝土受各項(xiàng)目成本、環(huán)境、地理等因素產(chǎn)生的特殊要求[7-10]。鑒于此，文章通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，初步探討了不同種類(lèi)和不同摻量粉煤灰對(duì)混凝土抗?jié)B性的影響，并進(jìn)一步揭示了其作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 粉煤灰品質(zhì)

試驗(yàn)選用三種F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰，依據(jù)設(shè)計(jì)配合比確定總用量6km。粉煤灰性能?chē)?yán)格按篩分法等標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，主要儀器設(shè)備包括高溫箱式電阻爐、電子天平、水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀和水泥細(xì)度負(fù)壓篩分儀，試驗(yàn)用粉煤灰性能檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表1。經(jīng)檢測(cè)，本試驗(yàn)所選用的三種粉煤灰性能均達(dá)標(biāo)，能夠用于水工混凝土抗?jié)B性能研究。

表1 試驗(yàn)用粉煤灰性能檢測(cè)結(jié)果

1.2 抗水滲透性試驗(yàn)

試驗(yàn)選用海螺P·O 42.5級(jí)通用硅酸鹽水泥，整體呈灰色；粗骨料選用粒徑5～25mm的連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，表面呈青灰色；細(xì)骨料選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表面呈黃色。外加劑選用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，摻量按1.0%～2.0%的膠凝材料用量；拌合水用自來(lái)水，水工混凝土抗水滲透性能按照逐級(jí)施加水壓力的方式來(lái)測(cè)定。

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備主要有烘箱、加壓器、圓臺(tái)體試模、TCS-1型混凝土抗?jié)B儀、鋼直尺、鋼絲刷、松香、石蠟和鐘表等。

1.2.2 試驗(yàn)流程

1)步驟1：試件制備。①精準(zhǔn)稱(chēng)量所用原材料，并按照先粗細(xì)骨料、再膠凝材料、后水與外加劑混合液的順序投料攪拌，拌合均勻后倒出；②用高150mm、上口內(nèi)徑175mm、下口內(nèi)徑185mm的圓臺(tái)體鋼試模，每種摻量各成型3組，每組6個(gè)試件；③室內(nèi)靜置24h后拆模，將上、下兩面水泥漿膜利用鋼絲刷刷去后，立即送入標(biāo)養(yǎng)室護(hù)養(yǎng)護(hù)至28d，然后取出放入模擬自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)；④自然養(yǎng)護(hù)至28d、56d、90d時(shí)取出備用。

2)步驟2：密封試件。提前一天(以試驗(yàn)齡期為基準(zhǔn))從標(biāo)養(yǎng)室取出試件，待擦干晾干試件表面后，用內(nèi)加少量松香的熔化態(tài)石蠟涂抹其側(cè)面。然后將試件用加壓器壓入經(jīng)電爐或烘箱預(yù)熱的鋼試模內(nèi)，保持試模底部與試件相平齊，試模冷區(qū)后將壓力解除。預(yù)熱溫度以石蠟不滴落且能夠緩慢融化為準(zhǔn)。

3)步驟3：安裝試件。啟動(dòng)TCS-1型混凝土抗?jié)B儀，關(guān)閉中間總控泄水閥門(mén)并開(kāi)通所有6個(gè)試位下的閥門(mén)，確保水能夠從試位中心孔滲出，在6個(gè)試位坑都充滿(mǎn)水以后，將所有閥門(mén)關(guān)閉，在抗?jié)B儀上利用螺帽安裝固定已密封好的試件。

4)步驟4：逐級(jí)加壓。試件安裝完成后立即開(kāi)通試位下的閥門(mén)，并對(duì)中間總控泄水閥是否達(dá)到緊閉狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)以免漏壓。調(diào)整初始水壓0.1MPa，然后按每8h施加0.1MPa的原則逐級(jí)試壓，對(duì)試件端面滲水情況進(jìn)行隨時(shí)觀察。當(dāng)出現(xiàn)滲水的試件達(dá)到3個(gè)時(shí)則停止試驗(yàn)，并記錄相應(yīng)的水壓。實(shí)際操作時(shí)，若試件周邊出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，應(yīng)將該試件卸下，晾干后再次涂蠟密封。

5)步驟5：數(shù)據(jù)處理。對(duì)于試驗(yàn)中的6個(gè)試件時(shí)，以2個(gè)產(chǎn)生滲水時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大水壓作為抗?jié)B等級(jí)，其表達(dá)式如下：

W=10H

(1)

式中：H為2個(gè)試件滲水時(shí)的最大水壓力；MPa；W為水工混凝土抗?jié)B等級(jí)，MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

考慮到水工混凝土抗?jié)B性能受三種F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰的影響差別較小，可以不略不計(jì)的實(shí)際情況，故選用粉煤灰A探討不同摻量、不同齡期的抗?jié)B水壓變化特征，抗?jié)B水壓變化曲線，見(jiàn)圖1。

由圖1(a)可知：對(duì)比分析摻粉煤灰組和空白對(duì)照組的抗?jié)B性能，水工混凝土滲水高度隨強(qiáng)度的增大表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，即隨水工混凝土強(qiáng)度的增加其抗水滲透性能逐漸提高；對(duì)于粉煤灰A而言，摻量不超過(guò)30%的界限值時(shí)，水工混凝土抗水滲透性能隨粉煤灰摻量的增加而提高，此時(shí)粉煤灰的活性和微集料效應(yīng)顯著，但摻量>30%時(shí)以后其抗水滲透性能呈下降趨勢(shì)。

由圖1(b)可知：①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，水工混凝土中摻30%粉煤灰組抗?jié)B性最優(yōu)，其次為摻25%粉煤灰組，抗?jié)B水壓依次為1.2MPa和1.1MPa，而摻35%粉煤灰組的抗?jié)B性最差，抗?jié)B水壓只有0.7MPa；②標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56d時(shí)，各組試樣的抗?jié)B性能均有所提升，其中摻30%粉煤灰組抗?jié)B性最優(yōu)，抗?jié)B水壓達(dá)到1.6MPa；摻35%粉煤灰組的抗?jié)B性較28d齡期時(shí)明顯增加，抗?jié)B水壓提高0.8MPa達(dá)到了1.5MPa，抗?jié)B水壓力超過(guò)摻20%、25%粉煤灰組，位居第二，而未摻粉煤灰組的抗?jié)B性最差；③標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90d時(shí)，粉煤灰摻量越高則試樣的抗?jié)B性能越優(yōu)，摻35%粉煤灰組的混凝土抗?jié)B水壓最高為1.8MPa。

(a)不同摻量 (b)不同齡期

在水工混凝土中摻入粉煤灰A，雖然降低了混凝土早期強(qiáng)度及其抗孔隙水應(yīng)力的能力，但其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)明顯改善，在一定程度上增加了孔徑蜿蜒細(xì)度，水泥石中的毛細(xì)孔隙被水化產(chǎn)物C-S-H膠凝材料填塞，滲透通道明顯減小，有效增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性能。因此，粉煤灰是從早期強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面來(lái)影響混凝土的水壓滲透性能[11-12]。因此，如果是早期強(qiáng)度和抗孔隙水壓力起主導(dǎo)作用，則摻入粉煤灰會(huì)降低混凝土抗?jié)B能力；如果是孔隙結(jié)構(gòu)和密實(shí)度起主導(dǎo)作用，則摻入粉煤灰會(huì)增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能。通過(guò)試驗(yàn)研究，合理確定粉煤灰的最佳摻量具有非常重要意義。

2.2 水工混凝土滲透破壞機(jī)理

滲流是指氣體、液體等流體在介質(zhì)內(nèi)部孔隙中的流動(dòng)狀態(tài)，一般選用滲透系數(shù)衡量滲流的程度。由于內(nèi)部存在許多微孔隙、微裂紋等劣化因素，孔隙水壓和外圍水壓促使水向內(nèi)部的遷移，從而引起混凝土力學(xué)性能的劣化，大大降低水利工程的服役年限，甚至引起整體失穩(wěn)的情況。因此，有必要進(jìn)一步探討滲透破壞機(jī)理。

實(shí)際上，水工混凝土受水壓力作用時(shí)的耐久性能主要取決于粗細(xì)骨料、膠凝材料的力學(xué)性能以及兩者膠結(jié)面的微孔隙和微裂紋等情況。水泥石的滲透性明顯強(qiáng)于骨料，故水泥石的滲透性在很大程度上決定了水工混凝土的滲透性，而水泥石的滲透性又與水膠比密切相關(guān)，水膠比越大則孔隙率越高，水泥石中的毛細(xì)孔等相互連通體系也會(huì)增加，使得其抗?jié)B性明顯下降。

此外，熱脹與干縮作用產(chǎn)生的混凝土裂縫、澆筑成型振搗不密實(shí)等也會(huì)降低其抗?jié)B性能，水工結(jié)構(gòu)所處的外圍環(huán)境是否存在侵蝕性液體或氣體、溫度場(chǎng)、外荷載分布和大小等因素，也會(huì)影響其抗?jié)B性能。在不改變外界環(huán)境、養(yǎng)護(hù)和振搗等因素的情況下，本次試驗(yàn)僅探討了水工混凝土抗?jié)B性受不同粉煤灰摻量的影響[13-15]。

3 結(jié) 論

1)研究表明，本試驗(yàn)所選用的三種粉煤灰性能均達(dá)標(biāo)，能夠用于抗?jié)B性能試驗(yàn)研究，并且混凝土抗?jié)B性能受不同粉煤灰類(lèi)型的影響差別可以不略不計(jì)。

2)通過(guò)分析水工混凝土抗水滲透性與粉煤灰摻量、齡期之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d和56d時(shí)，隨粉煤灰摻量的增加其抗?jié)B性能均表現(xiàn)出先增強(qiáng)后變?nèi)醯牡淖兓厔?shì)，粉煤灰A的最佳摻量為30%；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰A的摻量越高則混凝土抗?jié)B性能越優(yōu)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際工程中粉煤灰摻量最高≤30%。