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）

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。

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（責(zé)任編輯：左英勇）

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