粉煤灰與礦渣復(fù)摻對渠道襯砌模袋混凝土流動性和力學(xué)性能的影響

謝天逸，婁宗科，霍軼珍，吉仁古日巴

(1. 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; 2.河套學(xué)院土木工程系，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000； 3.內(nèi)蒙古新禹水利水電工程建設(shè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，人均水資源占有量僅為世界人均水平的1/3，目前，農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的60%，用水效率偏低，灌溉水利用系數(shù)僅為0.51，渠系水利用系數(shù)0.55，而發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)水利用系數(shù)在0.8左右，因此，提高農(nóng)業(yè)水利用系數(shù)，減少農(nóng)業(yè)用水損失，還有相當(dāng)可觀的發(fā)展前景。渠道襯砌防滲可以有效減少輸水過程中的滲漏損失，是目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)水灌溉工程技術(shù)措施之一[1]，根據(jù)內(nèi)蒙古河套地區(qū)的測試結(jié)果，渠道襯砌可以提高渠系水利用系數(shù)20%以上[2]。但是，在廣大的北方季節(jié)性凍土區(qū)，受凍脹破壞的渠道襯砌占總量的50%以上，這成為影響渠道建設(shè)和農(nóng)業(yè)節(jié)水的一大問題，嚴(yán)重影響灌溉工程效益[3]。為了消除和減弱凍脹帶來的危害，美日俄等發(fā)達(dá)國家采用了架空、置槽、鋼筋混凝土襯砌等技術(shù)措施抵抗、消除凍脹，防滲防凍脹效果好[4]，但是這些工程措施造價高、投入大，因此，我國在結(jié)合自身實際的情況下發(fā)展了保溫隔熱措施、渠基土換填加固、防滲排水和膜料防滲等多種防滲抗凍脹技術(shù)措施，取得了顯著成果。然而，渠道襯砌的凍脹破壞問題并未妥善解決[5-8]，我國于20世紀(jì)80年代引入模袋混凝土技術(shù)[9]，由于模袋混凝土襯砌具有良好的整體性和便于機械化施工等優(yōu)點，表現(xiàn)出良好的凍脹融沉適應(yīng)能力和耐久性，在內(nèi)蒙河套灌區(qū)和黑龍江地區(qū)已獲得成功應(yīng)用。

渠道襯砌模袋混凝土要求高流動性以實現(xiàn)自密實，膠凝材料用量大，礦物摻合料可以起到改善混凝土性能、節(jié)約水泥用量的作用，因此，在模袋混凝土中摻入礦物摻合料非常必要。礦渣粉和粉煤灰作為工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大宗工業(yè)廢料，一直以來都作為礦物摻合料運用于各類混凝土生產(chǎn)中[10-11]，近年來國內(nèi)外學(xué)者對單摻礦物摻合料混凝土性能研究較多，閻培渝[12]研究了粉煤灰的作用機理，劉仍光等[13]研究了礦渣粉的水化特性。對復(fù)摻礦物摻合料混凝土雖有一定研究，還不夠完善，陳琳等[14]研究了粉煤灰礦渣粉復(fù)合膠凝材料的強度和水化作用，高小建等[15]研究了各種礦物摻合料對大流動性混凝土流變性能的影響，鄭建嵐等[16]研究了礦物摻合料對大流動性混凝土抗碳化作用的影響，王成啟等[17]研究了復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉對大流動性混凝土工作性變化和抗氯鹽侵蝕的影響。根據(jù)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)模袋混凝土襯砌現(xiàn)場充灌情況以及寒區(qū)渠道襯砌抗凍標(biāo)準(zhǔn)，要求模袋混凝土具有高流動性和高抗凍性，即要求混凝土拌合物有較高擴展度和含氣量以滿足流動性和抗凍性要求，因此，論文研究了粉煤灰和礦渣粉共摻對混凝土擴展度、含氣量及二者的1 h損失率和抗壓強度的影響，以1 h擴展度損失率和1 h含氣量損失率最小為目標(biāo)，尋求二者最優(yōu)搭配，為生產(chǎn)實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥采用冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度3 090 kg·m-3，粉煤灰采用II級粉煤灰，表觀密度2 301 kg·m-3，礦渣粉采用S105礦渣粉，表觀密度2 599 kg·m-3,細(xì)骨料使用渭河中砂，粗骨料使用渭河卵石，粒徑5～20 mm，砂石經(jīng)檢測均符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ52)規(guī)定，外加劑使用陜西秦奮建材生產(chǎn)的PCA-Q005聚羧酸減水劑，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》(GB8076)的有關(guān)規(guī)定。

1.2 試驗儀器與方法

1.2.1 混凝土擴展度及其損失率 混凝土擴展度使用坍落度桶與擴展度板進行測定，依據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[18]附錄中混凝土拌合物自密實性能試驗方法的相關(guān)規(guī)定，分別測定每一組拌和物的初始擴展度以及1 h擴展度，并計算擴展度1 h損失率，擴展度損失率計算公式為：

式中,EL為混凝土1 h擴展度損失率(%);E0為混凝土初始擴展度(mm)；E1為混凝土1 h擴展度(mm)。

1.2.2 含氣量損失率 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)屬于北方寒冷地區(qū)，混凝土受凍害嚴(yán)重，混凝土拌合物含氣量是預(yù)測硬化混凝土抗凍性的重要指標(biāo)，因此，論文測定了拌合物含氣量及其1 h損失率?；炷涟韬臀锖瑲饬渴褂萌毡救蠊旧a(chǎn)的LC-615A型混凝土含氣量測定儀測定，依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》[19]規(guī)定的混凝土拌合物含氣量試驗(氣壓法)，并結(jié)合《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[18]附錄中混凝土拌合物自密實性能試驗方法的相關(guān)規(guī)定，分別測定每一組拌和物的初始含氣量及1 h含氣量，并計算含氣量1 h損失率，含氣量損失率計算公式為：

式中,AL為混凝土1 h含氣量損失率(%)；A0為混凝土初始含氣量(%)；A1為混凝土1 h含氣量(%)。

混凝土抗壓強度試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》[19]中混凝土立方體抗壓強度試驗方法進行。

1.3 試驗設(shè)計

配合比采用《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[18]中規(guī)定的方法進行計算，設(shè)計強度等級C25，粗骨料體積率Vg=0.33，砂率50%，聚羧酸減水劑摻量0.6%，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%共4個水平，礦渣粉摻量分別為10%、15%、20%共3個水平，試驗因素水平及配合比見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 擴展度損失率

通過試拌控制擴展度為540 mm±20 mm條件下，混凝土拌合物擴展度1 h損失率如圖1所示。

由圖1可以看出，在礦渣粉摻量為10%時，模袋混凝土擴展度1 h損失率隨粉煤灰摻量增加而降低，即流動性保持能力隨粉煤灰摻量增加而提高；在礦渣粉摻量為15%、粉煤灰摻量不大于30%時，擴展度損失率由18.5%降低至16.4%，流動性保持能力隨粉煤灰摻量增加而提高，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到40%時擴展度損失率提高至16.7%，流動性保持能力相比粉煤灰摻量為30%時變化不顯著；在礦渣粉摻量為20%、粉煤灰摻量不大于30%時，擴展度損失率由17.9%降低至15.2%，流動性保持能力隨粉煤灰摻量增加而提高，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)40%時，擴展度損失率升高至16.1%，流動性保持能力反而有所降低。即粉煤灰摻量不大于30%時模袋混凝土的流動性保持能力隨礦渣粉摻量的增加而提高，粉煤灰摻量達(dá)40%時模袋混凝土流動性保持能力不隨礦渣粉摻量增加而改變，基本保持穩(wěn)定。

表1 試驗因素水平與配合比

圖1 礦物摻合料摻量對混凝土擴展度損失率的影響Fig.1 The influence of admixture content on the loss rate of concrete expansion

由此可見在多數(shù)情況下礦物摻合料摻量的增加對提高模袋混凝土拌和物流動性保持能力有正效應(yīng)，這是因為礦物摻合料相較水泥擁有更高的惰性，水化速率相當(dāng)緩慢，使用摻合料替代了部分水泥，使得在一定時間內(nèi)參與水化的水泥減少，水分消耗降低，水化產(chǎn)生的絮凝結(jié)構(gòu)減少，所以使得拌和物流動性在一定時間內(nèi)的降低減緩；同時，粉煤灰和礦渣粉比重比水泥小,細(xì)度比水泥大，有較大的比表面積，與水泥顆粒一起形成了更優(yōu)的顆粒級配，顆粒間的保水效果較高，減緩了蒸發(fā)速率；水泥對減水劑成分有較強的吸附作用，摻入礦物摻合料可以使水泥吸附的減水劑顆粒隨水化過程遷移至自由水中，維持漿體中減水劑濃度，保持減水劑塑化作用，保持混凝土流動性[20-22]。粉煤灰和礦渣粉更大的比表面積對混凝土流動性保持并非一直具有正效應(yīng)，更大的系統(tǒng)表面積需要更多的表面層水進行潤滑，當(dāng)摻合料摻量達(dá)到一定比例時，所需表面層水增多超過系統(tǒng)保水能力，此時負(fù)效應(yīng)超過正效應(yīng)，混凝土拌合物流動性保持能力降低，擴展度損失率提高。從圖1中可以看出當(dāng)粉煤灰摻量在30%～40%時，礦渣粉摻量10%、15%、20%的擴展度損失率分別降低、保持、增加；粉煤灰摻量達(dá)40%時，礦渣粉摻量變化對擴展度損失率幾乎沒有影響，這是因為粉煤灰顆粒最小，當(dāng)其摻量為40%時對混凝土拌合物流動性保持的負(fù)效應(yīng)已經(jīng)大過正效應(yīng)，雖然礦渣粉顆粒也較水泥更小，但是仍大于粉煤灰顆粒，所以礦渣粉摻量的變化對拌合物的影響小于粉煤灰。此時，擴展度損失率最低的最優(yōu)組合為復(fù)摻30%粉煤灰和20%礦渣粉，擴展度損失率為15.2%。

2.2 含氣量損失率

通過試拌含氣量控制在6%±0.5%條件下，混凝土拌合物含氣量1 h損失率如圖2所示。

從圖2中可以看出，在不同礦渣粉摻量下，粉煤灰摻量不大于30%時含氣量損失率隨粉煤灰摻量增加而降低，粉煤灰摻量達(dá)40%時含氣量損失率不再降低，與粉煤灰摻量為30%時處于同一水平；粉煤灰摻量不大于30%時含氣量損失率隨礦渣粉摻量增加而降低。

氣泡作為混凝土中重要的組成部分，存在于砂漿中，新拌混凝土中的氣泡經(jīng)過一段時間靜置，小氣泡聚合成大氣泡逸出砂漿，導(dǎo)致混凝土拌合物含氣量下降；由于水分蒸發(fā)和水泥水化會導(dǎo)致混凝土中水分減少，使得砂漿變干，減少了氣泡存在的介質(zhì)，也在一定程度上使含氣量損失率提高。因為礦物摻合料較大的細(xì)度和較小的比重，可以改善水泥單一的級配，減小細(xì)顆粒間的間隙，有效保持水分，減少蒸發(fā)，減少水化作用和水化熱，這對保持漿體體積，減少氣泡逸出是有益的，同時有研究指出[23]單摻或雙摻粉煤灰和礦渣粉都可以改善氣泡結(jié)構(gòu)，減小氣泡直徑，這可以減少拌和物中氣泡聚合逸出的可能性，對降低含氣量損失率也是有益的。所以摻合料摻量的提高可以有效降低混凝土含氣量損失率。當(dāng)粉煤灰摻量大于30%時含氣量損失率并未明顯降低是因為此時砂漿體系的需水量大于保水量，含氣量保持能力已達(dá)到臨界點，無法進一步降低。從圖2中看出含氣量損失率最低的最優(yōu)組合為復(fù)摻30%粉煤灰和20%礦渣粉，其含氣量損失率為20.0%。

圖2 礦物摻合料摻量對混凝土含氣量損失率的影響Fig.2 The influence of admixture content on the loss rate of air content

2.3 抗壓強度

不同粉煤灰和礦渣摻量組合下，混凝土7 d強度和28 d強度試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 礦物摻合料摻量對混凝土7 d強度的影響Fig.3 The influence of admixture content on 7 d strength of concrete

圖4 礦物摻合料摻量對混凝土28 d強度的影響Fig.4 The influence of admixture content on 28 d strength of concrete

分析圖3可知，混凝土試件7 d抗壓強度隨粉煤灰和礦渣粉摻量增加而降低，這是因為礦物摻合料活性較低，水化反應(yīng)速率比水泥慢，水化產(chǎn)物生成少，所以當(dāng)大量礦物摻合料替代水泥后混凝土早期強度有明顯降低；分析圖4可知，混凝土試件28 d抗壓強度較7 d抗壓強度有明顯提高，此時強度隨粉煤灰摻量增加而降低，并且隨礦渣粉摻量增加而提高，分析認(rèn)為，這是因為粉煤灰和礦渣粉通過水化產(chǎn)生的Ca(OH)2激發(fā)產(chǎn)生大量水化硅酸鈣，所以后期強度增長快，同時粉煤灰細(xì)度大、顆粒小，礦渣粉次之，水泥顆粒最大，三者良好的比例可以產(chǎn)生微集料效應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)更緊密，提高中后期強度，并且礦渣粉可與水泥水化時形成的Ca(OH)2進一步水化形成C-S-H凝膠，使界面區(qū)的Ca(OH)2晶粒變小，降低孔隙率以提高強度，所以抗壓強度隨礦渣粉摻量增加而提高。從圖4中可以看出，所有試件強度均達(dá)到設(shè)計強度等級C25要求，但是混凝土抗壓強度越高抗凍耐久性也越高，因此仍選擇強度較高的組合，此時強度最大組合為10%粉煤灰和20%礦渣粉，其抗壓強度為47.4 MPa。

3 結(jié)論與討論

1)粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻且當(dāng)粉煤灰摻量≤30%時，模袋混凝土擴展度損失率隨兩種摻合料摻量的增加而降低，由于粉煤灰和礦渣粉的比表面積較大，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到40%、礦渣粉摻量≥15%時，摻合料需要過量水分而導(dǎo)致水分不足，此時擴展度損失率沒有降低甚至有所提高，考慮擴展度損失率最優(yōu)時粉煤灰摻量和礦渣粉摻量分別為30%和20%，此時擴展度損失率為15.2%。

2)粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻且當(dāng)粉煤灰摻量≤30%時，含氣量損失率隨粉煤灰和礦渣粉摻量增加而降低，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到40%時，含氣量損失率有所提高，考慮含氣量損失率最優(yōu)時粉煤灰摻量和礦渣粉摻量分別為30%和20%，此時含氣量損失率為20.0%。

3)粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻時混凝土7 d抗壓強度隨摻合料摻量增加而降低，但是28 d抗壓強度全部達(dá)到設(shè)計強度等級，由于礦渣粉顆粒特征可以增強水泥礦渣粉煤灰復(fù)合膠凝材料密實度，28 d抗壓強度隨礦渣粉摻量增加而提高，粉煤灰摻量對28 d抗壓強度影響不大，考慮強度的最優(yōu)搭配為10%粉煤灰和20%礦渣粉，28 d抗壓強度為47.4 MPa。

綜合考慮擴展度損失率、含氣量損失率和抗壓強度，含氣量損失率與擴展度損失率最優(yōu)時，28 d抗壓強度為43.0 MPa，比最優(yōu)值低9.9%；28 d抗壓強度最優(yōu)時，含氣量損失率為23.3%，比最優(yōu)值高16.5%，擴展度損失率為17.9%，比最優(yōu)值高17.8%，并且使用更多礦物摻合料的組合可以減少水泥用量，節(jié)約工程成本。因此，渠道襯砌模袋混凝土復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉最優(yōu)搭配為30%粉煤灰和20%礦渣粉。