粉煤灰及防裂劑對面板配合比性能的影響研究

邸國平， 代厚杰

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，太原 030002；2.山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，太原 030002)

0 引 言

澤城西安水電站，地處山西省晉中市左權(quán)縣境內(nèi)的清漳河上，樞紐工程主要由擋水壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、發(fā)電引水洞及水電站等建筑物組成，擋水壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高51.6 m，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用并為下游梯級(jí)水電站調(diào)節(jié)發(fā)電用水的水利樞紐工程[2]。

為滿足工程要求，本文從面板混凝土的配合比設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，主要研究分析加入粉煤灰[3]、防裂劑對混凝土的拌和性能(包括坍落度、和易性、黏聚性和析水情況)、力學(xué)性能(包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度)及耐久性能(包括抗?jié)B性能、抗凍性能)的影響，同時(shí)由于減水劑、引氣劑摻量的變化和水膠比的大小對混凝土耐久性的影響也比較大，對此也進(jìn)行了輔助性試驗(yàn)研究。

從配合比設(shè)計(jì)要滿足施工方便和滿足混凝土拌和物的工作性能方面考慮，面板混凝土配合比設(shè)計(jì)宜摻入引氣劑和高效減水劑[4,5]，主要作用是減少混凝土配合比中的用水量，降低水泥及其他膠凝材料的用量，改善混凝土拌和物的和易性、工作性，又能在一定條件下提升了混凝土的強(qiáng)度和耐久性等[4-6]。

選用混凝土防裂劑的主要目的是為了減少混凝土的前期收縮而產(chǎn)生的裂縫，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性，但防裂劑會(huì)對混凝土的強(qiáng)度、耐久性等方面會(huì)產(chǎn)生不利影響，所以需要對其進(jìn)行試驗(yàn)研究，選擇較為合理的摻量，獲得符合設(shè)計(jì)要求的混凝土配合比[7-10]。

1 配合比設(shè)計(jì)方案

根據(jù)面板混凝土自身的特點(diǎn)和相關(guān)設(shè)計(jì)要求，確定其耐久性技術(shù)指標(biāo)的范圍如下：強(qiáng)度等級(jí)C35～C45，抗?jié)B等級(jí)W6～W8，抗凍等級(jí)F100～F150[11]。面板混凝土的配合比參數(shù)有：用水量、水膠比、膠凝材料用量、砂率、粗骨料級(jí)配、防裂劑及相關(guān)外加劑的摻量等[12,13]，表1給出了按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求下各參數(shù)的取值范圍。

在配合比試配前，所使用的原材料都做了試驗(yàn)檢測分析，各原材料的物理力學(xué)性能、化學(xué)成分及品質(zhì)均滿足混凝土用料的要求。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用Ⅰ級(jí)灰[11]，細(xì)骨料砂選用中砂，粗骨料采用二級(jí)配 5～20、20～40 mm人工碎石[14]，減水劑選用DH3G型高效減水劑，引氣劑采用DH9引氣劑，防裂劑采用VF防裂劑。

表1 澤城西安水電站混凝土配合比各參數(shù)取值范圍Tab.1 The value range of each parameter of concrete mixture ratio in Zecheng Xi'an Hydropower Station

首先在基準(zhǔn)混凝土配合比試配基礎(chǔ)上，單獨(dú)加入粉煤灰，研究加入不同摻量的粉煤灰對混凝土各項(xiàng)性能的影響變化[15-17]；其次加入粉煤灰和防裂劑共同作用，在粉煤灰摻量不變的情況下，加入不同摻量的防裂劑對混凝土各項(xiàng)性能的變化進(jìn)行研究。

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)方案，在試配的基礎(chǔ)上，此次研究分析了如下15種組合試驗(yàn)，其他各原材料的選用及摻量均滿足配合比試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程的要求，表2為15種配合比組合試驗(yàn)情況。

2 配合比試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拌和性能試驗(yàn)結(jié)果分析

面板混凝土配合比拌和性能試驗(yàn)結(jié)果見表3，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在粉煤灰及防裂劑摻量不同的情況下，對混凝土的拌和性能影響分析如下：

表2 澤城西安水電站混凝土配合比組合試驗(yàn)Tab.2 The combination test of concrete mix ratio in Zecheng Xi'an Hydropower Station

表3 澤城西安水電站混凝土拌和性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The results of concrete mixing performance test in Zecheng Xi'an Hydropower Station

(1)首先粉煤灰選用的Ⅰ級(jí)灰，這樣對混凝土拌和物的黏聚性有較好的保證；其次在水泥用量和用水量基本相同的條件下，隨著粉煤灰摻量的逐漸增加，混凝土拌和物的和易性、黏聚性逐漸好轉(zhuǎn)，而且效果較為明顯，并無析水情況發(fā)生；所以在一定的情況下，增加膠凝材料粉煤灰的摻量，單純對混凝土的拌和性能是有利的。

(2)從拌和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入防裂劑和不摻防裂劑的混凝土配合比拌和性能相比較，兩者之間的拌和性能無明顯的差別，且均無析水情況發(fā)生，黏聚性及和易性都較好，所以防裂劑摻量在8%～12%的范圍內(nèi)，單純對混凝土的拌和性能而言影響較小，比較適宜。

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2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

面板混凝土的力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)按7 d和28 d齡期進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別從粉煤灰和防裂劑兩方面對混凝土力學(xué)性能的影響分析如下。

(1)粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響：從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在同一水膠比的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，不論是7 d還是28 d的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度都有不同程度的降低，圖1-3分別給出粉煤灰摻量與立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。

圖1 粉煤灰摻量與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of fly ash content and cube compressive strength

圖2 粉煤灰摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of fly ash content and splitting tensile strength

圖3 粉煤灰摻量與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of fly ash content and axial compressive strength

當(dāng)水膠比為0.45、0.35、0.30，且粉煤灰摻量為15%時(shí)，7 d立方體抗壓強(qiáng)度值分別為30.3、42.7、49.3 MPa；28 d立方體抗壓強(qiáng)度值分別為43.5、53.6、57.2 MPa。

當(dāng)粉煤灰摻量增加為25%時(shí)，7 d立方體抗壓強(qiáng)度值分別為25.1、38.2、46.7 MPa；28 d立方體抗壓強(qiáng)度值分別為41.2、47.8、54.2 MPa。7 d立方體抗壓強(qiáng)度降低了17.2%、10.5%、5.3%；28 d降低了5.3%、10.8%、5.2%。

從以上分析可以看出，水膠比較大時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度降低的幅度比28 d抗壓強(qiáng)度降低的幅度大；水膠比較小時(shí)，7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度的降低幅度基本相同。所以當(dāng)水膠比較大且對混凝土的前期強(qiáng)度要求比較高時(shí)，應(yīng)慎重考慮粉煤灰的摻量。

(2)防裂劑對混凝土強(qiáng)度的影響：從力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)可以看出，摻防裂劑的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度要低于不摻防裂劑的立方體抗壓強(qiáng)度，其軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有不同程度的降低。

當(dāng)粉煤灰摻量為15%、防裂劑摻量為10%的情況下，7、28 d的立方體抗壓強(qiáng)度，7、28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度及28 d軸心抗壓強(qiáng)度均隨著水膠比的減小而增大，具體關(guān)系曲線如圖4、5。

圖4 水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of water-binder ratio and compressive strength

圖5 水膠比與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between water-binder ratioand splitting tensile strength

圖6 防裂劑摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6 Rrelation curve of anti-crack agent content and compressive strength

圖7 防裂劑摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between the content of anti-cracking agent and the tensile strength of splitting

2.3 耐久性能試驗(yàn)結(jié)果分析

面板混凝土的耐久性各項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)在28 d齡期屆滿后進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別從摻入粉煤灰和防裂劑兩方面對混凝土耐久性的影響分析如下：

(1)粉煤灰對混凝土耐久性的影響：從試驗(yàn)結(jié)果看出，加入粉煤灰后有利于提升其抗?jié)B性能，15組試驗(yàn)抗?jié)B等級(jí)均大于W8，對混凝土的抗?jié)B性能并無明顯的負(fù)面影響。隨著配合比中的膠凝材料粉煤灰摻量的增加，混凝土試件的抗凍性能變差。其中，凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減小，D4～D9組試驗(yàn)，粉煤灰摻量在15%～20%時(shí)，抗凍等級(jí)均達(dá)到F200；D1～D3組試驗(yàn)，粉煤灰摻量為25%時(shí)，抗凍等級(jí)未能達(dá)到F200；圖8顯示相對動(dòng)彈性模量也隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸降低。

圖8 粉煤灰摻量與相對動(dòng)彈性模量關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between fly ash content and relative dynamic elastic modulus

(2)防裂劑對混凝土耐久性的影響：從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，加入防裂劑對混凝土的抗?jié)B性能沒有明顯影響，能滿足W8的抗?jié)B等級(jí)要求。加入防裂劑的混凝土抗凍等級(jí)也都能達(dá)到F200的要求，但從數(shù)據(jù)圖9、10可以看出，當(dāng)水膠比為0.38不變的條件下，隨著防裂劑摻量的增加，試驗(yàn)結(jié)果表明，相對動(dòng)彈性模量值在逐漸降低，質(zhì)量損失率也逐漸增大，綜合說明其抗凍性在降低，抗凍指標(biāo)的富余量也在降低，所以要滿足抗凍要求，混凝土中防裂劑摻量不宜過大。

圖9 防裂劑摻量與相對動(dòng)彈性模量關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve between the content of anti-cracking agent and relative dynamic elastic modulus

圖10 防裂劑摻量與質(zhì)量損失率關(guān)系曲線Fig.10 Relation curve of anti-crack agent content and mass loss rate

3 結(jié) 論

(1)適當(dāng)增加膠凝材料粉煤灰的摻量，對混凝土的拌和性能是有利的，既能增強(qiáng)混凝土拌和物的和易性與黏聚性又無析水情況發(fā)生；防裂劑摻量在8%～12%范圍內(nèi)時(shí)，單純對混凝土的拌和性能來說沒有太大影響，比較適宜。

(2)摻入粉煤灰對混凝土的拌和性能有利，又能節(jié)約水泥，減少投資，但超過一定的摻量后，對混凝土的強(qiáng)度及耐久性是有不利影響的；摻入防裂劑為了增強(qiáng)面板混凝土的抗裂性能，但同時(shí)也對混凝土的強(qiáng)度及耐久性產(chǎn)生負(fù)面作用。

(3)通過試驗(yàn)可知，當(dāng)粉煤灰摻量15%～20%之間、防裂劑摻量在8%～10%之間時(shí)為最佳摻量，此時(shí)對混凝土的拌和性能有利，對力學(xué)性能影響較小，也能滿足混凝土耐久性的要求，又能有效地發(fā)揮防裂劑對混凝土的抗裂性能的影響作用。

(4)在配合比其他參數(shù)不變的情況下，隨著粉煤灰和防裂劑摻量的增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗凍指標(biāo)都逐漸減小，兩者基本呈線性關(guān)系。

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