粉煤灰和礦渣雙摻混凝土彈性模量及抗?jié)B性研究

方小婉，張永樹，趙 瑤，姚汝方，婁宗科

(1西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2中建一局集團第二建筑有限公司，廣東 深圳518000； 3中建一局集團第三建筑有限公司，北京 100070)

北方寒旱區(qū)用于渠道襯砌的混凝土常年遭受凍融破壞[1]，極易發(fā)生開裂，造成渠道滲水[2-3]，嚴重影響工程的正常使用，同時維修需要花費大量人力物力。因此，提高渠道襯砌用混凝土的力學性能及抗?jié)B性能，延長工程的使用壽命具有重要的實際意義[4]。

粉煤灰和礦渣作為燃煤電廠和高爐煉鐵的副產(chǎn)品，絕大多數(shù)已經(jīng)被用于水泥和混凝土工業(yè)[5-6]。摻入粉煤灰和礦渣可以提高混凝土的耐久性能及力學性能[7-9]。目前多數(shù)研究是摻入其中一種摻合料，如張文郁等[10-11]認為，摻入稻殼混凝土質(zhì)量分數(shù)18%的粉煤灰后抗?jié)B性較好(滲透系數(shù)為0.714×10-8cm/s)；婁宗科等[12]認為，在混凝土中摻入600 g/kg的大摻量粉煤灰依然滿足渠道襯砌的要求，并且經(jīng)濟安全；王鵬等[13]認為，采用超量取代法(超量系數(shù)為1.3)，當粉煤灰摻量為膠凝材料總質(zhì)量的60%時，混凝土的抗?jié)B抗凍耐久性最好。也有學者將2種摻合料進行混摻，但也是按照某種特定比例進行，如秦力等[14]認為，粉煤灰摻量為膠凝材料總質(zhì)量的40%、礦渣摻量為膠凝材料總質(zhì)量的10%時，C50高強混凝土的耐久性最好；姜金起等[15]通過試驗得出粉煤灰摻量為膠凝材料總質(zhì)量的20%、礦渣摻量為膠凝材料總質(zhì)量的25%時,能滿足C50高性能混凝土的工作性及耐久性。為了進一步明確粉煤灰和礦渣摻量變化對渠道襯砌用混凝土工程性能的影響，本研究以用于渠道襯砌的混凝土為研究對象，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計，分析粉煤灰和礦渣的摻量對渠道襯砌混凝土力學性能及抗?jié)B性能的影響規(guī)律，以期為北方寒旱地區(qū)渠道襯砌用混凝土膠凝材料摻量選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水 泥 選用陜西冀東水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性能參數(shù)見表1。

表1 試驗用水泥的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the test cement

1.1.2 粗骨料 渭河卵石，表觀密度為2 650 kg/m3，粒徑為5～20 mm的連續(xù)級配。

1.1.3 細骨料 渭河河砂，表觀密度為2 700 kg/m3，堆積密度為1 550 kg/m3，含泥量15 g/kg，砂的細度模數(shù)為2.3，屬于中砂，級配合格。

1.1.4 粉煤灰 Ⅱ級粉煤灰，F(xiàn)類灰，其基本性能參數(shù)見表2。

表2 試驗用粉煤灰的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of fly ash used in test

1.1.5 ?；郀t礦渣粉 S95礦渣粉，其基本性能參數(shù)見表3。

1.1.6 減水劑 選用陜西秦奮建材生產(chǎn)的PCA-Q8085聚羧酸減水劑，減水率為35%。

1.1.7 水 滿足規(guī)范的實驗室自來水。

1.2 試驗設計

采用二元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計安排13組試驗，每組12個試件，其中6個試件尺寸為175 mm×185 mm×150 mm，用于抗?jié)B試驗；另外6個試件尺寸為Φ150 mm×300 mm，用于彈性模量試驗。根據(jù)文獻[12-14]對混凝土抗?jié)B性的研究，本試驗選取粉煤灰的摻量為0～600 g/kg，礦渣的摻量為0～300 g/kg。試驗因素水平編碼表見表4。

表3 試驗用礦渣粉的性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of slag powder used for test

表4 粉煤灰和礦渣摻量二元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計的因素水平編碼表Table 4 Factor levels of the binary quadratic universal rotary combination design of fly ash and slag contents

粉煤灰和礦渣的試驗水平與實際摻量之間的關系為：Z1=212X1+300，Z2=106X2+150[16]。

1.3 試驗方法

將直徑為150 mm，高度為300 mm的圓柱形彈性模量試件成型，將表面抹平；抗?jié)B試驗采用上口內(nèi)部直徑175 mm、下口內(nèi)部直徑185 mm和高度為150 mm的圓臺體試件，拆模時用鋼絲網(wǎng)將上下底面的水泥漿刷干凈，便于觀察試件的滲水情況。試驗按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352-2006)規(guī)定的混凝土靜力抗壓彈性模量試驗、相對滲透性試驗方法進行[17]。試驗中保持膠凝材料總量為352 kg/m3，砂率為0.45，水膠比為0.4，水的摻量為141 kg/m3，減水劑摻量為1.6 kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰和礦渣摻量二元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計結(jié)果

粉煤灰和礦渣摻量二元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計及彈性模量和相對滲透系數(shù)的試驗計算結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，試驗組3的彈性模量值最大為3.57×104MPa、試驗組1的彈性模量值最小為2.45×104MPa，在礦渣摻量為256 g/kg，粉煤灰摻量為512 g/kg時彈性模量顯著減??；試驗組6、8的相對滲透系數(shù)最大、試驗組9的相對滲透系數(shù)最小，在粉煤灰摻量為300 g/kg，礦渣摻量為150 g/kg時相對滲透系數(shù)顯著減小，抗?jié)B性增強。

表5 粉煤灰和礦渣摻量二元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計及試驗結(jié)果Table 5 Design and test results of bivariate secondary universal rotation combination design of fly ash and slag content

2.2 粉煤灰和礦渣摻量對彈性模量的影響

對試驗結(jié)果進行分析，可以得到混凝土彈性模量(Y1)與粉煤灰摻量(X1)和礦渣摻量(X2)相關的二元二次回歸模型為：

Y1=3.048 00-0.247 60X1+0.193 74X2-

(1)

對彈性模量的影響因素進行方差分析，結(jié)果如表6所示。

表6 粉煤灰和礦渣摻量對混凝土彈性模量影響的方差分析Table 6 Variance analysis of influence of fly ash and slag on elastic modulus of concrete

Y1′=3.048 00-0.247 60X1+0.193 74X2-

(2)

粉煤灰和礦渣對渠道襯砌用混凝土彈性模量影響程度可以用表6中偏相關系數(shù)絕對值的大小進行判斷，絕對值越大，影響程度越大[16]。因此，粉煤灰和礦渣對渠道襯砌用混凝土彈性模量作用程度為：粉煤灰摻量>礦渣摻量。

由圖1可以看出，在試驗水平為-1.414≤Xi≤1.414時，粉煤灰摻量的效應曲線近似為一條斜率為負的直線，礦渣摻量的效應曲線是一條開口向下的拋物線。當?shù)V渣摻量固定在零水平時，混凝土的彈性模量隨著粉煤灰摻量的增加而減小，當粉煤灰摻量固定在零水平時，混凝土的彈性模量隨著礦渣摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

粉煤灰和礦渣摻量對渠道襯砌用混凝土彈性模量交互作用的響應曲面和等值線如圖2所示。

圖1 粉煤灰和礦渣摻量對混凝土彈性模量影響的單因子效應曲線Fig.1 Single factor effect of fly ash and slag on elastic modulus of concrete

圖2 粉煤灰和礦渣摻量對混凝土彈性模量影響的交互作用Fig.2 Interaction effect of fly ash and slag on elastic modulus of concrete

由圖2可知，隨著粉煤灰摻量和礦渣摻量的增加，渠道襯砌用混凝土彈性模量整體呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢。原因是摻有粉煤灰和礦渣的混凝土強度主要由水泥水化的強度和火山灰效應的強度兩部分組成[18]，前期強度主要由水泥水化提供[19-20]，同時礦物摻合料的火山灰效應可以使水泥的水化產(chǎn)物分布更加均勻，水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密[21-23]，故彈性模量增加；當摻合料的摻量持續(xù)增加，水泥摻量持續(xù)減少時，水泥水化反應提供的強度較小，而火山灰效應對于混凝土的強度貢獻主要體現(xiàn)在后期(28 d之后)[24]，所以實測28 d混凝土的彈性模量會隨著摻合料的增加而減小。

由圖2還可以看出，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，混凝土彈性模量大于2.97×104MPa時，粉煤灰摻量試驗水平為-1.193～-0.417(粉煤灰摻量為50～210 g/kg)、礦渣試驗水平為0.417～1.193(礦渣摻量為200～270 g/kg)，則粉煤灰摻量和礦渣摻量總量最大為480 g/kg時滿足彈性模量要求。在試驗水平范圍內(nèi)混凝土彈性模量的最大值為3.8×104MPa，此時粉煤灰摻量的試驗水平為-1.414(粉煤灰摻量為0)、礦渣摻量的試驗水平為1.414(礦渣摻量為300 g/kg)。

2.3 粉煤灰和礦渣摻量對相對滲透系數(shù)的影響

混凝土相對滲透系數(shù)(Y2)與粉煤灰摻量(X1)和礦渣摻量(X2)相關的二元二次回歸模型如式(3)所示：

(3)

對相對滲透系數(shù)的影響因素進行方差分析，結(jié)果如表7所示。

表7 粉煤灰和礦渣摻量對混凝土相對滲透系數(shù)影響的方差分析Table 7 Variance analysis of the effect of fly ash and slag on relative permeability coefficient of concrete

在α=0.1顯著水平下剔除不顯著項(X2、X1X2)，簡化后高度顯著的回歸方程如式(4)所示：

(4)

由表7可知，在試驗取值范圍內(nèi)，粉煤灰和礦渣對渠道襯砌用混凝土相對滲透系數(shù)的作用程度表現(xiàn)為粉煤灰摻量>礦渣摻量。

由圖3可以看出，在試驗水平為-1.414≤Xi≤1.414時，粉煤灰摻量與礦渣摻量表征的效應曲線均是一條開口向上的拋物線，即隨著粉煤灰摻量與礦渣摻量的不斷增加，混凝土相對滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，表明粉煤灰和礦渣對于混凝土的抗?jié)B性存在一個最佳摻量。

粉煤灰和礦渣對渠道襯砌用混凝土相對滲透系數(shù)交互作用的分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著粉煤灰摻量和礦渣摻量的增加，渠道襯砌用混凝土相對滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。原因是粉煤灰和礦渣的摻入對水泥的漿體孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，減少了漿體結(jié)構(gòu)中的有害孔，同時降低了混凝土的孔隙率，使混凝土形成比較致密的結(jié)構(gòu)[25]，有利于提高混凝土的抗?jié)B性能，此時混凝土的抗?jié)B效果增強，并且存在1個最佳摻量；當粉煤灰和礦渣的摻量超過最佳摻量時，水泥的用量顯著減少，界面黏結(jié)能力不足，使得抗?jié)B效果減弱，這與劉數(shù)華等[26]的研究結(jié)果一致。

圖3 粉煤灰和礦渣摻量對混凝土相對滲透系數(shù)影響的單因子效應曲線Fig.3 Single factor effect of fly ash and slag on relative permeability coefficient of concrete

由圖4還可以看出，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，渠道襯砌用混凝土相對滲透系數(shù)小于1.12×10-8cm/s時，粉煤灰試驗水平為-1.104～0.048(粉煤灰摻量為90～310 g/kg)、礦渣試驗水平為-0.544～0.544(礦渣摻量為100～210 g/kg)，則粉煤灰摻量和礦渣摻量總量最大為520 g/kg時依然滿足抗?jié)B要求。在試驗水平范圍內(nèi)渠道襯砌用混凝土相對滲透系數(shù)的最小值為0.77×10-8cm/s，此時粉煤灰的試驗水平為-0.583(粉煤灰摻量為180 g/kg)、礦渣的試驗水平為0(礦渣摻量為150 g/kg)。

圖4 粉煤灰和礦渣摻量對混凝土相對滲透系數(shù)影響的交互作用 Fig.4 Interaction effect of fly ash and slag on relative permeability coefficient of concrete

3 結(jié) 論

1)粉煤灰和礦渣對渠道襯砌混凝土彈性模量及相對滲透系數(shù)的影響程度表現(xiàn)為粉煤灰>礦渣。

2)渠道襯砌用混凝土的彈性模量隨著粉煤灰和礦渣摻量的增加先增大后減小，彈性模量大于2.97×104MPa時粉煤灰摻量為50～210 g/kg、礦渣摻量為200～270 g/kg；粉煤灰摻量為0、礦渣摻量為300 g/kg時，彈性模量取得最大值3.8×104MPa。

3) 渠道襯砌用混凝土的相對滲透系數(shù)隨著粉煤灰和礦渣摻量的增加先減小后增加，相對滲透系數(shù)小于1.12×10-8cm/s時，粉煤灰摻量為90～310 g/kg、礦渣摻量為100～210 g/kg；粉煤灰摻量為180 g/kg、礦渣摻量為150 g/kg時抗?jié)B性最好，相對滲透系數(shù)值最小為0.77×10-8cm/s。

4) 粉煤灰和礦渣混摻可以提高渠道襯砌用混凝土的力學性能和抗?jié)B性能，大摻量下(粉煤灰摻量和礦渣摻量總量為400～500 g/kg)依然滿足渠道襯砌用混凝土的力學性能及抗?jié)B性能，具有良好的經(jīng)濟效益。