復(fù)摻摻合料進(jìn)水塔混凝土抗凍融性機(jī)理研究

鄭曉東，陳子寒，郭書亮

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000； 2.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 408000)

1 概 述

閃電河水庫位于河北省北端的張家口市沽源縣境內(nèi),最大壩高 12 m, 壩頂長度2 836 m。水庫地處高寒地帶(海拔高程1 440 m) ,年平均氣溫為1℃～2℃ , 最冷的時(shí)候氣溫為-37℃。水庫進(jìn)水塔由混凝土組成，溫差造成混凝土的凍融循環(huán)作用，對(duì)進(jìn)水塔混凝土的耐久性破壞是不可逆的，甚至?xí)?yán)重影響混凝土的使用壽命。

隨著混凝土應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，導(dǎo)致混凝土的原材料過度消耗，對(duì)環(huán)境造成不可逆的影響。而粉煤灰和尾礦砂這兩種工業(yè)廢渣，排放量大，處理方式單一，也對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，粉煤灰和尾礦砂可以作為水泥和細(xì)骨料的替代品摻入混凝土中，既能改善混凝土性能又能對(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)。

Vishal Singhal[1]用粉煤灰替代水泥后發(fā)現(xiàn)，混凝土的性能得到提升。Charith Herath[2]和Jinfeng Sun[3]均在論文中提到摻加粉煤灰后，混凝土前期強(qiáng)度低，后期混凝土強(qiáng)度會(huì)有所提升，高于普通混凝土。水膠比也會(huì)影響粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度影響，水膠比越高，強(qiáng)度越低[4]。趙丙芳[5]對(duì)粉煤灰和硅粉對(duì)寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)混凝土抗凍性能的影響進(jìn)行了分析，確定了抗凍性能良好的混凝土的粉煤灰和硅粉的最優(yōu)摻量。李勇[6]研究了不同水膠比和粉煤灰摻量混凝土的耐久性能，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入比控制在0.15、水膠比控制在0.3時(shí)，混凝土抗凍融環(huán)境性能最強(qiáng)。王晨霞等[7]研究了粉煤灰對(duì)再生混凝土抗凍性能研究，結(jié)果表明粉煤灰摻量15%時(shí)，再生混凝土抗凍性能最好，當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到100次以后，粉煤灰對(duì)再生混凝土促進(jìn)作用開始減弱。

王雪等[8]和張肖燕[9]均對(duì)尾礦砂混凝土進(jìn)行了抗凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融后的強(qiáng)度會(huì)隨著尾礦砂的增加而得到相應(yīng)的改善。李萌等[10]對(duì)不同尾礦砂替代率的再生骨料混凝土進(jìn)行立方體抗壓和軸心抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)證明不同尾礦砂取代率的混凝土強(qiáng)度均超過普通混凝土的強(qiáng)度。李天[11]對(duì)尾礦砂混凝土進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)表明相同配合比的情況下，尾礦砂混凝土強(qiáng)度高于普通混凝土。姚雷等[12]發(fā)現(xiàn)C30、C40的混凝土強(qiáng)度隨著尾礦砂替代率增加而增加，C50的混凝土摻入尾礦砂后強(qiáng)度降低。

綜上所述，單摻粉煤灰或尾礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性都有一定的影響，但是現(xiàn)有學(xué)者對(duì)兩種摻料復(fù)摻混凝土的研究較少。所以，將兩種材料復(fù)摻起來，既可以更高效地利用兩種材料，也可以改善混凝土抗凍性。所以，對(duì)復(fù)摻摻合料混凝土抗凍性機(jī)理研究是非常有必要的。本文將以進(jìn)水塔混凝土為背景，進(jìn)一步研究粉煤灰和尾礦砂作為摻合料對(duì)進(jìn)水塔混凝土抗凍融性能的影響，對(duì)混凝土在今后工程中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥：由河北太行水泥公司生產(chǎn)的 P.O 42.5水泥。粉煤灰：邯鄲某熱電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰。尾礦砂：邯鄲某尾礦的尾礦砂。粗骨料：選取機(jī)制碎石作為粗骨料，20～25 mm 連續(xù)級(jí)配。細(xì)骨料：中粗砂。水。

2.2 配合比

配合比嚴(yán)格按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)進(jìn)行計(jì)算，得到的配合比為水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水=438∶617∶1152∶193，W/B=0.44。然后根據(jù)不同的比例，粉煤灰替代水泥，尾礦砂替代細(xì)骨料，得到進(jìn)水塔混凝土配合比。見表1。

表1 進(jìn)水塔混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio of inlet tower

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本次試驗(yàn)試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，尺寸的換算系數(shù)0.95。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用變形控制，加載速率為0.2 mm/min。

混凝土試件抗壓強(qiáng)度測試，即測試加載過程中試樣所受最大應(yīng)力值，計(jì)算公式如下：

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載最大值，N；A為軸向承壓面積，mm2。

2.3.2 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)用方法是快速凍融法，試驗(yàn)以《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT-T 50082-2009)為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。試件在(-18±2)℃和(5±2)℃內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。試件內(nèi)外溫差不宜超過28℃。共凍融次數(shù)為100次。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。每隔25次測量混凝土質(zhì)量變化和動(dòng)彈性模量變化。

3 質(zhì)量結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度分析

3.1.1 粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析。

將一定量的水泥被粉煤灰替代后，抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表2。

表2 粉煤灰組抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result of compressive strength of fly ash group

由表2可知，7 d抗壓強(qiáng)度變化：F1>F2>F3>F4。F1組強(qiáng)度為36.25M Pa，F(xiàn)2組強(qiáng)度為24.57 MPa，F(xiàn)3組和F4組的強(qiáng)度為29.34和24.57 MPa?；炷?8 d強(qiáng)度隨著粉煤灰取代率增長而提高，F(xiàn)3組混凝土是4組中最大的抗壓強(qiáng)度值，強(qiáng)度值為48.65 MPa。

出現(xiàn)以上情況是因?yàn)樵谒磻?yīng)早期粉煤灰不參與反應(yīng)，粉煤灰替代水泥后，水泥數(shù)量減小，水化反應(yīng)在早期不明顯，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠緊密，導(dǎo)致前期強(qiáng)度低。到了后期，因?yàn)榉勖夯易陨砘钚耘c水泥中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，生成更致密的結(jié)構(gòu)，使混凝土后期強(qiáng)度得到增高[12]。28 d的強(qiáng)度先增長后降低，說明混凝土強(qiáng)度增加會(huì)隨著粉煤灰摻量增加達(dá)到一個(gè)極限值，在達(dá)到極限值以后混凝土強(qiáng)度會(huì)隨著摻量增加而降低。本試驗(yàn)中F3組強(qiáng)度，就是強(qiáng)度的極限值。

3.1.2 尾礦砂混凝土抗壓強(qiáng)度分析

為了更好地分析尾礦砂對(duì)不同齡期混凝土強(qiáng)度的性能，用不同比例的尾礦砂來替代細(xì)骨料進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 尾礦砂組抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Compressive strength test results of tailings sand group

由表3可知，齡期為7 d時(shí)，T1組強(qiáng)度為36.25 MPa，T2組的強(qiáng)度最高為42.86 MPa，T3和T4組的強(qiáng)度稍有下降，但仍高于T1組強(qiáng)度，強(qiáng)度分別為38.73和38.32 MPa。當(dāng)齡期28 d時(shí)，摻有尾礦砂的混凝土強(qiáng)度均高于普通混凝土的強(qiáng)度，T3組強(qiáng)度最高，強(qiáng)度為49.61 MPa。尾礦砂形狀多為棱角狀，相對(duì)于普通砂來講，可以使砂漿部分更加堅(jiān)固，所以7 d和28 d的養(yǎng)護(hù)齡期的尾礦砂混凝土高于普通混凝土。

3.1.3 復(fù)摻進(jìn)水塔混凝土抗壓強(qiáng)度測試

根據(jù)表1的配合比制成的混凝土試件，來進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 復(fù)摻進(jìn)水塔混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.4 Test results of compressive strength of mixed water tower concrete

由表4可知，7 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度最大的均是FT2組，強(qiáng)度分別為40.77和51.26 MPa，后期強(qiáng)度變化與早期強(qiáng)度變化相同。結(jié)合表2和表3得到的結(jié)論可以分析出，尾礦砂比天然砂更加堅(jiān)固，可以提高混凝土試塊的強(qiáng)度；粉煤灰早期不參加水化反應(yīng)，早期強(qiáng)度偏低，摻加25%尾礦砂強(qiáng)度最高，所以可斷定齡期7 d時(shí)，F(xiàn)T2組混凝土試件強(qiáng)度最高。齡期28 d時(shí)，粉煤灰參加反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，保證混凝土強(qiáng)度得到提升。與7 d一樣，28 d時(shí)強(qiáng)度最大的是FT2組。

將表4和表2的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)T2組試件的7 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度比F2組的試件分別高出18.48%和12.26%；FT3組試件和F3組試件相比，7 d強(qiáng)度復(fù)摻混凝土相對(duì)于單摻混凝土強(qiáng)度降低9.16%，當(dāng)齡期到28 d時(shí)，強(qiáng)度增加0.53%；FT4組試件7 d強(qiáng)度相對(duì)與F4組試件7 d強(qiáng)度增強(qiáng)7.16%，28 d時(shí)FT4組試件強(qiáng)度低于F4組試件強(qiáng)度，強(qiáng)度下降5.82%。

FT2組7 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度增加是因?yàn)槲驳V砂多棱角形狀使得混凝土變得更加堅(jiān)固，使FT2組混凝土強(qiáng)度增加；FT3組和FT4組的強(qiáng)度降低是因?yàn)槲驳V砂吸水性強(qiáng)，導(dǎo)致水化反應(yīng)不充分，最終導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。

將表4和表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)T2組試件和T2組強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，7 d強(qiáng)度時(shí)FT2組試件強(qiáng)度相比于T2組的強(qiáng)度下降4.87%，28 d強(qiáng)度增加6.06%；FT3組試件相對(duì)于T3組試件來說，7 d和28 d的強(qiáng)度均降低了，7 d強(qiáng)度下降的幅度比較大，下降31.19%，28 d下降幅度較小，下降1.41%；FT4組相較于T4組，7 d和28 d強(qiáng)度均下降，分別下降31.29%和26.78%。

通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻混凝土的7 d強(qiáng)度下降幅度大，主要因?yàn)榉勖夯仪捌诓粎⒓铀磻?yīng)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降幅度大，后期適當(dāng)摻加粉煤灰會(huì)生成膠凝面增加混凝土的強(qiáng)度，如FT2組28 d的強(qiáng)度是增加的，但當(dāng)摻量較大時(shí)，水泥量減小，影響水化反應(yīng)，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。

通過上面兩組對(duì)比可以看出，F(xiàn)T2組復(fù)摻混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，且強(qiáng)度高于同等級(jí)單摻的混凝土，當(dāng)粉煤灰混凝土摻加尾礦砂混凝土中，強(qiáng)度變化小于尾礦砂混凝土摻加粉煤灰，復(fù)摻混凝土中FT2組的混凝土強(qiáng)度是最好的。

3.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)分析

3.2.1 凍融試件情況分析

由凍融試驗(yàn)可知，不同配比的混凝土試件外形表現(xiàn)幾乎相同。未進(jìn)行凍融的試件表面光滑，試樣結(jié)構(gòu)緊密，未發(fā)現(xiàn)損傷。25次凍融循環(huán)后，試件表面逐漸變得不光滑，有空隙出現(xiàn)，表面有砂漿脫落，結(jié)構(gòu)完整無明顯變化。試件凍融循環(huán)50次以后，表面出現(xiàn)顆粒狀砂漿，出現(xiàn)大孔徑的空隙，試件表面粗糙程度明顯增加，有粗骨料裸露出來。試件在凍融循環(huán)75次之后，表面脫落的比較嚴(yán)重，砂漿部分幾乎全部脫落，可以明顯看到粗骨料裸露出來，部分試件結(jié)構(gòu)開始遭到破壞。循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次以后，表面砂漿全部脫落，粗骨料裸露在外，部分試件出現(xiàn)粗骨料脫落現(xiàn)象，還有一部分的試件發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重。

凍融循環(huán)對(duì)混凝土造成破壞的主要原因是混凝土內(nèi)部孔隙中的水在氣溫0℃的情況下，受凍結(jié)冰，在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力造成混凝土結(jié)構(gòu)損傷。每次循環(huán)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷不斷積累，裂縫擴(kuò)展延伸直到連接成一條條的通縫，破壞也從混凝土的表面向深層發(fā)展，導(dǎo)致材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞[13]。見圖1。

圖1 凍融0～100次混凝土試件Fig.1 Freeze-thaw concrete specimens for 0～100 times

3.2.2 質(zhì)量損失分析

見表5和圖2。

表5 混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量變化表

圖2 凍融循環(huán)后質(zhì)量變化對(duì)比圖Fig.2 Comparison of quality changes after freeze-thaw cycles

由表5和圖2可知，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到25次時(shí)，F(xiàn)T1組和FT3組的質(zhì)量分別減小0.11%和0.43%，F(xiàn)T2組和FT4組的質(zhì)量分別增長0.03%和0.31%；當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次時(shí)，除了FT2組以外，質(zhì)量損失全部增加，二組質(zhì)量增加0.15%，F(xiàn)T1組、FT3組和FT4組質(zhì)量損失分別為0.21%、0.48%和0.56%；凍融循環(huán)75次之后，F(xiàn)T1組的質(zhì)量損失0.42%，F(xiàn)T2組的質(zhì)量損失0.13%，F(xiàn)T3組和FT4組的損失最大，分別是0.81%和0.93%；凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)，F(xiàn)T1-FT4組質(zhì)量分別減小0.58%、0.17%、1.18%和1.18%。

在凍融循環(huán)的前、中期，F(xiàn)T2組和FT4組的質(zhì)量損失率都有增加，主要是因?yàn)榍捌诘牧芽p逐漸擴(kuò)大，試件的含水率提高，導(dǎo)致質(zhì)量增長[14]。到了后期，試件受凍融作用影響，表面的砂漿和粗骨料開始脫落，這是導(dǎo)致質(zhì)量損失的最主要的原因之一。通過圖3可以看出，F(xiàn)T2組的質(zhì)量損失是最穩(wěn)定的，因?yàn)榉勖夯铱梢酝ㄟ^加強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，提高混凝土的密實(shí)度，來降低凍融作用所帶來的影響。但是當(dāng)過量摻加后會(huì)影響水化反應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；尾礦砂可以使試件變得堅(jiān)硬，抗?jié)B性強(qiáng)，尾礦砂相對(duì)于粉煤灰來說對(duì)混凝土的水化反應(yīng)影響較小，進(jìn)而對(duì)混凝土的質(zhì)量損失影響較小。綜合以上結(jié)果,質(zhì)量損失最小配合比的是FT2組試件。

圖3 凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率變化圖Fig.3 Change of mass loss rate after freeze-thaw cycle

3.2.3 動(dòng)彈性模量分析

動(dòng)彈性模量是反映混凝土內(nèi)部致密性和性能變化的重要指標(biāo)之一，它可以直接反映出混凝土性能的衰減。由表6、圖4和圖5可知，F(xiàn)T1組未摻加任何摻合料的普通混凝土的動(dòng)彈性模量隨著凍融次數(shù)的增加而降低，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為86.9%、84.1%、79.98%和64.43%；FT2組下降的幅度相對(duì)于FT1組來說較緩，在75次以后還有短暫上升；FT2組在25～100次的凍融循環(huán)中的相對(duì)彈性模量分別為88%、88.1%、70.25%和76.47%；FT3組的動(dòng)彈性模量變化曲線和FT2組的變化曲線大致相似，凍融次數(shù)在0～25次時(shí)下降的比較明顯，之后下降趨勢(shì)平緩，相對(duì)動(dòng)彈性模量從93.7%下降至64.41%；FT4組在第100次時(shí)試件發(fā)生斷裂，試件發(fā)生的斷裂的原因是粉煤灰摻量過高，進(jìn)而影響了水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土試件強(qiáng)度降低，F(xiàn)T4組的凍融循環(huán)次數(shù)25～75次時(shí)的動(dòng)彈性模量為85.39%、76.03%和61.97%。

圖4 凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量變化對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart of dynamic elastic modulus changes after freeze-thaw cycles

圖5 凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of relative dynamic elastic modulus changes after freeze-thaw cycles

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，水化反應(yīng)是影響混凝土試件強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，水化反應(yīng)越完全，強(qiáng)度越高，抗凍融的效果越好，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，少量替代水泥不會(huì)影響水化反應(yīng)，粉煤灰可以生成C-S-H膠凝使混凝土強(qiáng)度增高。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到20%和30%時(shí)，水泥替代率相對(duì)較大，影響水化反應(yīng)，前期粉煤灰不參與反應(yīng)，試件強(qiáng)度較低，導(dǎo)致動(dòng)彈性模量下降較快；后期粉煤灰反應(yīng)生成膠凝，可以使混凝土的強(qiáng)度有所提升，致使動(dòng)彈性模量下降緩慢。尾礦砂的棱角顆粒可以使混凝土變得堅(jiān)固，但是吸水能力強(qiáng)，過量摻加也會(huì)影響水化反應(yīng)，進(jìn)而使混凝土試件強(qiáng)度降低，應(yīng)變較快，導(dǎo)致動(dòng)彈性模量下降。FT2組試件在凍融循環(huán)后期動(dòng)彈性模量提高，參照表4可知FT2組的強(qiáng)度在后期因?yàn)榉勖夯倚纬傻哪z凝而提高，同樣到了循環(huán)后期，F(xiàn)T2組強(qiáng)度提升導(dǎo)致動(dòng)彈性模量增高。

4 結(jié)論與展望

本文以閃電河水庫進(jìn)水塔混凝土為例，對(duì)4組摻有不同比例的粉煤灰和尾礦砂混凝土進(jìn)行了抗凍融試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了復(fù)摻摻合料進(jìn)水塔混凝土抗凍融機(jī)理，提出了復(fù)摻摻合料的最優(yōu)摻量，結(jié)論如下：

1) 當(dāng)混凝土只摻加粉煤灰來代替水泥時(shí)，在齡期28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度在摻量為20%時(shí)最強(qiáng)，在養(yǎng)護(hù)早期，摻量越大，強(qiáng)度越低；尾礦砂混凝土強(qiáng)度均高于普通混凝土的強(qiáng)度，強(qiáng)度在摻量50%時(shí)強(qiáng)度最高；復(fù)摻混凝土粉煤灰摻量為10%、尾礦砂為25%的情況下強(qiáng)度最高。

2) 試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，F(xiàn)T1和FT3組的試件質(zhì)量損失一直下降，F(xiàn)T2和FT4組在前期有短暫的上升，F(xiàn)T2組的質(zhì)量損失小于普通混凝土；動(dòng)彈性模量方面，F(xiàn)T1組、FT3組和FT4組動(dòng)彈性模量隨著凍融次數(shù)增加而降低，F(xiàn)T2組在后期有個(gè)提升。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)T2組試件強(qiáng)度最優(yōu)。