復(fù)摻粉煤灰+硅灰+石灰石粉大壩碾壓混凝土力學(xué)特性研究

易 韡

(浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概 述

碾壓混凝土因其低水泥用量、低發(fā)熱的特點，被廣泛應(yīng)用于需快速澆筑的大壩建設(shè)中[1]。國內(nèi)常見大壩碾壓混凝土主要以富膠凝材料為主，以粉煤灰為摻和料[2-3]。隨著粉煤灰在碾壓混凝土中的大量應(yīng)用，粉煤灰摻和料供應(yīng)日益緊張；加之水電工程大都位于西部偏遠地區(qū)，粉煤灰產(chǎn)地主要位于中東部地區(qū)，運輸成本高昂，粉煤灰在大壩混凝土中的應(yīng)用受到一定經(jīng)濟約束[4-5]。

因此，選擇易于取得、價格低廉、品質(zhì)優(yōu)異的粉煤灰替代性摻和料，是解決西部水利建設(shè)中粉煤灰短缺問題的重要研究方向[6]。在針對碾壓混凝土摻和料的現(xiàn)有研究中，肖開濤等[7]分析了摻加不同比例石灰石粉的碾壓混凝土物理力學(xué)性能，結(jié)果表明石灰石粉對碾壓混凝土的性能有一定影響，分析原因為其物理充填、化學(xué)反應(yīng)的綜合作用效果，進一步指出在工程實踐中經(jīng)試驗論證后再采用。徐世烺等[8]對摻加硅灰的碾壓混凝土進行抗裂性能試驗，得出了硅灰能夠改良碾壓混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、提高其抗裂能力的結(jié)論。

綜上所述，上述研究表明在碾壓混凝土中摻加硅灰、石灰石粉具有較好的技術(shù)可行性，但對粉煤灰、硅灰、石灰石粉多元摻和料的碾壓混凝土力學(xué)特性研究較少。本文設(shè)計了單摻硅灰、單摻石灰石粉、復(fù)摻硅灰與石灰石粉三組試驗，測試混凝土試件的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量，對比分析確定最佳摻和料種類及比例，旨在為我國碾壓混凝土配合比設(shè)計提供一定借鑒。

2 試驗設(shè)計

2.1 摻量設(shè)計

本次試驗?zāi)雺夯炷僚浜媳葹樗盟唷蒙啊檬?0.5∶1.0∶3.1∶4.9。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，按40%總量占比控制摻和料總量，此外按0.75%摻加減水劑。趙哲[9]的研究指出石灰石粉摻量可在總膠凝材料的20%左右，李理[10]則指出硅灰可等量替換5%左右的水泥。因此設(shè)計了三組不同摻和料的試驗組(見表1)。

表1 試驗組摻量設(shè)計

2.2 試驗步驟

a.稱料攪拌。按配比設(shè)計分4次加料，首先加入砂、石，混合均勻后加入摻和料，然后添加2/3水及減水劑攪勻，最后再加入1/3水。稱量原材料后，在攪拌機內(nèi)混合攪拌均勻。

b.澆筑成型。碾壓混凝土實驗室試件的制作采用插搗澆筑、振動密實的方法，將試件模具置于振動臺上進行分層裝料，在每層裝料完畢后插入搗棒均勻插搗，最后在試件上放置壓重塊啟動振動臺進行振實，分別養(yǎng)護至7天、28天、70天后開展強度試驗?？箟簭姸燃翱估瓘姸仍囼炈迷嚰?50mm標準立方體試件，彈性模量試驗為φ150×300mm的圓柱體試件。

c.開展強度試驗(見圖1)。采用混凝土萬能試驗設(shè)備測試試件的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量，其中抗壓強度與彈性模量測試的位移加載速度為0.3mm/min，劈裂抗拉強度測試為0.15mm/min，加載過程中觀察試件形態(tài)并記錄破壞時對應(yīng)的荷載。

圖1 試樣與試驗設(shè)備

d.試驗數(shù)據(jù)處理。每組試驗測試3個試件，在剔除明顯異常測值后以平均值作為強度分析依據(jù)；按照試驗規(guī)程[11]計算試件抗壓強度、抗拉強度及彈性模量。

3 試驗成果分析

3.1 抗壓強度

繪制不同齡期下的碾壓混凝土試件抗壓強度及其與養(yǎng)護時間的擬合曲線(見圖2)。

圖2 齡期—抗壓強度關(guān)系曲線

從早期(7天)抗壓強度值來看，三組試件的測值十分接近，混合摻加硅灰、石灰石粉的LSF試件早期抗壓強度略高，說明從早期抗壓強度角度分析，用硅灰、石灰石粉代替粉煤灰對碾壓混凝土是可行的，單摻、混摻硅灰與石灰石粉均不阻礙水泥的早期水化反應(yīng)。

從晚期(28天)抗壓強度值來看，三組試件的測值差異明顯，其中SF與LSF試件的28天抗壓強度接近且明顯高于LF試件，分別較LF試件高19%、23%，說明摻加硅灰對混凝土的抗壓強度發(fā)展有良好的促進作用。

從90天齡期抗壓強度值來看，摻加硅灰的混凝土強度明顯高于未摻加的，SF試件強度較LF高54%，LSF試件強度較LF高31%，說明摻加硅灰能夠有效提高混凝土的最終抗壓強度，且單摻硅灰條件下的最終強度最高。

三組試件的7天齡期抗壓強度增長速度接近，差值不超過9%，但后期抗壓強度增長速度差異明顯，28天齡期時增長速度由快到慢是LSF>SF>LF，90天齡期時增長速度由快到慢是SF>LSF>LF，可以看出單摻硅灰能顯著提高碾壓混凝土的抗壓強度且后期強度發(fā)展較快，單摻石灰石粉條件下碾壓混凝土的后期強度較低，復(fù)摻硅灰與石灰石粉條件下碾壓混凝土抗壓強度增長速度較為穩(wěn)定。

不同摻和料碾壓混凝土的養(yǎng)護齡期—抗壓強度曲線表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即隨著養(yǎng)護齡期的提升，其抗壓強度也不斷增大，二者之間呈正相關(guān)，但曲線的增長速率不斷降低；對碾壓混凝土的抗壓強度—養(yǎng)護齡期之間的關(guān)系進行擬合(見圖1)，發(fā)現(xiàn)二者之間符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)達到R2=0.8124。

3.2 彈性模量

從三組試件的彈性模量試驗結(jié)果(見表2)可以看出：SF、LSF試件彈性模量很接近，且均大于LF試件，說明單摻石灰石粉會降低碾壓混凝土的彈性模量，但在摻加石灰石粉的同時加入硅灰可以抵消這一負面影響；從彈性模量發(fā)展速度上看，三組試件發(fā)展規(guī)律類似，均為先快后慢，在28天齡期時彈性模量能增長至96%以上，其中單摻硅灰的SF試件能達到100%，說明硅灰的加入能加快提升碾壓混凝土的彈性模量。

表2 碾壓混凝土試件彈性模量測值

3.3 抗拉強度

從不同齡期下的立方體抗拉強度及齡期—抗拉強度關(guān)系曲線(見圖3)可以看出：早期(7天)與晚期(28天)抗拉強度排序均為LSF>SF>LF，具體表現(xiàn)為LSF試件的7天抗拉強度為1.02MPa，較SF高32%，較LF高10%，LSF試件的28天抗拉強度為1.94MPa，較SF高18%，較LF高3%，說明單摻或混摻硅灰與石灰石粉對碾壓混凝土的早期抗拉強度無不利影響，且硅灰的加入有助于早期抗拉強度的提高；90天齡期時的抗拉強度排序為SF>LSF>LF，SF試件抗拉強度為3.25MPa，較LF高53%，較LSF高30%，說明摻加硅灰能夠有效提高碾壓混凝土的最終抗拉強度，且石灰石粉的加入會一定程度上降低最終抗拉強度；三組試件的抗拉強度增長速度差異明顯，SF試件表現(xiàn)為早期慢、后期快，LSF試件為早期快、后期慢，LF試件強度發(fā)展速度一直處于較慢狀態(tài)，說明單摻硅灰能顯著提高碾壓混凝土的抗拉強度但后期強度發(fā)展較快，單摻石灰石粉不利于碾壓混凝土的后期抗拉強度發(fā)展，復(fù)摻硅灰與石灰石粉有利于碾壓混凝土抗拉強度增長速度的穩(wěn)定增長；三組碾壓混凝土試件的抗拉強度規(guī)律與抗壓強度類似，齡期越長強度越大，二者之間呈正相關(guān)，但曲線的增長速率不斷降低；對碾壓混凝土的抗拉強度—養(yǎng)護齡期之間符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)達到R2=0.9453。

圖3 齡期—抗拉強度關(guān)系曲線

3.4 滲透性

由表3可知，隨著養(yǎng)護時間的增加，不同配比混凝土試件的滲透性系數(shù)均呈逐漸減小的變化趨勢，表明養(yǎng)護時間增加能夠有效增強混凝土的抗?jié)B性。分析認為，養(yǎng)護時間越長，混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)越充分，不同顆粒間的膠結(jié)程度越高，同時顆粒間孔隙的填充效果也更好，因此混凝土的滲透系數(shù)逐漸減小。此外，進一步觀察到不同混凝土試件的滲透系數(shù)符合LF>LSF>SF，可見不同配比摻和料的大壩碾壓混凝種SF組混凝土的抗?jié)B性最好。

表3 不同碾壓混凝土試件滲透系數(shù)

4 結(jié) 論

本文用硅灰、石灰石粉替代碾壓混凝土中摻加的粉煤灰，通過室內(nèi)試驗對不同摻和料的碾壓混凝土特性進行研究，得到如下結(jié)論：碾壓混凝土試件的抗拉強度、抗壓強度與彈性模量發(fā)展規(guī)律類似，齡期越長強度越大，且隨時間的發(fā)展速度是先快后慢；單摻硅灰能顯著提高碾壓混凝土的強度但后期強度發(fā)展較快，單摻石灰石粉不利于碾壓混凝土的后期強度發(fā)展，復(fù)摻硅灰與石灰石粉有利于碾壓混凝土強度增長速度的穩(wěn)定增長；采用石灰石粉替代粉煤灰會一定程度弱化碾壓混凝土最終強度，而采用硅灰能夠促進強度的穩(wěn)定增長；采用5%硅灰與20%石灰石粉代替粉煤灰的碾壓混凝土具有較高強度和較高的抗?jié)B性，且強度發(fā)展速度平穩(wěn)，可以應(yīng)用于碾壓混凝土中。