不同礦物摻合料改良大壩碾壓混凝土工程力學(xué)性能研究

鄒華勝

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，江西 南昌 330000)

碾壓混凝土因其低水泥用量、低發(fā)熱的特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于需快速澆筑的大壩建設(shè)中[1- 3]。常見(jiàn)普通大壩碾壓混凝土存在易開(kāi)裂、強(qiáng)度低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響大壩的長(zhǎng)期安全性，因此需要對(duì)混凝土進(jìn)行改性以提高其工程性能[4- 5]。

現(xiàn)有研究表明，選擇易于取得、價(jià)格低廉、品質(zhì)優(yōu)異的礦物摻合料替代性水泥是改善混凝土工程性能的重要研究方向。徐世烺等[6]利用硅灰改性碾壓混凝土并展開(kāi)了抗裂性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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。肖開(kāi)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(duì)碾壓混凝土的性能有一定影響，分析原因?yàn)槠湮锢沓涮?、化學(xué)反應(yīng)的綜合作用效果，進(jìn)一步指出在工程實(shí)踐中經(jīng)試驗(yàn)論證后再采用。

綜上所述，利用礦物改性混凝土工程性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)粉煤灰、礦粉、細(xì)石英砂等礦物摻和料改性碾壓混凝土的全面研究較少[8- 10]。本文設(shè)計(jì)了摻粉煤灰、礦粉和細(xì)石英砂混凝土3組試驗(yàn)并以普通混凝土為對(duì)照，系統(tǒng)測(cè)試多種混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及物質(zhì)成分，對(duì)比分析確定最佳摻和料種類(lèi)及比例，旨在為我國(guó)碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)提供一定借鑒。

1 工程概況

本次改性大壩混凝土試驗(yàn)研究依托于江西省某水電站，該水電站由攔河大壩、通航及發(fā)水引電系統(tǒng)等主要建筑物組成(如圖1所示)，水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)2.56億m3。該水庫(kù)正常蓄水位為1260m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.20億m3。電站裝機(jī)容量1200MW。壩底面高程1256.2m，壩頂長(zhǎng)度258m，壩頂頂寬8.2m，最大壩高124m。上下游反濾層與壩體之間設(shè)置了厚度為10m的過(guò)濾層。

圖1 水電站大壩工程

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 配比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)普通碾壓混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石=0.5∶1.0∶2.02∶2.52，利用粉煤灰、礦粉和細(xì)石英砂等量替代普通混凝土中的水泥成分，且設(shè)計(jì)3種不同礦物摻合料的摻量(10%、20%、30%)，得到普通混凝土、不同摻量的粉煤灰混凝土、不同摻量的礦粉混凝土和不同摻量的細(xì)石英砂混凝土共計(jì)10組混凝土試樣，各組試樣的具體摻量設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 不同礦粉混凝土試樣配比設(shè)計(jì) 單位：kg/m3

2.2 試驗(yàn)步驟

(1)稱(chēng)料攪拌。按照2.1節(jié)所述配比設(shè)計(jì)稱(chēng)量原材料后，在攪拌機(jī)內(nèi)混合攪拌均勻。需要說(shuō)明的是，碾壓混凝土是分4次加料的：首先加入砂、石，混合均勻后加入摻和料，然后添加2/3的水及減水劑攪勻，最后再加入1/3水。

(2)澆筑成型。碾壓混凝土實(shí)驗(yàn)室試件的制作采用插搗澆筑、振動(dòng)密實(shí)的方法，將試件模具置于振動(dòng)臺(tái)后進(jìn)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(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振實(shí)，分別養(yǎng)護(hù)至7、28、70d后開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)所用試件為150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件[11- 15]。

(3)開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)。采用混凝土萬(wàn)能試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量，其中抗壓強(qiáng)度與彈性模量測(cè)試的位移加載速度為0.3mm/min，劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試為0.15mm/min，加載過(guò)程中觀察試件形態(tài)并記錄破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載。

(4)利用滲水高度法對(duì)混凝土展開(kāi)滲透性測(cè)試，滲透性測(cè)試采用圓柱試樣。

(5)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。每組試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)試件，在剔除明顯異常測(cè)值后以平均值作為強(qiáng)度分析依據(jù)；按照試驗(yàn)規(guī)程計(jì)算試件抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量。

圖2 試樣與試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

不同礦物摻合料改性混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨礦物摻合料摻量的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可知，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度值為65.32MPa，隨著礦物摻合料摻量的逐漸增加，3種改性混凝土的抗藥強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。其中，粉煤灰混凝土(FC)的抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)出先穩(wěn)定不變后緩慢下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰混凝土中粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，此時(shí)改性混凝土的抗壓強(qiáng)度為60.13MPa，相對(duì)普通混凝土降低7.95%。礦粉混凝土(KC)的抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)出先增加后快速下降的變化趨勢(shì)，礦粉摻量為30%時(shí)混凝土的強(qiáng)度為63.15MPa，相對(duì)最大值下降9.18%。細(xì)石英砂混凝土(SC)的抗壓強(qiáng)度值則呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)細(xì)石英砂摻量為30%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到55.41MPa，相對(duì)普通混凝土降低15.17%。

不同礦物摻合料對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度具有非常明顯的影響，由圖3可知，對(duì)于不同改性混凝土，其抗壓強(qiáng)度符合礦粉混凝土>普通混凝土>粉煤灰混凝土>細(xì)石英砂混凝土的規(guī)律，因此可見(jiàn)，礦粉混凝土的抗壓能力最強(qiáng)，且當(dāng)?shù)V粉摻量為10%時(shí)，礦粉混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到69.53MPa，相比普通混凝土升高6.45%，具有非常明顯的改良效果。

圖3 不同礦物摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度隨礦物摻量變化關(guān)系

對(duì)礦物摻量為10%的不同礦物摻合料混凝土的單軸壓縮破壞形態(tài)展開(kāi)分析，由圖4可知，單軸壓縮條件下各混凝土的最終破壞形式均是張拉破壞，因此沿混凝土軸向出現(xiàn)較多的縱向裂紋。

圖4 不同礦物摻合的混凝土試件單軸壓縮破壞特征

3.2 抗拉強(qiáng)度

混凝土的抗拉強(qiáng)度是決定其最終破壞的重要參數(shù)之一，不同礦物摻合料、不同礦物摻量條件下混凝土試件的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，由圖可知，普通混凝土的抗拉強(qiáng)度為5.57MPa。相較于普通混凝土，粉煤灰混凝土的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度下降，且隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，不同粉煤灰摻量條件下混凝土的抗拉強(qiáng)度分別為5.54、5.3、5.22MPa。細(xì)石英砂混凝土的抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)則與粉煤灰混凝土相反，其抗拉強(qiáng)度較普通混凝土有一定幅度的提升，且抗拉強(qiáng)度隨著細(xì)石英砂摻量的升高而逐漸增大，相比普通混凝土分別提升3.77%、6.28%、9.69%。礦粉混凝土的抗拉強(qiáng)度較普通混凝土的提升較為明顯，摻10%礦粉的混凝土抗拉強(qiáng)度達(dá)到6.42MPa，較普通混凝土提升16.16%。此后礦粉混凝土的抗拉強(qiáng)度基本不變，礦粉摻量為20%和30%條件下混凝土的抗拉強(qiáng)度分別為6.38MPa和6.47MPa。

圖5 齡期—抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

3.3 XRD物質(zhì)成分檢測(cè)分析

普通混凝土和不同礦物摻合料混凝土的XRD物質(zhì)成分檢測(cè)結(jié)果如下圖6所示，由圖可知，細(xì)石英砂混凝土中的Ca(OH)2成分含量很少，而其他混凝土中均具有較多的Ca(OH)2成分。分析認(rèn)為，這是由于石英砂本質(zhì)上是二氧化硅和Ca(OH)2成分的反應(yīng)產(chǎn)物，因此細(xì)石英砂混凝土中Ca(OH)2成分含量很少。此外，進(jìn)一步可以觀察到，在礦粉混凝土中具有一定量的托勃莫來(lái)石，而托勃莫來(lái)石作為一種板狀晶態(tài)物，其對(duì)材料的強(qiáng)度具有非常好的強(qiáng)化作用，因此，結(jié)合前述章節(jié)不同混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，礦粉混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。

圖6 XRD物質(zhì)成分檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種利用不同礦物部分替代水泥制備改性混凝土的方法，室內(nèi)設(shè)計(jì)制備了不同摻量條件下的摻礦粉、粉煤灰和細(xì)石英砂混凝土并開(kāi)展了單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與物質(zhì)成分檢測(cè)試驗(yàn)。研究主要結(jié)論如下：

(1)不同混凝土的抗壓強(qiáng)度符合礦粉混凝土>普通混凝土>粉煤灰混凝土>細(xì)石英砂混凝土的規(guī)律。礦粉混凝土的抗壓能力最強(qiáng)，且當(dāng)?shù)V粉摻量為10%時(shí)，礦粉混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到69.53MPa，相比普通混凝土升高6.45%，具有非常明顯的改良效果。

(2)相較于普通混凝土，粉煤灰混凝土的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度下降，細(xì)石英砂較普通混凝土有一定幅度的提升。礦粉混凝土的抗拉強(qiáng)度較普通混凝土的提升較為明顯，摻10%礦粉的混凝土抗拉強(qiáng)度達(dá)到6.42MPa，較普通混凝土提升16.16%。

(3)根據(jù)XRD物質(zhì)成分檢測(cè)結(jié)果，礦粉混凝土的水化產(chǎn)物中具有一定量的托勃莫來(lái)石，其對(duì)材料的力學(xué)性質(zhì)具有非常好的強(qiáng)化作用。