粉煤灰對大壩濕篩二級配混凝土性能的影響

王希鴻

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400）

0 引言

水利工程大壩建設是水利水電發(fā)展的重要標志，對水資源的開發(fā)利用發(fā)揮著重要作用。 大壩混凝土作為大壩的主體材料，具有強度、抗?jié)B、抗凍等技術要求， 而混凝土特性很大程度上是由原材料性質及配合比決定， 因此對大壩混凝土配合比及性能進行試驗研究對工程應用具有重要意義。

1 原材料及配合比

試驗所用水泥為 P·LH 42.5， 粉煤灰為 I 級灰，砂為人工砂，碎石為5~20 mm、20~40 mm、40~80 mm、80~120 mm 四種粒徑的人工碎石， 外加劑為萘系高效減水劑 （JM-II） 和混凝土高效引氣劑（GYQ-I），水為生活用水。

采用X 射線衍射分析 （XRD） 測試水泥礦物組成，如表1 所示，測試結果表明，水泥中C3A 含量極少、C2S 含量超過40%，滿足低熱水泥規(guī)范要求；采用X 射線熒光分析測試水泥化學成分， 結果如表2 所示。

表1 水泥物相組成 %

試驗所用粉煤灰SEM 掃描電鏡檢測的外觀形貌如圖1 所示。 檢測結果表明，粉煤灰顆粒級配合理、 雜質較好， 通過試驗測得粉煤灰需水量比為93%，燒失量為4.2%。

圖1 粉煤灰SEM 圖像

表2 中熱水泥、煤粉灰、硅粉化學組成 %

選取某工程大壩混凝土進行配合比試驗研究，該混凝土強度設計等級為C18030，抗?jié)B性設計等級為W12，抗凍性設計等級為F200，試驗研究了不同粉煤灰摻量對大壩混凝土的影響，配合比如表3 所示，外加劑用量根據(jù)混凝土工作性進行調整。混凝土采用自落式攪拌機進行攪拌成型，新拌混凝土攪拌完成后， 用潤濕的40 mm 方孔篩篩除大石和特大石再進行試塊成型， 即濕篩二級配混凝土成型。

表3 大壩混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土工作性

隨著粉煤灰摻量的增加， 混凝土坍落度也隨之增大，相同坍落度情況下，粉煤灰摻量越多，減水劑用量越小，由此可知，粉煤灰能夠改善大壩混凝土工作性能，主要原因是粉煤灰的形態(tài)效應，試驗所選用粉煤灰中含有大量的玻璃微珠 （圖1 中球形顆粒），微珠能使水泥砂漿黏度和顆粒之間的摩擦力降低，使水泥顆粒均勻分散，在相同稠度條件下減小用水量，改善混凝土和易性能[1]。

2.2 混凝土力學性能

對大壩混凝土進行力學性能測試，包括抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等，試驗參照SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行，抗壓強度、劈拉強度試塊大小為150 mm×150 mm×150 mm， 彈性模量試塊大小為 150 mm×150 mm×300 mm。 大壩混凝土抗壓強度及劈拉強度如表4 所示。

表4 大壩混凝土力學性能試驗結果

由表4 可知，隨著粉煤灰摻量的增加，大壩混凝土抗壓強度和劈拉強度降低，尤其是早期強度降低幅度明顯；180 d 時35%粉煤灰摻量較25%摻量的強度基本相當， 甚至略高， 而45%粉煤灰摻量時，混凝土早后期強度均低于25%摻量時；不同粉煤灰摻量的混凝土彈性模量試驗結果也有類似規(guī)律。 其原因是粉煤灰具有微集料效應，能夠改善膠凝材料的顆粒級配，填充混凝土的細小孔隙，使混凝土結構更加致密；同時，由于粉煤灰的火山灰效應，粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3等與石灰或水泥水化產(chǎn)物在有水存在的情況下發(fā)生化學反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等物質，有利于混凝土強度的提高。 但粉煤灰由于自身活性較低，火山灰反應緩慢，水泥水化活性遠遠高于粉煤灰，粉煤灰摻量高時水泥用量就會降低，因此低粉煤灰摻量混凝土早期強度降低，后期會有所提高，而粉煤灰摻量過高則會造成混凝土早后期強度均明顯降低。

2.3 混凝土耐久性

（1）抗水滲透性能

采用逐級加壓法測試大壩濕篩二級配混凝土抗?jié)B等級，參照SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。 粉煤灰摻量為25%時，水壓加至1.3 MPa時出現(xiàn)2 個試件表面滲水； 粉煤灰摻量為35%和45%時，水壓加至1.5 MPa 時出現(xiàn)1 個試件表面滲水。 試驗結果表明，粉煤灰摻量為25%~45%時，三組配合比混凝土抗?jié)B等級均滿足W12 要求， 且粉煤灰摻量的增加有利于提高混凝土抗?jié)B性。

（2）抗凍性能

試驗依照SL352—2006 《水工混凝土試驗規(guī)程》進行，經(jīng)過凍融循環(huán)后測試混凝土試塊質量損失率，混凝土抗凍性試驗結果如圖2 所示。 由圖2可知，隨著粉煤灰摻量的增加，相同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件質量損失率逐漸增加。粉煤灰摻量為25%時，300 次凍融循環(huán)后， 混凝土質量損失率為4.85%，小于規(guī)范中5%的臨界值；而粉煤灰摻量為45%時，250 次凍融循環(huán)后， 混凝土質量損失率為5.26%，發(fā)生凍融破壞。 說明大壩混凝土抗凍性能隨粉煤灰摻量增加而降低，對于有抗凍性要求的混凝土應根據(jù)試驗結果確定粉煤灰摻量。

圖2 濕篩二級配大壩混凝土抗凍性試驗結果

2.4 混凝土收縮變形

對表3 中幾組配合比下大壩混凝土進行干燥收縮試驗，試驗結果如圖3 所示。由圖3 可知，大壩混凝土干燥收縮隨著齡期增長而逐漸增大，前期收縮變化較快，90 d 后收縮變形趨于穩(wěn)定；隨著粉煤灰摻量增加，大壩混凝土干燥收縮率降低，粉煤灰摻量為25%、35%、45%時混凝土180 d 干燥收縮率分別為 193×10-6、180×10-6、153×10-6。主要原因是粉煤灰摻量加大，相應的水泥用量降低，其水化產(chǎn)物大大減少，此外由于粉煤灰的微集料效應使粉煤灰細化了混凝土中的孔隙， 增加了混凝土密實性，從而減少了水分蒸發(fā)，有利于減小干燥收縮。

圖3 濕篩二級配大壩混凝土干燥收縮

3 結語

在大壩混凝土中摻入粉煤灰后有利于提高混凝土工作性、力學性能及耐久性能。 由于粉煤灰的形態(tài)效應及微集料效應能夠改善大壩混凝土和易性，低摻量粉煤灰時，混凝土早期強度降低，后期強度影響較小，而大摻量粉煤灰時由于取代水泥會造成混凝土強度降低較大。 隨著粉煤灰摻量增加，大壩混凝土抗?jié)B性提高，抗凍性則略有下降，同時干燥收縮減小。 因此，在工程應用時應根據(jù)實際需求及試驗結果，綜合考慮混凝土各項性能指標，合理選用粉煤灰摻量[2]。