復(fù)摻粉煤灰+改性硅灰高性能水工混凝土試驗研究

劉麗梅 杜 丞

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

水利工程作為重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，其結(jié)構(gòu)的耐久性也備受關(guān)注，受凍融破壞、堿骨料反應(yīng)、鹽類侵蝕、地下水滲透等因素的影響，水工混凝土結(jié)構(gòu)的長期安全和穩(wěn)定受到嚴重考驗，故需要針對這些特殊環(huán)境下的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計更高性能的混凝土以滿足結(jié)構(gòu)對耐久性的要求[1-3]。

據(jù)統(tǒng)計，在大部分水利工程建設(shè)過程中，會受到堿活性骨料的影響，同時由于許多水工結(jié)構(gòu)位于地下，混凝土結(jié)構(gòu)容易受地下水和土壤所含侵蝕物質(zhì)的影響，造成結(jié)構(gòu)耐久性大幅降低，為保證工程質(zhì)量和長期安全穩(wěn)定，需要對混凝土進行改良，以提高混凝土抑制堿骨料反應(yīng)和抗鹽侵蝕的能力。在抑制堿骨料反應(yīng)方面，專家學(xué)者們提出了利用粉煤灰和硅灰復(fù)摻[4-5]、廢舊輪胎橡膠粉[6]或者其他輔助膠凝材料[7]進行改善和控制。廖孟柯等[8]專門研究了在鹽漬土環(huán)境下的混凝土抗鹽侵蝕性能，提出添加磨細礦渣摻和物可以有效提升混凝土的抗鹽侵蝕能力；王曉波等[9]對比分析了粉煤灰和礦渣粉對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，認為水工混凝土在干濕交替地區(qū)不宜摻入粉煤灰，但可適量摻入礦渣粉來延緩受侵蝕破壞的作用；王逸然等[10]則研究了不同種類、濃度鹽溶液對混凝土的侵蝕損傷情況，并建立了干濕循環(huán)次數(shù)與損傷變量之間的關(guān)系。

本文以粉煤灰+YK-Ⅲ改性硅灰為摻和料，設(shè)計了不同水膠比和摻和料摻量下的混凝土配比試驗，從強度、滲透性、骨料堿活性以及抗鹽侵蝕性四個方面進行了對比分析，以期能為類似地區(qū)水利工程建設(shè)提供幫助。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，平均密度為3.12g/cm3，比表面積為369m2/kg，初凝和終凝時間分別為154min和207min，3d抗壓和抗折強度為29.8MPa和6.1MPa，28d抗壓和抗折強度為46.3MPa和8MPa。

粉煤灰：Ⅱ級，密度為2.2g/cm3，比表面積為462m2/kg，細度為5.3%，燒失量為6.4%，需水量為102%，SO3含量為1.1%。

骨料：細骨料為天然河砂松散，堆積密度為1650kg/m3，吸水率為1.1%，孔隙率為37%，細度模數(shù)為2.9，含泥量為0.2%，屬Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料粒徑為5～20mm，70%～85%為火山灰凝灰?guī)r，具有較強的堿硅酸活性，松散堆積密度為1620kg/m3，吸水率為0.76%，孔隙率為39%，壓碎指標為3%，針片狀含量為4%，含泥量為0.1%。

外加劑：高性能減水劑和YK-Ⅲ(改性硅灰)高耐久性混凝土礦物外加劑。

水：實驗室自來水。

1.2 試驗配比

按照C45P8設(shè)計指標進行設(shè)計，試驗共設(shè)置三種水膠比(0.3、0.35和0.4)以及三種不同外摻料摻和量(粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%、粉煤灰34%+YK-Ⅲ6%、粉煤灰44%+YK-Ⅲ6%)，共計3×3=9種試驗配比。具體材料用量情況見表1。

表1 試驗配比設(shè)置情況

1.3 試驗內(nèi)容

根據(jù)上述配比拌制混凝土，經(jīng)標準養(yǎng)護過后，在對應(yīng)齡期下分別進行強度試驗、滲透試驗、抑制堿骨料反應(yīng)試驗以及抗硫酸鹽侵蝕試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 強度試驗結(jié)果

從試驗得到的不同實驗組不同齡期下的強度特征圖(見圖1)中可看到：相同水膠比下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的強度逐漸降低，這是因為粉煤灰等量代替水泥后，混凝土中水泥水化反應(yīng)減少，導(dǎo)致骨料之間聯(lián)結(jié)力降低，因而強度降低；相同粉煤灰摻量下，水膠比越大，混凝土的強度越低，水膠比過大，會造成混凝土在硬化過程中產(chǎn)生裂隙，從而降低試件的整體強度；當YK-Ⅲ(改性硅灰)的摻量一定時，摻入粉煤灰可以有效改善混凝土的拌和性能，但對于混凝土早期強度有一定影響，對于工程的施工進度不利，因此，應(yīng)適當控制粉煤灰的摻量。

圖1 強度試驗結(jié)果

2.2 電通量及抗?jié)B試驗結(jié)果

從試驗得到的不同實驗組電通量和滲水試驗結(jié)果圖(見圖2)中可以看到：各試驗組混凝土在氯離子溶液中的電通量試驗結(jié)果介于288～595C，遠小于規(guī)范要求的1000C，可見，試驗設(shè)計的高性能混凝土的氯離子滲透性很低，同時，相同水膠比下，粉煤灰摻量對于混凝土的電通量影響不大，但在相同粉煤灰摻量下時，水膠比越大，混凝土的電通量越大，這是因為水膠比越大，在混凝土硬化過程中形成的連通毛細管越多，同時還會增加混凝土中的游離水含量，導(dǎo)致混凝吸收鹽水的能力顯著增大，因此，高性能混凝土的水膠比一般不建議大于0.35；從滲水試驗結(jié)果來看，B-1(水膠比0.35，粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%)試驗組的滲水高度最小，僅為16.41mm，其次為C-2(水膠比0.40，粉煤灰34%+YK-Ⅲ6%)，滲水高度為17.83mm，A-1試驗組(水膠比0.30，粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%)的滲水高度最大，達到34.18mm，可見混凝土的抗?jié)B性不僅與水膠比有關(guān)，還與粉煤灰摻量有關(guān)，水膠比太小，不利于混凝土的拌和，容易在混凝土中形成孔隙結(jié)構(gòu)，水膠比太大，又容易導(dǎo)致硬化裂隙，粉煤灰的摻入能減少部分用水量并充當填充材料對混凝土的骨料結(jié)構(gòu)進行填充，提高了混凝土的密實性，因而適當摻入粉煤灰可以提升混凝土的抗?jié)B性，但是當粉煤灰摻量過高后，會造成膠凝材料用量過少，導(dǎo)致水化反應(yīng)不足，同樣對混凝土的抗?jié)B性不利。

圖2 電通量及抗?jié)B試驗結(jié)果

2.3 抑制堿骨料反應(yīng)試驗結(jié)果

采用快速砂漿棒法測得各試驗組在不同齡期下的膨脹率結(jié)果(見圖3)。受骨料生產(chǎn)限制，在水利工程施工過程中，有時不得不使用堿活性骨料，因此，需要抑制堿骨料反應(yīng)，在摻入粉煤灰和YK-Ⅲ(改性硅灰)后，混凝土在14d齡期下的膨脹率均未超過0.2%，14d齡期下的最大膨脹率僅為0.031%，而根據(jù)以往工程經(jīng)驗，普通標準混凝土試件14d膨脹率為0.24%，因此，摻入粉煤灰+改性硅灰后，能顯著降低混凝土的膨脹率，膨脹率降低率均大于75%，這是因為在混凝土硬化階段，粉煤灰和改性硅灰具有良好的火山灰效應(yīng)，堿物質(zhì)的存在使這些摻和料更加活化，能夠吸收和消耗混凝土中大量的堿物質(zhì)，因而可以起到良好的抑制堿骨料反應(yīng)的效果。

圖3 快速砂漿棒法試驗結(jié)果

2.4 抗硫酸鹽侵蝕試驗結(jié)果

采用“浸泡抗侵蝕性能試驗方法”對各組試驗混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性進行評價，并以抗蝕系數(shù)大小來評價各試驗組的抗硫酸鹽侵蝕能力，公式為

k=f侵蝕溶液/f淡水

(1)

式中k——抗蝕系數(shù)；

f侵蝕溶液——經(jīng)硫酸鹽溶液浸泡過后的試件抗折強度,MPa;

f淡水——淡水浸泡過后的試件抗折強度,MPa。

從試驗得到的各試驗組在28d齡期下在不同硫酸鹽濃度侵蝕浸泡28d的侵蝕系數(shù)對比(見圖4)中可以看到：當硫酸鹽濃度為1000mg/L時，各試驗組的抗蝕系數(shù)相差不大，且均大于0.98，表明低硫酸鹽濃度對混凝土的強度影響不大，而當硫酸鹽濃度為4000mg/L時，A-1組的抗蝕系數(shù)最大，為0.96，A-3組的抗蝕系數(shù)最小，為0.93，當硫酸鹽濃度為10000 mg/L時，A-1組的抗蝕系數(shù)最大，為0.92，B-2組的抗蝕系數(shù)最小，為0.89，當硫酸鹽濃度為20250mg/L時，A-1組的抗蝕系數(shù)最大，為0.89，B-3組的抗蝕系數(shù)最小，為0.84；從整體上看，隨著硫酸鹽濃度的增加，混凝土的抗蝕系數(shù)在逐漸減小，表明受到的侵蝕越來越嚴重；硫酸根離子進入混凝土與水泥基產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成具有膨脹性質(zhì)的石膏、鈣礬石等物質(zhì)，一旦膨脹力超過混凝土自身抗拉強度，則容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，而后造成更多的硫酸根離子進入混凝土進行反應(yīng)，從而形成惡性循環(huán)，因此，當環(huán)境中硫酸鹽濃度一定時，應(yīng)盡可能減少混凝土中堿含量，同時減少水化氯酸鈣的含量(即可適當減少水泥用量，用粉煤灰和改性硅灰做等量替代)，但是，當粉煤灰超過一定量時，會造成水化反應(yīng)不足，同樣會影響混凝土的密實性，從而影響其抗硫酸鹽侵蝕能力；如以抗蝕系數(shù)0.8來評價混凝土抗鹽侵蝕能力是否合格，可以發(fā)現(xiàn)，各試驗組的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)均大于0.8，表明本文提出的高性能混凝土具有較好的抗鹽侵蝕能力。

3 試驗結(jié)論

根據(jù)上文分析結(jié)果，從強度、抗?jié)B性、抑制堿骨料反應(yīng)效果以及抗硫酸鹽侵蝕能力等各項因素綜合考慮，認為A-1試驗組的綜合性能最佳：即水膠比為0.3，粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%，在此配比下混凝土具有最好的強度、抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕等特性，同時抑制堿骨料的性能也較佳，故推薦此配合比作為高性能水工混凝土的設(shè)計配比，供施工單位參考選用?？紤]到實際施工過程中混凝土拌制存在水量損失以及泵送性能等因素，對該配比再進行適當優(yōu)化，得到高性能混凝土的設(shè)計配比(見表2)。

表2 高性能水工混凝土推薦設(shè)計配比

4 結(jié) 語

對不同水膠比下復(fù)摻粉煤灰+改性硅灰的高性能水工混凝土進行了配比試驗研究，從強度、滲透性、抑制堿骨料反應(yīng)效果以及抗硫酸鹽侵蝕能力等多個方面對比分析了不同水膠比和摻和料摻量的混凝土性能，認為在改性硅灰含量一定的情況下，高性能水工混凝土的水膠比和粉煤灰摻量均不宜過大，當水膠比為0.3時，粉煤灰24%+改性硅灰6%的綜合性能最好，可為指導(dǎo)工程實踐提供幫助。