水工混凝土復(fù)摻硅粉與粉煤灰的抗沖磨及抗裂性研究

馮寶君

(葫蘆島市綏中縣水利建筑工程公司，遼寧 葫蘆島 125200)

我國(guó)北方地區(qū)的河流含沙石多，水流速度大，在消力池、溢洪道等處許多水電站使用了抗沖磨混凝土，對(duì)于減輕磨蝕、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)服役年限等發(fā)揮著顯著成效[1]。近年來(lái)，許多學(xué)者集中于抗沖磨混凝土配合比、原材料等方面的研究，而對(duì)混凝土受持沙高速水流沖擊等引起的開(kāi)裂問(wèn)題研究得較少，對(duì)此應(yīng)引起高度重視[2-5]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滲漏侵蝕和開(kāi)裂是水工混凝土較為普遍的破壞形式，特別是抗沖磨混凝土受含沙石水流的沖擊磨損極易產(chǎn)生開(kāi)裂[6-10]。部分溢洪道底孔、閘室過(guò)流斷面等面臨著較為突出的開(kāi)裂問(wèn)題，這是由于混凝土澆筑初期易出現(xiàn)塑性收縮，當(dāng)齡期混凝土抗拉強(qiáng)度低于收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，此外混凝土受推移質(zhì)、高速持沙水流等影響產(chǎn)生沖擊碰撞和滑動(dòng)摩擦開(kāi)裂，混凝土抗裂性在這種特殊環(huán)境下就顯得非常重要[11-12]。

因此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)一系列不同配合比探討了水工混凝土的抗沖磨及其抗裂性能，并結(jié)合水泥基膠凝材料水化產(chǎn)物分析了硅粉和粉煤灰的最佳摻量，旨在為實(shí)際工程中抗沖磨混凝土的推廣應(yīng)用提供一定借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及性質(zhì)

本試驗(yàn)所用原材料主要有高效減水劑DC-WR1、粗細(xì)骨料、硅粉、粉煤灰和水泥等，各種材料性質(zhì)如表1～表4。其中，水泥選用“海螺牌”P(pán)·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級(jí)；硅粉S95級(jí)；粗骨料選擇人工碎石，由20～40 mm中石和5～20 mm小石2種級(jí)配組成；細(xì)骨料選用天然河沙。

表1 水泥性質(zhì)

表2 粉煤灰與硅粉性質(zhì)

表3 粗細(xì)骨料性質(zhì)

表4 DC-WR1高效減水劑性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

從配合比設(shè)計(jì)、原材料等角度入手，通過(guò)摻入適量的礦物摻合料和外加劑配制抗沖磨性能優(yōu)異的混凝土，探討不同摻合料對(duì)抗沖磨性的影響。本試驗(yàn)充分考慮有關(guān)要求和規(guī)范推薦的方法設(shè)計(jì)配合比，配制抗沖磨混凝土并測(cè)定28 d抗壓強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度，如表5。其中，膠凝材料、硅粉、粉煤灰、水泥分別用B、KF、FH、C來(lái)表示。對(duì)比分析表5，結(jié)果顯示各組混凝土的抗沖磨性整體優(yōu)異，各設(shè)計(jì)配合比均能達(dá)到高強(qiáng)度要求，摻入硅粉有利于改善試樣抗沖磨性能。

表5 配合比設(shè)計(jì)與抗沖磨強(qiáng)度

1.3 試驗(yàn)方法

(1)脆性系數(shù)的計(jì)算。設(shè)計(jì)試件成型尺寸長(zhǎng)160 mm×寬40 mm×高40 mm，成型后按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，然后先后完成抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用下式計(jì)算脆性系數(shù)P，即：

P=f壓/f折

(1)

式中：f壓、f折代表抗壓與抗折強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，MPa。

(2)干縮率的計(jì)算。設(shè)計(jì)試件成型尺寸長(zhǎng)160 mm×寬40 mm×高40 mm，成型后室溫靜置24 h拆模、編號(hào)，然后立即用測(cè)長(zhǎng)儀按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)要求完成第1次測(cè)長(zhǎng)(基準(zhǔn)長(zhǎng)度L0)，考慮規(guī)范要求誤差范圍取同一條件下多次測(cè)量結(jié)果的平準(zhǔn)值作為L(zhǎng)0值，完成L0測(cè)量后放入濕度60±5%、溫度20±2℃的特定條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(td)，并測(cè)試取出測(cè)長(zhǎng)Lt。結(jié)合上述測(cè)量結(jié)果利用下式計(jì)算干縮率，即：

εt=(Lt-L0)/(160+L0-2Δ)

(2)

式中：L0、Lt代表試樣基準(zhǔn)長(zhǎng)度和齡期為t時(shí)的長(zhǎng)度，mm；εt代表齡期為t時(shí)的干縮率；Δ代表測(cè)頭長(zhǎng)度，mm。

2 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)利用5 mm方孔篩將按表5配合比配制的抗沖磨混凝土篩出小石、中石，以形成的砂漿體為試驗(yàn)對(duì)象探討其干縮率與脆性系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比抗裂性能差異。

2.1 脆性系數(shù)

脆性系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表6，齡期、脆性指標(biāo)、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1～圖3。

表6 不同齡期的脆性系數(shù)和強(qiáng)度值

1)脆性系數(shù)與粉煤灰摻量的關(guān)系。由圖1可知，以SY-1(粉煤灰摻量10%)為基準(zhǔn)組，隨著粉煤灰摻量增大脆性系數(shù)均明顯下降，即粉煤灰摻量20%、30%能夠在一定程度上提高混凝土抗裂性能。結(jié)合表6中數(shù)據(jù)，單摻粉煤灰20%時(shí)混凝土的脆性系數(shù)最低。

圖1 脆弱性系數(shù)與齡期關(guān)系(SY-1、SY-2、SY-3)

2)脆性系數(shù)與硅粉摻量的關(guān)系。由圖2可知，SY-4、SY-5、SY-6單摻6%、8%、10%的硅粉，隨硅粉摻量增加脆性系數(shù)呈逐漸增大趨勢(shì)，單摻適量的硅粉使得混凝土抗裂性降低，但有利于提高試樣抗壓強(qiáng)度。

圖2 脆弱性系數(shù)與齡期關(guān)系(SY-4、SY-5、SY-6)

3)脆性系數(shù)與復(fù)摻硅粉、粉煤灰的關(guān)系。由圖3可知，SY-7、SY-8、SY-9復(fù)摻6%、8%、10%的硅粉+20%的粉煤灰。依據(jù)表6中數(shù)據(jù)，復(fù)摻粉煤灰與硅粉具有提高混凝土的抗裂性和抗壓強(qiáng)度的雙重作用。

總體而言，SY-2、SY-7、SY-8、SY-9的抗裂性能較好，各齡期內(nèi)混凝土的脆性系數(shù)整體偏低。

圖3 脆弱性系數(shù)與齡期關(guān)系(SY-7、SY-8、SY-9)

2.2 干縮率

對(duì)于SY-1～SY-9各組試樣的干縮變形利用前文所述試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4。從圖4可以看出，早期各組試樣的干縮率均明顯上升，并且早期SY-4、SY-5、SY-6單摻硅粉的干縮率較高，后期變得平緩；SY-7、SY-8、SY-9復(fù)摻硅粉+粉煤灰以及SY-1、SY-2、SY-3單摻硅粉的上升速率整體平緩，因此SY-4、SY-5、SY-6單摻硅粉干縮率較高。

圖4 脆性系數(shù)與強(qiáng)度關(guān)系

干縮率與粉煤灰摻量的關(guān)系。針對(duì)SY-1、SY-2、SY-3各組試樣，從小到大干縮率排序依次為SY-3

干縮率與硅粉摻量的關(guān)系。針對(duì)SY-4、SY-5、SY-6各組試樣，從大到小干縮率排序依次為SY-6>SY-5>SY-4，這表明相同水膠比條件下，硅粉摻量越高則砂漿干縮率就越大。這是由于硅粉粒徑較小能夠與水泥中的礦相成分充分接觸，加之具有較高活性可加速反應(yīng)，所有收縮明顯易引起早期開(kāi)裂；此外，有研究認(rèn)為在水分內(nèi)消耗、混凝土水膠比小等多因素下內(nèi)部毛細(xì)管產(chǎn)生較大壓力，隨硅粉摻量增加毛細(xì)管壓力增大，所以硅粉摻量越高則早期的收縮就越大。

干縮率與復(fù)摻硅粉、粉煤灰的關(guān)系。針對(duì)SY-7、SY-8、SY-9各組試樣，從大到小干縮率排序依次為SY-9>SY-8>SY-7，收縮最小的是復(fù)摻6%硅粉組，復(fù)摻10%、8%硅粉組的收縮接近?？傮w而言，較單摻硅粉或粉煤灰時(shí)復(fù)摻硅粉與粉煤灰的砂漿體干縮率較小，即復(fù)摻20%粉煤灰和6%硅粉能有利于抑制混凝土收縮。

2.3 作用機(jī)理

研究認(rèn)為，水泥基體系中的Ca(OH)2會(huì)與粉煤灰發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部堿度下降；此外，粉煤灰等量取代水泥使得水泥摻量相對(duì)減少，所以參與水化所生成的氫氧化鈣總量也下降。一般地，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)有結(jié)晶體和凝膠體兩種，其中水化硅酸鈣(C-S-H)是主要凝膠體水化產(chǎn)物，而結(jié)晶體相比凝膠體的韌性更大，而摻入粉煤灰或硅粉改變了不同節(jié)點(diǎn)的水泥回話性質(zhì)。深入分析，主要是界面上富集的Ca(OH)2與硅粉、粉煤灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而降低了孔隙、鈣礬石和Ca(OH)2晶體。研究提出，Ca(OH)2的韌性差而C-S-H的韌性好，大量C-S-H的存在有利于提升膠凝體系的抗劣性能，在一定程度上減少脆性系數(shù)。因此，摻入輔助凝膠材料改變了水化產(chǎn)物的形貌和水化程度，而結(jié)構(gòu)致密、水化產(chǎn)物晶粒細(xì)化是其最突出的表現(xiàn)[13-18]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文選擇干縮率和脆性系數(shù)作為高性能抗沖磨混凝土評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)硅粉和粉煤灰不同摻量的配合比，研究分析了水工混凝土抗沖磨及抗裂性能，主要結(jié)論有：

對(duì)于特殊環(huán)境和特殊性能的水工混凝土，抗沖磨性應(yīng)作為其質(zhì)量目標(biāo)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)結(jié)合具體環(huán)境條件合理確定，抗沖磨混凝土耐久性研究應(yīng)注重分析抗裂性能分析。

采用干縮率和脆性系數(shù)對(duì)比分析不同配合比的水泥基材料，結(jié)果顯示單摻20%粉煤灰時(shí)性能最佳，復(fù)摻適量的粉煤灰與硅粉具有提高混凝土抗裂性、抗壓強(qiáng)度的雙重效果。

復(fù)摻6%、8%、10%礦粉+20%粉煤灰和單摻20%粉煤灰的膠凝材料漿體中，漿體結(jié)構(gòu)致密且以C-S-H凝膠為主，由此表明膠凝材料的摻入能夠明顯提升混凝土的抗裂性，對(duì)漿體結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)揮積極作用。