新型渡槽混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

哈 仙

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

中國(guó)是一個(gè)水資源分布極不均衡的國(guó)家，整體上呈現(xiàn)南澇北旱的格局，為了緩解北方地區(qū)的用水緊缺問(wèn)題，合理調(diào)度和分布水資源，促進(jìn)各地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)健康發(fā)展，我國(guó)相繼修建了大量的水利工程設(shè)施，引水工程便是解決地區(qū)用水不均的主要措施之一[1- 3]。

渡槽可以不受地形影響、可以增加額外泄洪量、施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效率高等特點(diǎn)，在引水工程修建過(guò)程中，作為一種取水輸水建筑物被廣泛應(yīng)用。渡槽一般采用混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行過(guò)程中槽身大面積與水或者空氣接觸，導(dǎo)致渡槽混凝土很容易收到環(huán)境、流水或者其他因素的影響，特別是北方地區(qū)冬季氣溫較低，在多年凍融循環(huán)作用下，耐久性和服役年限會(huì)顯著下降，從而影響引水工程的長(zhǎng)期安全與穩(wěn)定[4- 7]。粉煤灰和尾礦砂是比較常見(jiàn)的兩類工業(yè)廢渣，造成了大量土地資源的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境也造成了一定影響，如果能將粉煤灰和尾礦砂應(yīng)用到渡槽混凝土的配制中，將極大緩解二者所帶來(lái)的環(huán)境壓力[8- 10]。

本文在前人研究理論與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用粉煤灰和尾礦砂混摻來(lái)改善渡槽混凝土的耐久性能，以期能為制備高性能綠色生態(tài)渡槽混凝土提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度3.1g/cm3，比表面積355m2/kg，細(xì)度為1.8%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量160g，初凝和終凝時(shí)間分別為185、245min，3d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為5.7、27.5MPa。粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比96%，燒失量2.1%。尾礦砂：新疆當(dāng)?shù)啬澄驳V的尾礦砂，主要礦物成分為SiO2、Fe2O3和Al2O3，占比分別為47.9%、14.75%和13.3%，黏粒含量約為8.4%，主要粒徑0.075～2mm，平均滲透系數(shù)12.5×10-4cm/s。細(xì)骨料：中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.66，堆積密度為1545kg/m3，平均含泥量1.3%。粗骨料：5～25mm的機(jī)制碎石連續(xù)級(jí)配，平均密度2550kg/m3，孔隙率為46%，含水率為0.22%，壓碎指標(biāo)6.5%。水：實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)方案

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新型渡槽槽身混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，初步確定混凝土的最佳水灰比為0.44，水泥用量為438kg/m3，細(xì)骨料用量為617kg/m3，粗骨料用量為1152kg/m3，水用量為193kg/m3。

采用3因素4水平方式進(jìn)行試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)。3因素分別為粉煤灰摻量、尾礦砂摻量以及粗骨料粒徑，對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為A、B、C；將粉煤灰取代水泥用作膠凝材料，取代量分別為0%、10%、20%和30%，將尾礦砂取代中粗砂用作細(xì)骨料，取代量分別為0%、25%、50%和75%，將粗骨料按粒徑大小劃分為4個(gè)區(qū)間，分別為5～10、10～15、15～20、20～25mm，正交試驗(yàn)配合比方案見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

①準(zhǔn)備試驗(yàn)材料，將粗骨料、天然砂以及尾礦砂洗凈、篩分；②按照試驗(yàn)配比方案拌制混凝土，將混凝土澆筑成邊長(zhǎng)為100mm的立方體、100mm×100mm×400mm棱柱體、以及Φ100mm×50mm的圓柱體；③將混凝土試件分別養(yǎng)護(hù)至3、7和28d；④進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，其中立方體試件用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)儀器為AW—2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，棱柱體用于凍融循環(huán)試驗(yàn)(分別測(cè)試凍融循環(huán)0、25、50、75和100次下的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量)，實(shí)驗(yàn)儀器為快速凍融試驗(yàn)機(jī)，圓柱體用于導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器為DRE-III多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀；⑤試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同配合比混凝土在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1(a)可知：3d和7d齡期下，隨著粉煤灰摻量增加，渡槽混凝土的抗壓強(qiáng)度呈逐漸減小的變化特征，28d齡期下，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；粉煤灰摻入后，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度沒(méi)有改善作用，反而會(huì)出現(xiàn)一定程度的弱化，這是因?yàn)閾饺敕勖夯液?，參與早期活性反應(yīng)的水泥數(shù)量降低，水化反應(yīng)不充分導(dǎo)致Ca(OH)2等水化產(chǎn)物不足，使得粉煤灰中的Al2O3、SiO2不能很好的參與二次水化反應(yīng)，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部各物質(zhì)之間缺乏聯(lián)結(jié)物，使得結(jié)構(gòu)表現(xiàn)疏松，強(qiáng)度降低；但是，摻入粉煤灰對(duì)混凝土后期強(qiáng)度有一定的改善作用，這是因?yàn)殡S著齡期增加，混凝土中水化反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，生成的Ca(OH)2可以充分激發(fā)粉煤灰參與二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些水化產(chǎn)物填充在混凝土孔隙結(jié)構(gòu)中，同時(shí)粉煤灰本身具有潤(rùn)滑作用，能夠填充在混凝土孔隙中，阻止了水泥顆粒相互黏聚，可以促使水化反應(yīng)的進(jìn)行，因而可以對(duì)微弱界面起到改善作用，使強(qiáng)度得到提升，但粉煤灰產(chǎn)量不宜過(guò)高，否則容易導(dǎo)致前期水化不足，影響二次水化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖1(b)可以看到：當(dāng)齡期為3d時(shí)，摻入尾礦砂會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降，下降幅度分別為3.4%、9.4%和15.5%，當(dāng)齡期為7d時(shí)，摻入尾礦砂可以在一定程度上提升渡槽混凝土的抗壓強(qiáng)度，提升幅度分別為17.1%、6.6%和6.2%；當(dāng)齡期為28d時(shí)，尾礦砂摻量在25%和50%時(shí)，強(qiáng)度有較大的幅度提升，分別達(dá)到13.7%和16.6%，但是當(dāng)摻量為75%時(shí)，強(qiáng)度反而降低，降低幅度為8.2%。尾礦砂的強(qiáng)度更大，棱角更加分明，但也存在級(jí)配不如普通砂，顆粒之間裂縫含量較多的缺點(diǎn)，但是在摻量適量的基礎(chǔ)上，對(duì)于渡槽混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度是有一定改善作用的。

從圖1(c)可知：在16種配合比試驗(yàn)組中，7d齡期下強(qiáng)度最高的為試驗(yàn)組5，抗壓強(qiáng)度達(dá)到43.9MPa，強(qiáng)度最小的為試驗(yàn)組15，抗壓強(qiáng)度僅為25.6MPa；28d齡期下強(qiáng)度最高的為試驗(yàn)組3，強(qiáng)度達(dá)到63.2MPa，強(qiáng)度最小的為試驗(yàn)組16，強(qiáng)度僅為37.3MPa；從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，粉煤灰摻量是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的最主要因素。

2.2 抗凍性

對(duì)16種配合比混凝土在28d養(yǎng)護(hù)齡期后的抗凍性進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可知：試驗(yàn)1～8組在凍融循環(huán)下，質(zhì)量損失率一直較低，試驗(yàn)9～16組在凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率明顯高于試驗(yàn)1～8組，且當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%(試驗(yàn)14、15、16組)在凍融循環(huán)75次后，便發(fā)生失穩(wěn)破壞，這說(shuō)明當(dāng)粉煤灰摻量為0～10%時(shí)，粉煤灰可以有效填充尾礦砂帶來(lái)的結(jié)構(gòu)孔隙，混凝土試件的密實(shí)性較好，具有更好的抗?jié)B性，當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加時(shí)，混凝土中水泥量減少，而且尾礦砂的吸水性大于普通砂，導(dǎo)致混凝土水化反應(yīng)不足，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性反而降低，故質(zhì)量損失率較大。

從圖2(b)中可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降，當(dāng)凍融循環(huán)100次后，試驗(yàn)1～13組的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為65.2%、68.2%、70.1%、64.3%、72.3%、76.2%、70.4%、66.5%、72.4%、70.3%、64.3%、65.9%、60.16%，試驗(yàn)14～16組發(fā)生碎裂；試驗(yàn)6組的相對(duì)動(dòng)彈性模量最大，試驗(yàn)13組的相對(duì)動(dòng)彈性模量最小，試驗(yàn)5～8組(粉煤灰摻量10%)的平均相對(duì)動(dòng)彈性模量最大，可達(dá)到70%以上。

凍融循環(huán)破壞是從外向內(nèi)的過(guò)程，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，試件內(nèi)部的毛細(xì)孔隙逐漸擴(kuò)張貫通匯聚呈大孔隙，導(dǎo)致試件吸水率上升，結(jié)冰增多，因而抗凍性能減弱，當(dāng)摻入適量粉煤灰和尾礦砂時(shí)，能夠起到良好的填充作用，而且能夠中和尾礦砂帶來(lái)的不利影響，從而能夠充分發(fā)揮尾礦砂自身的加固特性，從而有利于渡槽混凝土強(qiáng)度和抗凍性能的提升。

圖2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

不同配合比下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可知：普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在1W/(m·k)左右，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨粉煤灰摻量增加而逐漸提升，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.82W/(m·k)，相比普通混凝土提升82%；而當(dāng)同時(shí)摻入粉煤灰和尾礦砂后，導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步得到提升，當(dāng)尾礦砂摻量為25%或者50%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2W/(m·k)以上，導(dǎo)熱能力可提升一倍以上；骨料粒徑變化對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的影響不是很大，但從整體上看，小粒徑骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)高于大粒徑骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。尾礦砂中含有許多礦物成分，能夠起到提升導(dǎo)熱性能的作用，而粉煤灰則會(huì)彌補(bǔ)尾礦砂所帶來(lái)的密實(shí)性能不好的問(wèn)題，因此，混摻粉煤灰+尾礦砂時(shí)，混凝土的綜合性能會(huì)更好。導(dǎo)熱系數(shù)越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土內(nèi)外部的溫差，減小溫度應(yīng)力的影響，從而增強(qiáng)抗凍性能。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3 方差分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看到：不管是7d齡期下的抗壓強(qiáng)度還是28d齡期下的抗壓強(qiáng)度，其F比值均是A(粉煤灰摻量)最大，表明粉煤灰摻量對(duì)渡槽混凝土的強(qiáng)度影響最大，在7d齡期下，礦尾砂對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響略大于骨料粒徑，在28d齡期下，骨料粒徑對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響則遠(yuǎn)大于礦尾砂；對(duì)于渡槽槽身混凝土抗凍性的影響而言，均表現(xiàn)為A>B>C，即粉煤灰摻量對(duì)渡槽混凝土抗凍性影響最大，其次為尾礦砂摻量，再次為粗骨料粒徑；對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)，F(xiàn)比排序?yàn)锽>A>C，即尾礦砂摻量對(duì)渡槽混凝土導(dǎo)熱性能的影響最大，其次為粉煤灰摻量，最小的為粗骨料粒徑。

表2 方差分析結(jié)果

綜上試驗(yàn)成果，對(duì)渡槽槽身混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)多次嘗試，認(rèn)為：當(dāng)粉煤灰摻量取10%，尾礦砂摻量取40%，粗骨料粒徑為15～20mm時(shí)，渡槽混凝土綜合性能達(dá)到最佳，此時(shí)，混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度分別為41.2MPa和57.5MPa，100次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量為85%，質(zhì)量損失率為0.38%，導(dǎo)熱系數(shù)為2.13W/(m·k)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用3因素4水平方式對(duì)渡槽混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論。

(1)粉煤灰對(duì)渡槽混凝土的強(qiáng)度和抗凍性影響最為顯著，而尾礦砂對(duì)渡槽混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響最為顯著，粗骨料粒徑對(duì)渡槽混凝土力學(xué)性能的影響相對(duì)較小。

(2)混摻粉煤灰和尾礦砂既可以起到良好的填充作用，而且能夠中和尾礦砂帶來(lái)的不利影響，充分發(fā)揮尾礦砂自身的加固特性，故而有利于渡槽混凝土性能提升。

(3)當(dāng)粉煤灰摻量取10%，尾礦砂摻量取40%，粗骨料粒徑為15～20mm時(shí)，渡槽混凝土綜合性能達(dá)到最佳。

(4)影響渡槽混凝土力學(xué)性能的因素還包括水灰比、水泥品種和細(xì)度、砂率等，這將在今后做進(jìn)一步的補(bǔ)充研究。