不同粉煤灰摻量的水工混凝土試驗研究

蘇 彧

（法庫縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 法庫 110400）

實踐表明，將適量的粉煤灰摻入水工混凝土中，既可以在一定程度上減少環(huán)境污染以及廢棄物的排放，還有利于節(jié)約能源，減少水泥用量，對改善混凝土性能和緩解資源短缺壓力具有重要意義[1]。粉煤灰作為膠凝材料使用時，具有一定的形態(tài)、活性和微集料效應(yīng)，可以減小水化熱、控制溫升、降低水化速度，對抑制堿集料反應(yīng)和溫度裂縫的形成，改善混凝土抗?jié)B性及整體密實性發(fā)揮著積極作用，這也是維持水利工程后期強度穩(wěn)定的重要保障。

我國諸多學(xué)者從不同角度研究了粉煤灰的性能，如趙慶新等利用數(shù)學(xué)模型確定粉煤灰的最佳摻量，結(jié)果表明摻量超過20%時粉煤灰會明顯加快混凝土碳化速率；周玲珠等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，混凝土7~56d 強度隨粉煤灰摻量增加表現(xiàn)出線性遞減趨勢；李斯琪等采用抗氯離子滲透試驗，探討了摻粉煤灰混凝土的滲透性規(guī)律，并認為粉煤灰產(chǎn)生早期負效應(yīng)，氯離子滲透系數(shù)隨齡期的延長而減小，其抗?jié)B性逐漸增強；王德志等試驗分析了粉煤灰、硅灰和纖維對混凝土的劈拉強度、拉壓比和抗壓強度影響，表明礦物摻合料和纖維可提高抗裂性，并以纖維的作用效果最顯著；程云虹等利用凍融循環(huán)試驗探討了混凝土抗凍性與粉煤灰摻量之間的關(guān)系，結(jié)果表明相同水膠比下粉煤灰可有效提高其抗凍性；Ji 等研究了粉煤灰替代率對高強混凝土開裂縫風險的影響，發(fā)現(xiàn)替代率為60%時的抗裂性能最優(yōu)；Zhang 等探討了粉煤灰對混凝土裂縫擴展、強度變化、微觀結(jié)構(gòu)的影響，并進一步揭示了其作用機理；董蕓等利用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、高效減水劑、中熱水泥和纖維材料配制出低彈模低收縮、高抗拉高極限拉伸、耐久性優(yōu)異的抗裂面板混凝土；李響等通過測定粉煤灰與化學(xué)結(jié)合水量探討了膠凝材料水化程度，并認為粉煤灰會促進水化，摻量越高則其自生反應(yīng)程度越低[2-10]。綜上分析，相關(guān)研究主要側(cè)重于摻粉煤灰混凝土的化學(xué)與物理性能上，試驗研究水工混凝土力學(xué)性能的較少。因此，文章利用室內(nèi)試驗探討了粉煤灰摻量水工混凝土性能，旨在為粉煤灰在水利工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供一定支持。

1 試驗過程

1.1 原材料

水泥用鐵新P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，細度1.2%，安定性合格，初凝、終凝時間135min和175min，SiO2含量22.12%，3d、28d抗壓強度26.6MPa和54.8MPa，抗壓強度5.2MPa和8.4MPa；粗集料用花崗巖人工碎石，含泥量0.1%，表觀密度2640kg/m3；細集料用大連建材廠提供的人工砂，細度模數(shù)2.8，含泥量1.0%，表觀密度2710kg/m3；粉煤灰用呼和浩特市金橋電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰；減水劑用蘇博特SBTJM?-Ⅵ系列（緩凝、泵送）高效減水劑，減水率28%，試驗用水為當?shù)刈詠硭?/p>

1.2 試驗配合比

為探討水工混凝土性能受粉煤灰摻量的影響，控制水膠比不變，采用等量替代法設(shè)計0%、15%、20%、25%、30% 五種粉煤灰摻量，并參照《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比

1.3 試驗方案

控制水膠比、減水劑、骨料和用水量不變，以0%、15%、20%、25%、30%五種粉煤灰摻量配制混凝土，入模前測定拌合物密度及坍落度，采用150mm×150mm×150mm、300mm×150mm×150mm模具制作試件，24h拆模后放入標養(yǎng)室養(yǎng)護，在3d、7d、28d、90d齡期時測定立方體試件回彈值和抗壓強度，28d齡期時測定長方體試件彈性模量和軸心抗壓強度。

1.4 參數(shù)計算

養(yǎng)護齡期、加載方式、集料品種、粉煤灰摻量等因素都會在一定程度影響混凝土性能，本試驗主要探討粉煤灰摻量對力學(xué)性能的影響，故評價指標選擇抗壓強度fck 和彈性模量E，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定相應(yīng)的參數(shù)值，計算公式如下：

式中：fck、fcu為棱柱體和立方體抗壓強度，MPa；F、A為試件破壞荷載(N)和受壓面積(mm2)；α1、α2為代表強度比，對于未達到C50 混凝土α1=0.76、α2=1.0，對于C80 混凝土α1=0.82、α2=87，在此期間按線性變化規(guī)律確定α1、α2值；0.88 代表考慮實際差異的折減系數(shù)。

彈性模量是反映混凝土力學(xué)性能的重要參數(shù)，在實際工程中的應(yīng)用十分廣泛。千分表法是一種經(jīng)濟簡單且普遍適用的彈性模量測量方法，結(jié)合相關(guān)研究成果利用下式計算彈性模量E，其表達式為[11]：

式中：Fa、F0為軸心抗壓強為fcp的1/3 和0.5MPa時的荷載值（N），即終、初荷載；A、L為受壓面積(mm2)和測量標距(mm)；n為在Fa及F0作用下試件兩側(cè)平均變形差值，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物性能

拌合物性能，如圖1 所示。

由圖1 可知，在配合比相同條件下，拌合物和易性隨粉煤灰摻量的增大而增強，究其原因是粉煤灰微粒在水泥顆粒之間具有“滾動”效應(yīng)，內(nèi)部空隙被粉煤灰填充密實，可有效減少水分的滲入，與此同時會置換一定的水分，從而改善拌合物的和易性，混凝土密度也明顯增大。另外，摻量為0%~20%時，隨粉煤灰摻量增加混凝土坍落度不斷增大，但摻量超過20%時坍落度逐漸減小，這表明較高的粉煤灰摻量不利于混凝土坍落度的改善。綜合考慮拌合物坍落度與密度變化規(guī)律，最終確定摻25%粉煤灰時新拌混凝土的性能最優(yōu)。

2.2 不同齡期的混凝土強度

立方體抗壓強度，如圖2 所示。

圖2 立方體抗壓強度

從圖2 可以看出，隨著齡期的延長各組強度均呈現(xiàn)出上升趨勢。齡期相同時，不同粉煤灰摻量的混凝土強度具有明顯差異，3d 齡期時未摻粉煤灰的F0組強度最高達到52.8MPa，粉煤灰摻量越高則抗壓強度越低，摻30%粉煤灰的F4 組抗壓強度只有44.3MPa；隨著時間的延長，粉煤灰逐漸發(fā)揮活性效應(yīng)，參與二次水化生成更多的C-S-H 凝膠，齡期相同時各組試件強度發(fā)生明顯改變，90d 齡期時基本表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，摻20%~25%粉煤灰可以明顯提高混凝土強度，摻15%、30%粉煤灰組抗壓強度較F0對照組雖有所增加，但仍低于摻20%~25%粉煤灰組。因此，研究認為摻20%~25%粉煤灰能夠充分發(fā)揮其活性，對提高混凝土強度最為顯著。

以未摻粉煤灰的F0組抗壓強度為基準，計算確定強度相對百分率，如圖3 所示。結(jié)果顯示，試驗初期摻粉煤灰組的強度相對百分率均處于基準線以內(nèi)，即小于100%，這是由于粉煤灰的早期活性效應(yīng)較弱，隨著齡期的延長逐漸發(fā)揮活性效應(yīng)，強度相對百分率快速增大，后期逐漸放緩，但依然大于100%，其中摻20%、25%粉煤灰組強度相對百分率明顯高于其它組。

圖3 抗壓強度相對百分率變化

2.3 不同粉煤灰摻量的混凝土強度

混凝土抗壓強度，如圖4 所示。

圖4 混凝土抗壓強度

由圖4 可知，相同粉煤灰摻量條件下，隨齡期的延長混凝土抗壓強度呈現(xiàn)出上升趨勢，粉煤灰的微集料與形態(tài)效應(yīng)在一定程度上降低了混凝土強度；齡期相同情況下，隨粉煤灰摻量增加混凝土抗壓強度呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，3d 齡期時摻15%、20%、25%、30%粉煤灰組均小于未摻F0組的抗壓強度，其中摻20%~25%粉煤灰時發(fā)揮的效應(yīng)更加明顯；90d 齡期時摻20%粉煤灰組抗壓強度最高達到74.3MPa，摻量超過20%后抗壓強度有效減小，這是由于粉煤灰替代過多的水泥，致使水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2含量和粉煤灰二次反應(yīng)生成的C-S-H 凝膠量明顯減少，在一定程度上降低了混凝土強度[12-14]。

2.4 不同粉煤灰摻量的彈性模量

彈性模量及軸心抗壓強度，如圖5 所示。

圖5 彈性模量及軸心抗壓強度

從圖5 可以看出，隨粉煤灰摻量的增加混凝土28d 軸心抗壓強度先上升達到峰值55.4MPa(摻量20%)，進一步增大粉煤灰摻量到30%，則軸心抗壓強度明顯減小到50.4MPa，略低于未摻粉煤灰F0組的51.6MPa；混凝土軸心抗壓強度與彈性模量變化趨勢基本相同，摻25%粉煤灰時彈性模量最高達到41.5GPa，這是因為粉煤灰微集料填充了內(nèi)部空隙，其活性效應(yīng)參與二次水化生成更多的C-S-H凝膠，提高了混凝土強度和整體剛度和彈性模量，后期變化規(guī)律與前文分析結(jié)果基本相同。

3 結(jié) 論

1）相同水膠比條件下，利用粉煤灰等量替代水泥可以有效改善水工混凝土和易性，其中摻20%~25%粉煤灰時作用效果最優(yōu)。摻入適量的粉煤灰能夠明顯提升混凝土后期抗壓強度，90d 齡期時摻20%粉煤灰的抗壓強度最高，后期強度受粉煤灰影響較弱。因此，在實際工程中建議以90d 齡期為基準，合理設(shè)計配合比和強度等級。

2）粉煤灰在一定程度上影響著混凝土軸心抗壓強度，摻20%粉煤灰組較未摻對照組軸心抗壓強度高出7.4%；粉煤灰摻量對軸心抗壓強度和彈性模量的影響規(guī)律基本相同，摻20%~25%粉煤灰時彈性模量最高，超過該區(qū)間會有所下降。

3）摻入適量的粉煤灰均會在一定程度上改善混凝土彈性模量、回彈值、軸心和立方體抗壓強度等性能指標，也會在不同程度上促進混凝土保水性、流動性、可泵送性和黏聚性等。