粉煤灰對大壩混凝土力學(xué)性能試驗及耐久性研究

王建峰

（廣東水電二局股份有限公司）

0 引言

工業(yè)資源綜合利用是國家構(gòu)建新發(fā)展格局、建設(shè)生態(tài)文明的重要內(nèi)容。自“十一五”以來，國家就開始鼓勵對固體廢物實行回收和利用。隨后，一系列強(qiáng)化大宗固體廢棄物綜合利用的相關(guān)政策相繼出臺。因此，將粉煤灰等大宗固體廢棄物投入到建筑工程材料中將是重要的二次利用途徑之一。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和水資源配制的不斷優(yōu)化，水利水電事業(yè)也迎來了黃金發(fā)展期，越來越多的大壩工程投入建設(shè)中[1-2]。目前研究者已經(jīng)開展了粉煤灰對大壩混凝土性能影響的研究[3-4]。李翼研究了粉煤灰對混凝土水化及干縮等的影響，認(rèn)為粉煤灰降低了水化熱及干縮能力，提高了其抗裂能力[3]。楊靜等人認(rèn)為粉煤灰可以提供混凝土的各種力學(xué)強(qiáng)度[4]。但粉煤灰對于大壩混凝土的性能影響仍需要進(jìn)一步全面系統(tǒng)的研究。在此背景下，本文開展了養(yǎng)護(hù)齡期及粉煤灰摻量對大壩混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗氯離子滲透性及碳化深度的影響的研究，以期為大壩混凝土的性能提升及級配優(yōu)化提供一定的參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

⑴天然粗集料。石灰?guī)r碎石，粒徑范圍為5～25mm，表觀密度為2.7g/cm3，堆積密度為1.5g/cm3；砂為河砂，最大粒徑為3mm，表觀密度為2.6g/cm3，堆積密度為1.6g/cm3。

⑵水泥。采用強(qiáng)度等級42.5級普通硅酸鹽水泥。

⑶粉煤灰。I級粉煤灰，密度為2.39g/cm3。

⑷水。試驗用水為自來水，采用的材料為RSD-8引氣減水劑，減水率≥40%。

1.2 試驗方案

根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中的要求進(jìn)行不同粉煤灰摻量的混凝土配合比設(shè)計。本文試驗混凝土基準(zhǔn)級配：水泥用量為207kg/m3，砂為410kg/m3，碎 石 為1555kg/m3、水 為83kg/m3、減 水 劑 為1.02kg/m3。在配合比設(shè)計的過程中，在基準(zhǔn)混凝土配合比基礎(chǔ)上，改變粉煤灰摻量（0%、10%、20%、30%），測試不同齡期（7d、14d、28d）下不同類型粉煤灰混凝土的力學(xué)性能及耐久性能。目的是為了研究了不同粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度）及耐久性能（氯離子滲透率及抗碳化性能）的變化規(guī)律。

表1 粉煤灰大壩混凝土配合比

1.3 試驗方法

混凝土立方體試件立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗氯離子滲透性能和抗碳化性能試驗依照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的進(jìn)行。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 粉煤灰摻量對大壩混凝土力學(xué)性能影響研究

不同齡期不同類型大壩混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，其抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均與養(yǎng)護(hù)齡期成正相關(guān)關(guān)系，且養(yǎng)護(hù)后期，混凝土的強(qiáng)度增加幅度更加明顯。隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)更加完全，生成更多的水化產(chǎn)物，提高了混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。對于粉煤灰的摻量而言，低摻量條件下，混凝土的抗壓及抗拉強(qiáng)度與粉煤灰摻量成正比，而當(dāng)摻量超過20%時，力學(xué)強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。因為粉煤灰摻量過高，替代的水泥用量過多，混凝土內(nèi)部水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠狀物減少；此外，粉煤灰摻量過高，會吸收混凝土內(nèi)部大量的水分，水分的減少導(dǎo)致混凝土?xí)霈F(xiàn)開裂的現(xiàn)象，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，進(jìn)一步降低混凝土的強(qiáng)度。

圖1 混凝土力學(xué)強(qiáng)度隨粉煤灰摻量演變規(guī)律

2.2 粉煤灰摻量對大壩混凝土耐久性能影響研究

2.2.1 粉煤灰摻量對大壩混凝土抗氯離子滲透性影響研究

不同條件下大壩混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)開始降低，抗?jié)B透性逐步增強(qiáng)。由于養(yǎng)護(hù)齡期的增加會，混凝土內(nèi)部集料與水泥漿之間粘結(jié)愈加牢固，更加密實，空隙率降低，滲透路徑減少，導(dǎo)致氯離子不易在混凝土內(nèi)部遷移，從而提高了混凝土的耐腐蝕性。混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)與粉煤灰摻量先成負(fù)相關(guān)關(guān)系后成正相關(guān)關(guān)系。因為少量的粉煤灰及產(chǎn)生的水化產(chǎn)物可以填充混凝土內(nèi)部空隙，提高密實度；如果摻量過高，替代水泥過多，反而會降低水泥水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部空隙有所增加，會形成一些液體粒子滲透通道，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加，抗?jié)B透性有所下降[7-8]。

圖2 混凝土抗氯離子滲透性隨粉煤灰摻量演變規(guī)律

2.2.2 粉煤灰摻量對大壩混凝土抗碳化性能影響研究

不同養(yǎng)護(hù)條件下大壩混凝土進(jìn)行抗碳化性能測試試驗結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，大壩混凝土的碳化深度與養(yǎng)護(hù)齡期成反比，歸根結(jié)底的原因使養(yǎng)護(hù)齡期后期混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相對密實，混凝土內(nèi)部材料與空氣中二氧化碳反應(yīng)的接觸面減少，混凝土不容易碳化。無論何種齡期，大壩混凝土的碳化深度與粉煤灰摻量先成負(fù)相關(guān)后成正相關(guān)。總體上，碳化深度隨粉煤灰摻量演變規(guī)律與氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨粉煤灰摻量一致，都是由于粉煤灰摻量的變化會影響混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度，改變混凝土內(nèi)部的空隙及密實性，進(jìn)而影響混凝土內(nèi)部碳化面積。

圖3 不同類型大壩混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量演變規(guī)律

3 結(jié)論

⑴混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均與養(yǎng)護(hù)齡期成正相關(guān)關(guān)系，且養(yǎng)護(hù)后期，混凝土的強(qiáng)度增加幅度更加明顯；混凝土的抗壓及抗拉強(qiáng)度與粉煤灰摻量先成正比后成反比。

⑵隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)開始降低，抗?jié)B透性逐步增強(qiáng)；混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)與粉煤灰摻量先成負(fù)相關(guān)關(guān)系后成正相關(guān)關(guān)系。

⑶大壩混凝土的碳化深度與養(yǎng)護(hù)齡期成反比，與粉煤灰摻量先成負(fù)相關(guān)后成正相關(guān)。