摻礦粉與粉煤灰高強度水工混凝土性能研究

趙 杰

(新民市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 新民 110300)

目前,在水工混凝土中僅使用水泥這一膠凝材料,已無法保證水工結(jié)構(gòu)長效安全運行要求,必須開發(fā)展其它替換或補充的輔助性膠凝材料[1]。我國工業(yè)生產(chǎn)灰形成礦渣、粉煤灰等大量摻合料,通過合理利用這些摻合料配制混凝土既有較好的經(jīng)濟效益,還有利于推動節(jié)約型社會建設(shè)和資源的循環(huán)利用。在研制高強度混凝土?xí)r礦物摻合料和外加劑已成為兩個關(guān)鍵性材料,摻入礦物摻合料既可以實現(xiàn)工業(yè)廢料的充分利用,與節(jié)能減排綠色發(fā)展的理念相符,同時有利于優(yōu)化水泥砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu),改善混凝土的抗腐蝕、抗?jié)B透性和工作性[2-3]。近年來,大體積混凝土因內(nèi)外溫差過高而出現(xiàn)開裂的工程案例不斷增多,實踐表明雙摻礦粉與粉煤灰能夠明顯降低內(nèi)部溫升,現(xiàn)已成為最有效、最常用的混凝土溫裂控制的常用技術(shù)。

針對摻礦粉與粉煤灰許多學(xué)者開展了廣泛研究,并認(rèn)為混凝土受摻合料的影響顯著,如吳建華等認(rèn)為摻量較小時粉煤灰能夠有效增強試件強度,而摻量超過25%可顯著影響早期強度發(fā)展,并且摻量越高其早期強度越低;Mesbah等利用超聲波檢測法和數(shù)值模擬法,探討了動彈性模量的早齡期變化特征以及動、靜彈性模量之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)試件動彈模量隨齡期的延長而提高,并且早齡期動彈模量增幅更大;李軍等試驗探討了混凝土各齡期強度受不同礦物混合料的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)摻粉煤灰與礦粉條件下,試件強度隨礦粉摻配比例的增大逐漸提高,復(fù)摻總量達(dá)到20%時強度達(dá)到最高。摻合料可以減少拌和物的離析、泌水情況,有利于改善拌合物和易性、體積穩(wěn)定性、后期強度以及整體耐久性,對抑制堿骨料反應(yīng)與抵抗酸堿腐蝕也發(fā)揮著一定作用[4-8]。鑒于此,文章結(jié)合水利工程特點和運行環(huán)境特征,全面探討了高強度水工混凝土受礦粉與粉煤灰摻量的影響作用。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗所用原材料有海螺P·O42.5級水泥,標(biāo)稠用水量27.6%,經(jīng)檢測其主要性能參數(shù)見表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

骨料選用粒徑5～25mm玄武巖碎石和大連地區(qū)產(chǎn)河砂,碎石級配連續(xù),壓碎值8.6%,含泥量0.5%,表觀密度2780kg/m3,針片狀含量5.1%;砂的細(xì)度模數(shù)2.9,表觀密度2570kg/m3,含泥量0.7%。

試驗采用鞍山熱電廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰和誠遠(yuǎn)S95級磨細(xì)礦粉,粉煤灰燒失量1.05%,細(xì)度12.8%,需水量比96%,密度2.35g/cm3;礦粉密度2.85g/cm3,燒失量1.10%,比表面積450m2/kg。外加劑用蘇博特PCA-Ⅳ液態(tài)聚羧酸高效減水劑,固含量40%,拌和水用自來水。

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和以上原材料合理設(shè)計配合比,固定水膠比0.32和砂率38%不變,設(shè)計10%、20%、30%三種粉煤灰摻量和10%、20%兩種礦粉摻量,減水劑摻量0.016%,試驗配合比及拌合物坍落度見表2。結(jié)果顯示,摻入礦粉與粉煤灰可有效改善拌合物工作性,并且粉煤灰相比于礦粉的改善作用更加顯著,這是因為玻璃體的礦粉和粉煤灰顆粒發(fā)揮著一定減水作用,球形玻璃體的粉煤灰對工作性的提升作用更明顯。

表2 試驗配合比及拌合物坍落度

1.2 測試方法

1)強度測試。根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行不同齡期各組強度的測試,成型尺寸為150mm×150mm×150mm,拌合均勻后澆筑入模,靜置24h拆模并移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期,參照規(guī)范測定強度。

2)抗氯離子滲透性測試。采用NEL法測定水工混凝土中的氯離子擴散系數(shù),其主要測試流程如下:現(xiàn)將養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期的試件切割成50m×100mm×100mm的試塊,選擇除砂漿富集面的其它側(cè)面為電極接觸的兩個面,打磨光滑被測表面;然后在真空飽鹽環(huán)境中浸泡試件,并選用ENL-PD型滲透檢測系統(tǒng)測定飽鹽試件在低電壓條件下的擴散系數(shù)。

3)抗凍性測試。依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行各組試件28d齡期抗凍性能測試,成型試件為400mm×100mm×100mm的長方體。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 對長期強度的影響

水工混凝土長期強度受礦粉和粉煤灰的影響如表3,結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻礦粉與粉煤灰均可在一定程度上降低試件早期強度,并且摻合料的摻量越高所引起的早期強度降幅越大。相同摻量條件下,摻礦粉整體高于粉煤灰試件強度。

表3 水工混凝土長期強度試驗值

雖然基準(zhǔn)對照組C1的28d強度較高達(dá)到50.50MPa,摻礦粉或粉煤灰組相對較低,但隨著時間的延長摻粉煤灰和礦粉組試件強度快速發(fā)展并超過基準(zhǔn)對照組,養(yǎng)護(hù)齡期為180d時摻30%粉煤灰組C6的抗壓強度達(dá)到77.70MPa,其高于基準(zhǔn)對照組的66.96MPa,該組的強度增長率最大為167%。礦粉優(yōu)于粉煤灰的活性,摻量相同條件下礦粉組整體高于粉煤灰組的早期和后期強度,其強度增長幅度相較于粉煤灰組略低。另外,摻礦粉和粉煤灰組相較于基準(zhǔn)對照組的后期強度增幅明顯較高。

2.2 對抗氯離子滲透性的影響

氯離子擴散系數(shù)是衡量水工混凝土耐久性較為常用的參數(shù)因子,試驗測定摻不同礦粉和粉煤灰用量各組試件的氯離子擴散系數(shù)如表4,通過數(shù)據(jù)分析揭示礦粉與粉煤灰改善抗氯離子滲透性的作用效應(yīng)[9]。

表4 抗氯離子滲透系數(shù)值

從表4可以看出,C1～C6組試件的氯離子擴散系數(shù)均處于3E-08cm2/s以內(nèi),其中摻10%、20%、30%粉煤灰組均低于基準(zhǔn)對照組的氯離子擴散系數(shù),并且增大粉煤灰摻量有利于降低擴散系數(shù),說明摻入粉煤灰明顯提高了基體的抗?jié)B透性。究其原因是粉煤灰參與二次水化對水泥石內(nèi)部孔隙具有填充作用,試件的整體密實度提高;另外,粉煤灰中含有的鐵離子可以抑制氯離子的擴散,在一定程度上降低離子侵蝕速度,并且水泥砂漿由于含有粉煤灰其內(nèi)部通道變得更加復(fù)雜,相較于基準(zhǔn)組使得氯離子侵蝕難度明顯增大。

通過對比分析摻礦粉和粉煤灰組擴散系數(shù)可知,摻量相同條件下?lián)降V粉相比于摻粉煤灰試件的氯離子擴散系數(shù)耕地,如摻10%礦粉組C4低于摻10%粉煤灰組C2的擴散系數(shù),摻20%礦粉組C5低于摻20%粉煤灰組C3的擴散系數(shù),說明礦粉對于提高混凝土抗氯離子滲透性的作用效應(yīng)更顯著。這主要與以下因素有關(guān):①礦粉有利于改善水泥石內(nèi)部孔隙的幾何形狀和孔徑分布;②水化過程中礦粉可以生成更多的C-S-H凝膠,其對氯化物的吸附作用更強,可以更好地堵塞孔隙通道,從而大大降低氯離子擴散系數(shù);③摻入礦粉會增大基體通道彎曲程度,使得離子擴散阻力增大;④氯離子滲透到混凝土內(nèi)部后可以被礦粉中的C3A等礦物成分捕捉生成C3A·CaCl2·10H2O(Friedel鹽)[10]。

2.3 對抗凍性的影響

研究選用相對動彈模量反映混凝土的抗凍性能,凍融循環(huán)50、100、150、200、250、300次時,摻不同礦粉和粉煤灰摻量時試件的相對動彈模量見表5。

表5 抗氯離子滲透系數(shù)值

由表5可知,水工混凝土抗凍性受礦物摻合料的影響較小,凍融循環(huán)300次時C1～C6組試件的相對動彈模量均>80%,按照評定標(biāo)準(zhǔn)各組試件均達(dá)到F300抗凍等級。具體而言,摻礦粉組相較于粉煤灰組的抗凍性略好,相對動彈模量隨著摻合料用量的增多均表現(xiàn)出小幅下降趨勢,其中摻10%和20%礦粉或粉煤灰組的相對動彈模量降幅不明顯,只有摻30%粉煤灰組的相對動彈模量降幅相對較大[11]。這是因為試驗配制的試件強度較高,整體致密性和抗凍性較好。摻入摻合料會起到一定的二次水化作用,從而增大水泥石的致密度,C2～C6組的28d強度與基準(zhǔn)組相近,該條件使得抗凍性較高;若進(jìn)一步增大粉煤灰摻量至30%,由于摻量過高使得參與水化的水泥不足,試件的28d強度和抗凍性相較于其它組略低。

3 結(jié) 論

在水工混凝土中摻入適量礦粉與粉煤灰有利于促進(jìn)后期強度的發(fā)展,并且礦粉相比于粉煤灰的促進(jìn)作用更明顯,但粉煤灰尤其是大摻量條件下對后期強度的促進(jìn)作用高于礦粉。水工混凝土抗氯離子滲透性隨著礦粉與粉煤灰摻量的增加而提高,且礦粉對氯離子滲透性的改善作用優(yōu)于粉煤灰。礦粉與粉煤灰摻量不超過20%時抗凍性的影響較低,進(jìn)一步提高粉煤灰摻量至30%時使得混凝土強度和抗凍性有所降低。