粉煤灰與礦渣復摻對渠道襯砌模袋混凝土流動性和力學性能的影響

謝天逸，婁宗科，霍軼珍，吉仁古日巴

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100; 2.河套學院土木工程系，內蒙古 巴彥淖爾 015000； 3.內蒙古新禹水利水電工程建設有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

我國是一個嚴重缺水的國家，人均水資源占有量僅為世界人均水平的1/3，目前，農業用水量占全國總用水量的60%，用水效率偏低，灌溉水利用系數僅為0.51，渠系水利用系數0.55，而發達國家農業水利用系數在0.8左右，因此，提高農業水利用系數，減少農業用水損失，還有相當可觀的發展前景。渠道襯砌防滲可以有效減少輸水過程中的滲漏損失，是目前應用最廣泛的節水灌溉工程技術措施之一[1]，根據內蒙古河套地區的測試結果，渠道襯砌可以提高渠系水利用系數20%以上[2]。但是，在廣大的北方季節性凍土區，受凍脹破壞的渠道襯砌占總量的50%以上，這成為影響渠道建設和農業節水的一大問題，嚴重影響灌溉工程效益[3]。為了消除和減弱凍脹帶來的危害，美日俄等發達國家采用了架空、置槽、鋼筋混凝土襯砌等技術措施抵抗、消除凍脹，防滲防凍脹效果好[4]，但是這些工程措施造價高、投入大，因此，我國在結合自身實際的情況下發展了保溫隔熱措施、渠基土換填加固、防滲排水和膜料防滲等多種防滲抗凍脹技術措施，取得了顯著成果。然而，渠道襯砌的凍脹破壞問題并未妥善解決[5-8]，我國于20世紀80年代引入模袋混凝土技術[9]，由于模袋混凝土襯砌具有良好的整體性和便于機械化施工等優點，表現出良好的凍脹融沉適應能力和耐久性，在內蒙河套灌區和黑龍江地區已獲得成功應用。

渠道襯砌模袋混凝土要求高流動性以實現自密實，膠凝材料用量大，礦物摻合料可以起到改善混凝土性能、節約水泥用量的作用，因此，在模袋混凝土中摻入礦物摻合料非常必要。礦渣粉和粉煤灰作為工業生產中產生的大宗工業廢料，一直以來都作為礦物摻合料運用于各類混凝土生產中[10-11]，近年來國內外學者對單摻礦物摻合料混凝土性能研究較多，閻培渝[12]研究了粉煤灰的作用機理，劉仍光等[13]研究了礦渣粉的水化特性。對復摻礦物摻合料混凝土雖有一定研究，還不夠完善，陳琳等[14]研究了粉煤灰礦渣粉復合膠凝材料的強度和水化作用，高小建等[15]研究了各種礦物摻合料對大流動性混凝土流變性能的影響，鄭建嵐等[16]研究了礦物摻合料對大流動性混凝土抗碳化作用的影響，王成啟等[17]研究了復摻粉煤灰和礦渣粉對大流動性混凝土工作性變化和抗氯鹽侵蝕的影響。根據內蒙古河套灌區模袋混凝土襯砌現場充灌情況以及寒區渠道襯砌抗凍標準，要求模袋混凝土具有高流動性和高抗凍性，即要求混凝土拌合物有較高擴展度和含氣量以滿足流動性和抗凍性要求，因此，論文研究了粉煤灰和礦渣粉共摻對混凝土擴展度、含氣量及二者的1 h損失率和抗壓強度的影響，以1 h擴展度損失率和1 h含氣量損失率最小為目標，尋求二者最優搭配，為生產實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥采用冀東水泥廠生產的盾石牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度3 090 kg·m-3，粉煤灰采用II級粉煤灰，表觀密度2 301 kg·m-3，礦渣粉采用S105礦渣粉，表觀密度2 599 kg·m-3,細骨料使用渭河中砂，粗骨料使用渭河卵石，粒徑5～20 mm，砂石經檢測均符合《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ52)規定，外加劑使用陜西秦奮建材生產的PCA-Q005聚羧酸減水劑，符合現行國家標準《混凝土外加劑》(GB8076)的有關規定。

1.2 試驗儀器與方法

1.2.1 混凝土擴展度及其損失率 混凝土擴展度使用坍落度桶與擴展度板進行測定，依據《自密實混凝土應用技術規程》[18]附錄中混凝土拌合物自密實性能試驗方法的相關規定，分別測定每一組拌和物的初始擴展度以及1 h擴展度，并計算擴展度1 h損失率，擴展度損失率計算公式為：

式中,EL為混凝土1 h擴展度損失率(%);E0為混凝土初始擴展度(mm)；E1為混凝土1 h擴展度(mm)。

1.2.2 含氣量損失率 內蒙古河套灌區屬于北方寒冷地區，混凝土受凍害嚴重，混凝土拌合物含氣量是預測硬化混凝土抗凍性的重要指標，因此，論文測定了拌合物含氣量及其1 h損失率。混凝土拌和物含氣量使用日本三洋公司生產的LC-615A型混凝土含氣量測定儀測定，依據《水工混凝土試驗規程》[19]規定的混凝土拌合物含氣量試驗(氣壓法)，并結合《自密實混凝土應用技術規程》[18]附錄中混凝土拌合物自密實性能試驗方法的相關規定，分別測定每一組拌和物的初始含氣量及1 h含氣量，并計算含氣量1 h損失率，含氣量損失率計算公式為：

式中,AL為混凝土1 h含氣量損失率(%)；A0為混凝土初始含氣量(%)；A1為混凝土1 h含氣量(%)。

混凝土抗壓強度試驗依據《水工混凝土試驗規程》[19]中混凝土立方體抗壓強度試驗方法進行。

1.3 試驗設計

配合比采用《自密實混凝土應用技術規程》[18]中規定的方法進行計算，設計強度等級C25，粗骨料體積率Vg=0.33，砂率50%，聚羧酸減水劑摻量0.6%，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%共4個水平，礦渣粉摻量分別為10%、15%、20%共3個水平，試驗因素水平及配合比見表1。

2 結果與分析

2.1 擴展度損失率

通過試拌控制擴展度為540 mm±20 mm條件下，混凝土拌合物擴展度1 h損失率如圖1所示。

由圖1可以看出，在礦渣粉摻量為10%時，模袋混凝土擴展度1 h損失率隨粉煤灰摻量增加而降低，即流動性保持能力隨粉煤灰摻量增加而提高；在礦渣粉摻量為15%、粉煤灰摻量不大于30%時，擴展度損失率由18.5%降低至16.4%，流動性保持能力隨粉煤灰摻量增加而提高，當粉煤灰摻量達到40%時擴展度損失率提高至16.7%，流動性保持能力相比粉煤灰摻量為30%時變化不顯著；在礦渣粉摻量為20%、粉煤灰摻量不大于30%時，擴展度損失率由17.9%降低至15.2%，流動性保持能力隨粉煤灰摻量增加而提高，當粉煤灰摻量達40%時，擴展度損失率升高至16.1%，流動性保持能力反而有所降低。即粉煤灰摻量不大于30%時模袋混凝土的流動性保持能力隨礦渣粉摻量的增加而提高，粉煤灰摻量達40%時模袋混凝土流動性保持能力不隨礦渣粉摻量增加而改變，基本保持穩定。

表1 試驗因素水平與配合比

圖1 礦物摻合料摻量對混凝土擴展度損失率的影響Fig.1 The influence of admixture content on the loss rate of concrete expansion

由此可見在多數情況下礦物摻合料摻量的增加對提高模袋混凝土拌和物流動性保持能力有正效應，這是因為礦物摻合料相較水泥擁有更高的惰性，水化速率相當緩慢，使用摻合料替代了部分水泥，使得在一定時間內參與水化的水泥減少，水分消耗降低，水化產生的絮凝結構減少，所以使得拌和物流動性在一定時間內的降低減緩；同時，粉煤灰和礦渣粉比重比水泥小,細度比水泥大，有較大的比表面積，與水泥顆粒一起形成了更優的顆粒級配，顆粒間的保水效果較高，減緩了蒸發速率；水泥對減水劑成分有較強的吸附作用，摻入礦物摻合料可以使水泥吸附的減水劑顆粒隨水化過程遷移至自由水中，維持漿體中減水劑濃度，保持減水劑塑化作用，保持混凝土流動性[20-22]。粉煤灰和礦渣粉更大的比表面積對混凝土流動性保持并非一直具有正效應，更大的系統表面積需要更多的表面層水進行潤滑，當摻合料摻量達到一定比例時，所需表面層水增多超過系統保水能力，此時負效應超過正效應，混凝土拌合物流動性保持能力降低，擴展度損失率提高。從圖1中可以看出當粉煤灰摻量在30%～40%時，礦渣粉摻量10%、15%、20%的擴展度損失率分別降低、保持、增加；粉煤灰摻量達40%時，礦渣粉摻量變化對擴展度損失率幾乎沒有影響，這是因為粉煤灰顆粒最小，當其摻量為40%時對混凝土拌合物流動性保持的負效應已經大過正效應，雖然礦渣粉顆粒也較水泥更小，但是仍大于粉煤灰顆粒，所以礦渣粉摻量的變化對拌合物的影響小于粉煤灰。此時，擴展度損失率最低的最優組合為復摻30%粉煤灰和20%礦渣粉，擴展度損失率為15.2%。

2.2 含氣量損失率

通過試拌含氣量控制在6%±0.5%條件下，混凝土拌合物含氣量1 h損失率如圖2所示。

從圖2中可以看出，在不同礦渣粉摻量下，粉煤灰摻量不大于30%時含氣量損失率隨粉煤灰摻量增加而降低，粉煤灰摻量達40%時含氣量損失率不再降低，與粉煤灰摻量為30%時處于同一水平；粉煤灰摻量不大于30%時含氣量損失率隨礦渣粉摻量增加而降低。

氣泡作為混凝土中重要的組成部分，存在于砂漿中，新拌混凝土中的氣泡經過一段時間靜置，小氣泡聚合成大氣泡逸出砂漿，導致混凝土拌合物含氣量下降；由于水分蒸發和水泥水化會導致混凝土中水分減少，使得砂漿變干，減少了氣泡存在的介質，也在一定程度上使含氣量損失率提高。因為礦物摻合料較大的細度和較小的比重，可以改善水泥單一的級配，減小細顆粒間的間隙，有效保持水分，減少蒸發，減少水化作用和水化熱，這對保持漿體體積，減少氣泡逸出是有益的，同時有研究指出[23]單摻或雙摻粉煤灰和礦渣粉都可以改善氣泡結構，減小氣泡直徑，這可以減少拌和物中氣泡聚合逸出的可能性，對降低含氣量損失率也是有益的。所以摻合料摻量的提高可以有效降低混凝土含氣量損失率。當粉煤灰摻量大于30%時含氣量損失率并未明顯降低是因為此時砂漿體系的需水量大于保水量，含氣量保持能力已達到臨界點，無法進一步降低。從圖2中看出含氣量損失率最低的最優組合為復摻30%粉煤灰和20%礦渣粉，其含氣量損失率為20.0%。

圖2 礦物摻合料摻量對混凝土含氣量損失率的影響Fig.2 The influence of admixture content on the loss rate of air content

2.3 抗壓強度

不同粉煤灰和礦渣摻量組合下，混凝土7 d強度和28 d強度試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 礦物摻合料摻量對混凝土7 d強度的影響Fig.3 The influence of admixture content on 7 d strength of concrete

圖4 礦物摻合料摻量對混凝土28 d強度的影響Fig.4 The influence of admixture content on 28 d strength of concrete

分析圖3可知，混凝土試件7 d抗壓強度隨粉煤灰和礦渣粉摻量增加而降低，這是因為礦物摻合料活性較低，水化反應速率比水泥慢，水化產物生成少，所以當大量礦物摻合料替代水泥后混凝土早期強度有明顯降低；分析圖4可知，混凝土試件28 d抗壓強度較7 d抗壓強度有明顯提高，此時強度隨粉煤灰摻量增加而降低，并且隨礦渣粉摻量增加而提高，分析認為，這是因為粉煤灰和礦渣粉通過水化產生的Ca(OH)2激發產生大量水化硅酸鈣，所以后期強度增長快，同時粉煤灰細度大、顆粒小，礦渣粉次之，水泥顆粒最大，三者良好的比例可以產生微集料效應，使混凝土結構更緊密，提高中后期強度，并且礦渣粉可與水泥水化時形成的Ca(OH)2進一步水化形成C-S-H凝膠，使界面區的Ca(OH)2晶粒變小，降低孔隙率以提高強度，所以抗壓強度隨礦渣粉摻量增加而提高。從圖4中可以看出，所有試件強度均達到設計強度等級C25要求，但是混凝土抗壓強度越高抗凍耐久性也越高，因此仍選擇強度較高的組合，此時強度最大組合為10%粉煤灰和20%礦渣粉，其抗壓強度為47.4 MPa。

3 結論與討論

1)粉煤灰和礦渣粉復摻且當粉煤灰摻量≤30%時，模袋混凝土擴展度損失率隨兩種摻合料摻量的增加而降低，由于粉煤灰和礦渣粉的比表面積較大，當粉煤灰摻量達到40%、礦渣粉摻量≥15%時，摻合料需要過量水分而導致水分不足，此時擴展度損失率沒有降低甚至有所提高，考慮擴展度損失率最優時粉煤灰摻量和礦渣粉摻量分別為30%和20%，此時擴展度損失率為15.2%。

2)粉煤灰和礦渣粉復摻且當粉煤灰摻量≤30%時，含氣量損失率隨粉煤灰和礦渣粉摻量增加而降低，當粉煤灰摻量達到40%時，含氣量損失率有所提高，考慮含氣量損失率最優時粉煤灰摻量和礦渣粉摻量分別為30%和20%，此時含氣量損失率為20.0%。

3)粉煤灰和礦渣粉復摻時混凝土7 d抗壓強度隨摻合料摻量增加而降低，但是28 d抗壓強度全部達到設計強度等級，由于礦渣粉顆粒特征可以增強水泥礦渣粉煤灰復合膠凝材料密實度，28 d抗壓強度隨礦渣粉摻量增加而提高，粉煤灰摻量對28 d抗壓強度影響不大，考慮強度的最優搭配為10%粉煤灰和20%礦渣粉，28 d抗壓強度為47.4 MPa。

綜合考慮擴展度損失率、含氣量損失率和抗壓強度，含氣量損失率與擴展度損失率最優時，28 d抗壓強度為43.0 MPa，比最優值低9.9%；28 d抗壓強度最優時，含氣量損失率為23.3%，比最優值高16.5%，擴展度損失率為17.9%，比最優值高17.8%，并且使用更多礦物摻合料的組合可以減少水泥用量，節約工程成本。因此，渠道襯砌模袋混凝土復摻粉煤灰和礦渣粉最優搭配為30%粉煤灰和20%礦渣粉。