粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能的影響

羅 鵬， 呂 彩 云， 姜 帆

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 抗沖簡述

巴塘水電站泄洪放空洞及導流洞出口閘室至消力池段(樁號泄0+651.61 m-泄0+820.61 m)，過流面采用 C35W8F100(二級配)抗沖耐磨混凝土，厚度60 cm，工程量為12 158 m3，運輸工具為自卸車，設定坍落度50～70 mm，可以滿足現場施工需要。根據《水工建筑物抗沖磨防空蝕技術規范》(DL/T5207-2005)要求[1]，抗沖磨混凝土配合比水灰比應小于0.4，粉煤灰最大摻量為25%。

抗沖磨混凝土為低水膠比混凝土，而低水膠比混凝土的膠材用量大，早期水化熱高，養護不到位，極易造成混凝土內外溫差裂縫[2]，降低建筑物整體抗沖磨性能。本試驗通過對抗沖磨混凝土添加粉煤灰，利用粉煤灰形態效應、微集料效應、火山灰效應可以改善混凝土性能，提高混凝土耐久性[3]的特性，采用不同水膠比、不同粉煤灰摻量配置抗沖磨混凝土配合比，檢測其相關力學、耐久性性能，研究粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能的影響，結合設計要求、現場施工、養護等因素，確定了粉煤灰最佳摻量，可供同類工程參考。

2 原材料試驗

2.1 水泥

采用四川峨勝水泥集團股份有限公司生產的普通P.O42.5水泥進行試驗，其水泥力學性能及化學成分檢測結果見表1，所檢各項指標均滿足規范[3]對P.O42.5水泥的要求。

2.2 骨料

采用巴塘水電站篩分系統生產的粗細骨料進行性能檢測，檢測結果見表2、3，所檢項目均符合規范對骨料的要求。

2.3 外加劑

采用石家莊長安育才建材有限公司生產的高性能減水劑(緩凝型)及引氣劑，其相關技術指標檢測結果見表4，所檢各項指標均滿足規范對外加劑要求。

2.5 粉煤灰

采用成都博磊資源循環開發有限公司生產的粉煤灰F·Ⅱ進行性能試驗，檢測結果見表5，所檢各項指標均滿足規范對粉煤灰的要求。

2.6 拌合水

拌和用水為巴塘水電站和達通溝營地生活用水，檢測結果見表6，所檢各項指標均滿足規范對拌合用水的要求。

3 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能的影響

表1 P.O42.5水泥力學性能及化學成分檢測結果表

表2 細骨料檢測成果表

表3 粗骨料檢測成果表

表4 外加劑性能檢測成果表

表5 粉煤灰性能檢測結果表

表6 拌合水性能檢測結果表

3.1 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土力學、抗沖磨性能的影響

本次試驗抗沖磨混凝土采用0.40、0.37、0.34三組水膠比，粉煤灰以內摻的方式選取摻量0%、15%、20%和25%，以交叉組合的方式進行抗沖磨混凝土試拌。混凝土采用HJW-60型單臥軸強制式攪拌機，含氣量控制在3.5～5.5%[4],養護齡期分別為7 d和28 d。力學性能成型150 mm的立方體，到齡期后用DYE-2000型數顯液壓式壓力試驗機進行抗壓試驗。抗沖磨性能試驗為成型Φ300×10 mm的圓柱體，按照設計要求采用HKCM-2型鋼球沖磨儀進行“水下鋼球法”試驗[5]。粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土力學、抗沖磨性能的影響檢測結果見表7。

通過對表7中數據進行整理分析，粉煤灰摻量、水膠比對抗壓強度及抗沖磨強度的影響如下：

(1)粉煤灰摻量一定時，隨著水膠比的降低，混凝土28 d抗壓強度、抗沖磨強度成增長趨勢，混凝土抗壓強度越高，抗沖磨強度越高。

(2)隨著粉煤灰摻量的增加，當同一水膠比時，混凝土28 d抗壓強度有較為明顯的降低。相較于無粉煤灰摻量的混凝土，當粉煤灰摻量為15%時，抗壓強度降低約為7%；摻量為20%時，抗壓強度降低約為13%；摻量為25%時，抗壓強度降低約為19%。原因是水泥與水反應生成氫氧化鈣，而后粉煤灰微粒的火山灰效應與氫氧化鈣反應生成以水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣為主的物質，但過程緩慢，在28天齡期時主要起到填充作用，對提高強度無明顯作用，反而隨摻量的增加而降低強度。

表7 粉煤灰(F類Ⅱ級)摻量對混凝土力學、抗沖磨性能的影響

(3)當抗壓強度相近時，將試驗編號S1-01與S2-02、S3-02、S4-03進行比較發現，未摻粉煤灰的混凝土抗沖磨強度是摻15%粉煤灰抗沖磨強度的1.35倍，摻20%粉煤灰抗沖磨強度的1.63倍，摻25%粉煤灰抗沖磨強度的1.56倍。主要是因粉煤灰水化熱遠小于水泥，活性較低，與骨料黏結較差，更容易被磨蝕。

3.2 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土耐久性能的影響

參考以往巴塘水電站混凝土耐久性試驗結果，水膠比為0.40時，混凝土耐久性抗滲等級W8和抗凍等級F100均能滿足要求，所以選取水膠比為0.40、粉煤灰摻量為0%、15%、20%、25%作為研究對象。抗滲性能試驗試件為175 mm×185 mm×150 mm的截頭圓錐體,以6個試件為一組，采用HP-40型自動加壓混凝土滲透儀進行試驗，以第3個試件頂面出水為準，停止試驗。抗凍性能試驗試件為100 mm×100 mm×400 mm的長方體，采用HDK-5型凍融試驗儀凍融至預定的循環次數、相對動彈性模量下降至60%、質量損失率達5%即可停止試驗。粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土耐久性能的影響檢測結果見表8。

表8 粉煤灰(F類Ⅱ級)摻量對抗沖磨混凝土耐久性能的影響

從表8中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，水膠比一定時，粉煤灰需水量低于水泥，從而降低用水量，減少混凝土體內大孔的存在，粉煤灰的微集料效應產生漿液后填充混凝土內空隙，降低了自由水泌水通道，抗滲性能變強；相對動彈性模量降低，質量損失率增加，抗凍性能呈劣化趨勢。

3.3 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土溫度的影響

試驗室模擬現場大體積混凝土構件，以水膠比為0.40、粉煤灰摻量為0%、15%、20%、25%分別拌制成型1.5 m×1.5 m×1.5 m的混凝土試塊，對混凝土溫度進行監測，驗證無粉煤灰摻量的混凝土和摻粉煤灰混凝土的溫度變化情況見表9。

表9 混凝土溫度變化表

根據表9試驗結果，繪制混凝土溫度隨時間變化曲線見圖1：

圖1 混凝土溫度變化圖

根據表9、混凝土溫度變化圖可以看出：

(1)相較于無粉煤灰摻量的混凝土，粉煤灰摻量在15%時混凝土溫度平均降低1.9 ℃，最高降低3.7 ℃；粉煤灰摻量在20%時混凝土溫度平均降低2.7 ℃，最高降低4.8 ℃；粉煤灰摻量在25 %時混凝土溫度平均降低3.5 ℃，最高降低5.7 ℃；粉煤灰明顯的降低了混凝土最高溫度。

(2)混凝土澆筑后，無粉煤灰摻量的混凝土溫度增長最快，52 h左右溫度達到最高，最終溫度最高，下降相對較慢；15～25%摻量的粉煤灰混凝土溫度普遍增加較慢，最高溫度比無粉煤灰摻量的混凝土降低在3.7 ℃～5.1 ℃，溫度下降相對較快；試驗證明，粉煤灰都能降低混凝土內部水化熱溫度。

4 結 語

從試驗結果分析可知，抗沖磨混凝土中隨著粉煤灰摻量的增加，28 d抗壓強度及抗沖磨強度都有較為明顯的降低，不利于抗凍性能。作為水工混凝土的重要指標——抗滲性得到提高，可以有效地降低抗沖磨混凝土升溫速度，同時降低水化熱最高溫度，有助于現場施工的溫度控制，更有利于現場施工的方便快捷。

從提高抗沖磨性能的角度出發，低水膠比的抗沖磨混凝土中，應當少摻或者不摻粉煤灰。但低水膠比混凝土水泥用量大，建筑物在水化熱內外溫差作用下極易造成裂縫，不利于抗沖磨。綜合考慮粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能帶來的影響，結合設計、經濟需求、現場施工工藝，28 d齡期的C35抗沖磨混凝土建議粉煤灰摻量在15%以內。巴塘水電站泄洪放空洞及導流洞出口閘室至消力池段抗沖磨混凝土的工程實踐表明，抗沖

磨混凝土性能滿足設計要求。