粉煤灰對(duì)大壩濕篩二級(jí)配混凝土性能的影響

王希鴻

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400）

0 引言

水利工程大壩建設(shè)是水利水電發(fā)展的重要標(biāo)志，對(duì)水資源的開發(fā)利用發(fā)揮著重要作用。 大壩混凝土作為大壩的主體材料，具有強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍等技術(shù)要求， 而混凝土特性很大程度上是由原材料性質(zhì)及配合比決定， 因此對(duì)大壩混凝土配合比及性能進(jìn)行試驗(yàn)研究對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義。

1 原材料及配合比

試驗(yàn)所用水泥為 P·LH 42.5， 粉煤灰為 I 級(jí)灰，砂為人工砂，碎石為5~20 mm、20~40 mm、40~80 mm、80~120 mm 四種粒徑的人工碎石， 外加劑為萘系高效減水劑 （JM-II） 和混凝土高效引氣劑（GYQ-I），水為生活用水。

采用X 射線衍射分析 （XRD） 測(cè)試水泥礦物組成，如表1 所示，測(cè)試結(jié)果表明，水泥中C3A 含量極少、C2S 含量超過40%，滿足低熱水泥規(guī)范要求；采用X 射線熒光分析測(cè)試水泥化學(xué)成分， 結(jié)果如表2 所示。

表1 水泥物相組成 %

試驗(yàn)所用粉煤灰SEM 掃描電鏡檢測(cè)的外觀形貌如圖1 所示。 檢測(cè)結(jié)果表明，粉煤灰顆粒級(jí)配合理、 雜質(zhì)較好， 通過試驗(yàn)測(cè)得粉煤灰需水量比為93%，燒失量為4.2%。

圖1 粉煤灰SEM 圖像

表2 中熱水泥、煤粉灰、硅粉化學(xué)組成 %

選取某工程大壩混凝土進(jìn)行配合比試驗(yàn)研究，該混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C18030，抗?jié)B性設(shè)計(jì)等級(jí)為W12，抗凍性設(shè)計(jì)等級(jí)為F200，試驗(yàn)研究了不同粉煤灰摻量對(duì)大壩混凝土的影響，配合比如表3 所示，外加劑用量根據(jù)混凝土工作性進(jìn)行調(diào)整。混凝土采用自落式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌成型，新拌混凝土攪拌完成后， 用潤(rùn)濕的40 mm 方孔篩篩除大石和特大石再進(jìn)行試塊成型， 即濕篩二級(jí)配混凝土成型。

表3 大壩混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土工作性

隨著粉煤灰摻量的增加， 混凝土坍落度也隨之增大，相同坍落度情況下，粉煤灰摻量越多，減水劑用量越小，由此可知，粉煤灰能夠改善大壩混凝土工作性能，主要原因是粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)，試驗(yàn)所選用粉煤灰中含有大量的玻璃微珠 （圖1 中球形顆粒），微珠能使水泥砂漿黏度和顆粒之間的摩擦力降低，使水泥顆粒均勻分散，在相同稠度條件下減小用水量，改善混凝土和易性能[1]。

2.2 混凝土力學(xué)性能

對(duì)大壩混凝土進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等，試驗(yàn)參照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度試塊大小為150 mm×150 mm×150 mm， 彈性模量試塊大小為 150 mm×150 mm×300 mm。 大壩混凝土抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度如表4 所示。

表4 大壩混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知，隨著粉煤灰摻量的增加，大壩混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度降低，尤其是早期強(qiáng)度降低幅度明顯；180 d 時(shí)35%粉煤灰摻量較25%摻量的強(qiáng)度基本相當(dāng)， 甚至略高， 而45%粉煤灰摻量時(shí)，混凝土早后期強(qiáng)度均低于25%摻量時(shí)；不同粉煤灰摻量的混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果也有類似規(guī)律。 其原因是粉煤灰具有微集料效應(yīng)，能夠改善膠凝材料的顆粒級(jí)配，填充混凝土的細(xì)小孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密；同時(shí)，由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3等與石灰或水泥水化產(chǎn)物在有水存在的情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等物質(zhì)，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。 但粉煤灰由于自身活性較低，火山灰反應(yīng)緩慢，水泥水化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粉煤灰，粉煤灰摻量高時(shí)水泥用量就會(huì)降低，因此低粉煤灰摻量混凝土早期強(qiáng)度降低，后期會(huì)有所提高，而粉煤灰摻量過高則會(huì)造成混凝土早后期強(qiáng)度均明顯降低。

2.3 混凝土耐久性

（1）抗水滲透性能

采用逐級(jí)加壓法測(cè)試大壩濕篩二級(jí)配混凝土抗?jié)B等級(jí)，參照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。 粉煤灰摻量為25%時(shí)，水壓加至1.3 MPa時(shí)出現(xiàn)2 個(gè)試件表面滲水； 粉煤灰摻量為35%和45%時(shí)，水壓加至1.5 MPa 時(shí)出現(xiàn)1 個(gè)試件表面滲水。 試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰摻量為25%~45%時(shí)，三組配合比混凝土抗?jié)B等級(jí)均滿足W12 要求， 且粉煤灰摻量的增加有利于提高混凝土抗?jié)B性。

（2）抗凍性能

試驗(yàn)依照SL352—2006 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，經(jīng)過凍融循環(huán)后測(cè)試混凝土試塊質(zhì)量損失率，混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。 由圖2可知，隨著粉煤灰摻量的增加，相同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件質(zhì)量損失率逐漸增加。粉煤灰摻量為25%時(shí)，300 次凍融循環(huán)后， 混凝土質(zhì)量損失率為4.85%，小于規(guī)范中5%的臨界值；而粉煤灰摻量為45%時(shí)，250 次凍融循環(huán)后， 混凝土質(zhì)量損失率為5.26%，發(fā)生凍融破壞。 說明大壩混凝土抗凍性能隨粉煤灰摻量增加而降低，對(duì)于有抗凍性要求的混凝土應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定粉煤灰摻量。

圖2 濕篩二級(jí)配大壩混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 混凝土收縮變形

對(duì)表3 中幾組配合比下大壩混凝土進(jìn)行干燥收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，大壩混凝土干燥收縮隨著齡期增長(zhǎng)而逐漸增大，前期收縮變化較快，90 d 后收縮變形趨于穩(wěn)定；隨著粉煤灰摻量增加，大壩混凝土干燥收縮率降低，粉煤灰摻量為25%、35%、45%時(shí)混凝土180 d 干燥收縮率分別為 193×10-6、180×10-6、153×10-6。主要原因是粉煤灰摻量加大，相應(yīng)的水泥用量降低，其水化產(chǎn)物大大減少，此外由于粉煤灰的微集料效應(yīng)使粉煤灰細(xì)化了混凝土中的孔隙， 增加了混凝土密實(shí)性，從而減少了水分蒸發(fā)，有利于減小干燥收縮。

圖3 濕篩二級(jí)配大壩混凝土干燥收縮

3 結(jié)語

在大壩混凝土中摻入粉煤灰后有利于提高混凝土工作性、力學(xué)性能及耐久性能。 由于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)及微集料效應(yīng)能夠改善大壩混凝土和易性，低摻量粉煤灰時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度降低，后期強(qiáng)度影響較小，而大摻量粉煤灰時(shí)由于取代水泥會(huì)造成混凝土強(qiáng)度降低較大。 隨著粉煤灰摻量增加，大壩混凝土抗?jié)B性提高，抗凍性則略有下降，同時(shí)干燥收縮減小。 因此，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求及試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)，合理選用粉煤灰摻量[2]。