新型渡槽混凝土配合比優化設計試驗研究

哈 仙

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

中國是一個水資源分布極不均衡的國家，整體上呈現南澇北旱的格局，為了緩解北方地區的用水緊缺問題，合理調度和分布水資源，促進各地區國民經濟平穩健康發展，我國相繼修建了大量的水利工程設施，引水工程便是解決地區用水不均的主要措施之一[1- 3]。

渡槽可以不受地形影響、可以增加額外泄洪量、施工簡單、經濟效率高等特點，在引水工程修建過程中，作為一種取水輸水建筑物被廣泛應用。渡槽一般采用混凝土薄壁結構，在運行過程中槽身大面積與水或者空氣接觸，導致渡槽混凝土很容易收到環境、流水或者其他因素的影響，特別是北方地區冬季氣溫較低，在多年凍融循環作用下，耐久性和服役年限會顯著下降，從而影響引水工程的長期安全與穩定[4- 7]。粉煤灰和尾礦砂是比較常見的兩類工業廢渣，造成了大量土地資源的浪費，對環境也造成了一定影響，如果能將粉煤灰和尾礦砂應用到渡槽混凝土的配制中，將極大緩解二者所帶來的環境壓力[8- 10]。

本文在前人研究理論與經驗基礎上，利用粉煤灰和尾礦砂混摻來改善渡槽混凝土的耐久性能，以期能為制備高性能綠色生態渡槽混凝土提供理論依據。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度3.1g/cm3，比表面積355m2/kg，細度為1.8%，標準稠度用水量160g，初凝和終凝時間分別為185、245min，3d抗折和抗壓強度分別為5.7、27.5MPa。粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，需水量比96%，燒失量2.1%。尾礦砂：新疆當地某尾礦的尾礦砂，主要礦物成分為SiO2、Fe2O3和Al2O3，占比分別為47.9%、14.75%和13.3%，黏粒含量約為8.4%，主要粒徑0.075～2mm，平均滲透系數12.5×10-4cm/s。細骨料：中粗砂，細度模數為2.66，堆積密度為1545kg/m3，平均含泥量1.3%。粗骨料：5～25mm的機制碎石連續級配，平均密度2550kg/m3，孔隙率為46%，含水率為0.22%，壓碎指標6.5%。水：實驗室自來水。

1.2 配合比設計方案

根據相關標準對新型渡槽槽身混凝土的配合比進行設計，初步確定混凝土的最佳水灰比為0.44，水泥用量為438kg/m3，細骨料用量為617kg/m3，粗骨料用量為1152kg/m3，水用量為193kg/m3。

采用3因素4水平方式進行試驗配合比設計。3因素分別為粉煤灰摻量、尾礦砂摻量以及粗骨料粒徑，對應編號分別為A、B、C；將粉煤灰取代水泥用作膠凝材料，取代量分別為0%、10%、20%和30%，將尾礦砂取代中粗砂用作細骨料，取代量分別為0%、25%、50%和75%，將粗骨料按粒徑大小劃分為4個區間，分別為5～10、10～15、15～20、20～25mm，正交試驗配合比方案見表1。

表1 正交試驗方案

1.3 試驗過程

①準備試驗材料，將粗骨料、天然砂以及尾礦砂洗凈、篩分；②按照試驗配比方案拌制混凝土，將混凝土澆筑成邊長為100mm的立方體、100mm×100mm×400mm棱柱體、以及Φ100mm×50mm的圓柱體；③將混凝土試件分別養護至3、7和28d；④進行相關試驗，其中立方體試件用于抗壓強度測試，實驗儀器為AW—2000電液伺服巖石三軸試驗機，棱柱體用于凍融循環試驗(分別測試凍融循環0、25、50、75和100次下的質量損失率和相對動彈性模量)，實驗儀器為快速凍融試驗機，圓柱體用于導熱系數測試試驗，實驗儀器為DRE-III多功能快速導熱系數測試儀；⑤試驗數據整理與分析。

2 試驗結果及分析

2.1 抗壓強度

不同配合比混凝土在不同齡期下的抗壓強度試驗結果如圖1所示。從圖1(a)可知：3d和7d齡期下，隨著粉煤灰摻量增加，渡槽混凝土的抗壓強度呈逐漸減小的變化特征，28d齡期下，抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增大后減小的變化特征，當粉煤灰摻量為20%時，抗壓強度達到最大值；粉煤灰摻入后，對混凝土早期強度沒有改善作用，反而會出現一定程度的弱化，這是因為摻入粉煤灰后，參與早期活性反應的水泥數量降低，水化反應不充分導致Ca(OH)2等水化產物不足，使得粉煤灰中的Al2O3、SiO2不能很好的參與二次水化反應，最終導致混凝土內部各物質之間缺乏聯結物，使得結構表現疏松，強度降低；但是，摻入粉煤灰對混凝土后期強度有一定的改善作用，這是因為隨著齡期增加，混凝土中水化反應逐漸增強，生成的Ca(OH)2可以充分激發粉煤灰參與二次水化反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些水化產物填充在混凝土孔隙結構中，同時粉煤灰本身具有潤滑作用，能夠填充在混凝土孔隙中，阻止了水泥顆粒相互黏聚，可以促使水化反應的進行，因而可以對微弱界面起到改善作用，使強度得到提升，但粉煤灰產量不宜過高，否則容易導致前期水化不足，影響二次水化反應的進行。

圖1 抗壓強度試驗結果

從圖1(b)可以看到：當齡期為3d時，摻入尾礦砂會導致混凝土抗壓強度下降，下降幅度分別為3.4%、9.4%和15.5%，當齡期為7d時，摻入尾礦砂可以在一定程度上提升渡槽混凝土的抗壓強度，提升幅度分別為17.1%、6.6%和6.2%；當齡期為28d時，尾礦砂摻量在25%和50%時，強度有較大的幅度提升，分別達到13.7%和16.6%，但是當摻量為75%時，強度反而降低，降低幅度為8.2%。尾礦砂的強度更大，棱角更加分明，但也存在級配不如普通砂，顆粒之間裂縫含量較多的缺點，但是在摻量適量的基礎上，對于渡槽混凝土長期強度是有一定改善作用的。

從圖1(c)可知：在16種配合比試驗組中，7d齡期下強度最高的為試驗組5，抗壓強度達到43.9MPa，強度最小的為試驗組15，抗壓強度僅為25.6MPa；28d齡期下強度最高的為試驗組3，強度達到63.2MPa，強度最小的為試驗組16，強度僅為37.3MPa；從整體變化趨勢來看，粉煤灰摻量是影響混凝土抗壓強度的最主要因素。

2.2 抗凍性

對16種配合比混凝土在28d養護齡期后的抗凍性進行試驗，結果如圖2所示。從圖2(a)可知：試驗1～8組在凍融循環下，質量損失率一直較低，試驗9～16組在凍融循環下的質量損失率明顯高于試驗1～8組，且當粉煤灰摻量達到30%(試驗14、15、16組)在凍融循環75次后，便發生失穩破壞，這說明當粉煤灰摻量為0～10%時，粉煤灰可以有效填充尾礦砂帶來的結構孔隙，混凝土試件的密實性較好，具有更好的抗滲性，當粉煤灰摻量繼續增加時，混凝土中水泥量減少，而且尾礦砂的吸水性大于普通砂，導致混凝土水化反應不足，混凝土結構密實性反而降低，故質量損失率較大。

從圖2(b)中可知：隨著凍融循環次數的增加，混凝土的相對動彈性模量逐漸下降，當凍融循環100次后，試驗1～13組的相對動彈性模量分別為65.2%、68.2%、70.1%、64.3%、72.3%、76.2%、70.4%、66.5%、72.4%、70.3%、64.3%、65.9%、60.16%，試驗14～16組發生碎裂；試驗6組的相對動彈性模量最大，試驗13組的相對動彈性模量最小，試驗5～8組(粉煤灰摻量10%)的平均相對動彈性模量最大，可達到70%以上。

凍融循環破壞是從外向內的過程，隨著凍融循環次數的增長，試件內部的毛細孔隙逐漸擴張貫通匯聚呈大孔隙，導致試件吸水率上升，結冰增多，因而抗凍性能減弱，當摻入適量粉煤灰和尾礦砂時，能夠起到良好的填充作用，而且能夠中和尾礦砂帶來的不利影響，從而能夠充分發揮尾礦砂自身的加固特性，從而有利于渡槽混凝土強度和抗凍性能的提升。

圖2 凍融循環試驗結果

2.3 導熱系數

不同配合比下混凝土的導熱系數試驗結果見圖3。從圖3中可知：普通混凝土的導熱系數較低，在1W/(m·k)左右，混凝土導熱系數隨粉煤灰摻量增加而逐漸提升，當粉煤灰摻量為30%時，導熱系數達到1.82W/(m·k)，相比普通混凝土提升82%；而當同時摻入粉煤灰和尾礦砂后，導熱系數進一步得到提升，當尾礦砂摻量為25%或者50%時，導熱系數達到2W/(m·k)以上，導熱能力可提升一倍以上；骨料粒徑變化對于導熱系數的影響不是很大，但從整體上看，小粒徑骨料混凝土的導熱系數高于大粒徑骨料混凝土的導熱系數。尾礦砂中含有許多礦物成分，能夠起到提升導熱性能的作用，而粉煤灰則會彌補尾礦砂所帶來的密實性能不好的問題，因此，混摻粉煤灰+尾礦砂時，混凝土的綜合性能會更好。導熱系數越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土內外部的溫差，減小溫度應力的影響，從而增強抗凍性能。

圖3 導熱系數試驗結果

3 方差分析

對正交試驗結果進行方差分析，結果見表2。從表2中可以看到：不管是7d齡期下的抗壓強度還是28d齡期下的抗壓強度，其F比值均是A(粉煤灰摻量)最大，表明粉煤灰摻量對渡槽混凝土的強度影響最大，在7d齡期下，礦尾砂對強度指標的影響略大于骨料粒徑，在28d齡期下，骨料粒徑對強度指標的影響則遠大于礦尾砂；對于渡槽槽身混凝土抗凍性的影響而言，均表現為A>B>C，即粉煤灰摻量對渡槽混凝土抗凍性影響最大，其次為尾礦砂摻量，再次為粗骨料粒徑；對于導熱系數，F比排序為B>A>C，即尾礦砂摻量對渡槽混凝土導熱性能的影響最大，其次為粉煤灰摻量，最小的為粗骨料粒徑。

表2 方差分析結果

綜上試驗成果，對渡槽槽身混凝土配合比進行優化，通過多次嘗試，認為：當粉煤灰摻量取10%，尾礦砂摻量取40%，粗骨料粒徑為15～20mm時，渡槽混凝土綜合性能達到最佳，此時，混凝土7d和28d抗壓強度分別為41.2MPa和57.5MPa，100次凍融循環后相對動彈性模量為85%，質量損失率為0.38%，導熱系數為2.13W/(m·k)。

4 結語

采用3因素4水平方式對渡槽混凝土配合比進行設計，得出如下結論。

(1)粉煤灰對渡槽混凝土的強度和抗凍性影響最為顯著，而尾礦砂對渡槽混凝土的導熱系數影響最為顯著，粗骨料粒徑對渡槽混凝土力學性能的影響相對較小。

(2)混摻粉煤灰和尾礦砂既可以起到良好的填充作用，而且能夠中和尾礦砂帶來的不利影響，充分發揮尾礦砂自身的加固特性，故而有利于渡槽混凝土性能提升。

(3)當粉煤灰摻量取10%，尾礦砂摻量取40%，粗骨料粒徑為15～20mm時，渡槽混凝土綜合性能達到最佳。

(4)影響渡槽混凝土力學性能的因素還包括水灰比、水泥品種和細度、砂率等，這將在今后做進一步的補充研究。