水利工程大摻量粉煤灰混凝土實踐分析

夏侯唐鵬，張金海，魏東風

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000）

1 引言

水利工程具有重要的調(diào)節(jié)、控制職能，能夠?qū)Φ乇怼⒌叵滤M行有效利用，堤防、涵閘、灌溉等工程均屬于水利工程范疇。近年來，我國市場經(jīng)濟發(fā)展、基礎(chǔ)建設(shè)愈發(fā)完善，水利工程的規(guī)模、數(shù)量逐漸增大。在諸多工程項目中，混凝土原料以其廉價、優(yōu)質(zhì)的性能獲得了推廣應用，但隨之而來的凍融、滲水問題也困擾著施工單位，構(gòu)件中的水分子在低溫作用下凝結(jié)成冰，體積膨脹并產(chǎn)生微觀拉應力，嚴重影響了工程的整體強度和質(zhì)量，有必要對其進行深入探究和改進。

2 案例工程概況

凍融、滲水是我國水利工程建造環(huán)節(jié)極為突出的問題，施工地區(qū)的氣候、溫度等均會影響工程性能，據(jù)相關(guān)研究顯示，當混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度過低時，其中的毛細水很容易發(fā)生凍結(jié)問題，整個物態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，結(jié)構(gòu)體積可膨脹大約9%，在這種膨脹壓力的持續(xù)作用下，內(nèi)部會產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)拉應力，進而產(chǎn)生裂縫而滲水。此外，毛細孔水結(jié)冰后，鹽分濃度也會發(fā)生一定改變，冰與過冷水之間滲透壓力不同，還可能產(chǎn)生持續(xù)作用的壓差[1]，這些作用使得構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，反復凍融累積傷害，致使輕微裂縫損傷不斷擴張，最終形成貫穿、連通裂縫，影響結(jié)構(gòu)整體的強度和抗?jié)B性能。

從分析中可以看出，飽水狀態(tài)是加劇凍融進程的重要因素，因此，許多水利工程中會通過摻入粉煤灰降低混凝土的含水量，以規(guī)避潛在的凍融、損壞風險。該做法綜合效益可觀，可以在降低水膠比、改善凍融耐久性的同時，提升材料和易性，抑制材料泌水問題。但過量摻加粉煤灰同樣會引發(fā)質(zhì)量問題，過多的粉煤灰顆粒在混凝土中會引發(fā)“滾珠效應”，導致混凝土坍落度過大、上層泌漿等情況，受到水量減少問題的影響，早期還可能出現(xiàn)凝結(jié)緩慢、強度過低的現(xiàn)象。基于此，本文結(jié)合實際工程案例，對其配比試驗過程、性能分析過程進行探究。

3 配比試驗設(shè)計

某水電站承擔灌溉、防洪、發(fā)電職能，所處地晝夜溫差較大，潛在的凍融風險較高，初步確定以摻加粉煤灰來提升混凝土的抗凍融性能。

采用42.5普通硅酸鹽水泥，標準抗壓強度為45.5 MPa；Ⅰ級粉煤灰，需水量比為91%，混凝土中采用的粗、細骨料就近采購，其中，碎石的表觀密度為2 650 kg/m3；細骨料含泥量為3.6%，表觀密度為2 550 kg/m3，另加入高效減水劑、引氣劑，可以起到改善和易性、抗凍性的作用。對粉煤灰摻量與混凝土性能的關(guān)系進行研究時，需要保持無關(guān)變量穩(wěn)定，綜合多方因素考慮后，將混凝土含氣量設(shè)置為4.5%，誤差不得超過±0.5%，這主要是因為本工程對混凝土抗凍性能要求較高，含氣量過低容易影響混凝土的抗凍性，而含氣量過高又會影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密性，進而影響混凝土的強度。試驗分兩組進行，A組采用等強度配置思路，強度統(tǒng)一設(shè)定在C25，用于研究同等強度條件下，粉煤灰摻量對試件力學性能、抗凍性能以及抗?jié)B性能的影響。B組采用同等水膠比，設(shè)計指標為0.40，兩組均設(shè)置5個試件，具體配比可見表1。

表1 案例工程混凝土試驗配比情況

4 試驗結(jié)果分析

4.1 力學性能分析

力學性能能夠客觀描述各種材質(zhì)結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)、載荷性質(zhì)等。對混凝土力學性能進行分析時，需要測定其抗拉性、抗壓性等。綜合水利工程的整體運行需求，本文重點分析粉煤灰摻量與抗壓強度指標之間的關(guān)系。抗壓強度的增長與多重要素有關(guān)，養(yǎng)護時間在其中表現(xiàn)極為活躍，基于此，收集構(gòu)件組7 d、14 d以及28 d齡期抗壓強度參數(shù)，分析相關(guān)性情況，詳細數(shù)據(jù)可見表2。

表2 不同配比下各混凝土構(gòu)件力學性能測試結(jié)果MPa

從表2中可以看出，在同等強度條件下，7 d齡期時，A組試件的抗壓強度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，說明粉煤摻量與早期強度之間是存在一定負相關(guān)關(guān)系的，但在14 d和28 d的測試結(jié)果中，該種情況卻表現(xiàn)出了相反的趨勢，隨著粉煤灰摻量的增加，A1～A5組抗壓強度指標明顯上升。而等水膠比組別中，抗壓強度整體呈現(xiàn)下降趨勢，但是，在14 d、28 d組別中，這種下降趨勢明顯放緩。分析后發(fā)現(xiàn)，這種情況主要與粉煤灰自身性質(zhì)相關(guān)，其中的活性SiO2可以與水泥中的成分發(fā)生反應，混凝土原料碳硅比約在1.5，拌和后游離Ca(OH)2和SiO2發(fā)生反應，生成新的、低堿性的水化硅酸鈣物質(zhì)，碳硅比也下降至1或1以下，強度明顯提高，促進了混凝土構(gòu)件整體力學性能的優(yōu)化。此外，粉煤灰中的Al2O3活性較高，在長時間的混合、作用下，同樣會與游離Ca(OH)2發(fā)生反應，生成新的水化鋁酸鈣等物質(zhì)，部分SiO2在水化熱的作用下，還會參與這一反應進程中，形成有3種及以上物質(zhì)參與的復雜反應，生成水化鋁硅酸鈣等。

這些生成物均具有較高的強度，可以顯著提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗壓能力，同時，Ca(OH)2作為水泥中重要的組分物質(zhì)，游離狀態(tài)下通常呈現(xiàn)為片狀晶體，拌和過程中很容易影響微觀結(jié)構(gòu)緊密性，使之產(chǎn)生微小裂隙，而粉煤灰摻入并經(jīng)過一段時間的反應后，可以顯著消耗這種晶體存量[2]，進一步推動結(jié)構(gòu)力學性能的優(yōu)化。試驗中呈現(xiàn)的構(gòu)件早期強度較弱，很有可能是因為該種反應不夠充分，經(jīng)過14 d、28 d的養(yǎng)護后，反應轉(zhuǎn)化進程基本結(jié)束，因此，強度相應提高。

4.2 抗凍性能分析

抗凍融性能是水利工程中極為重要的衡量指標，通常可以用相對動彈性模量輔助評估，本次試驗中還引入質(zhì)量損失率，二者相互配合以確保分析準確性，A、B兩組均進行150次和200次凍融試驗[3]，并記錄相關(guān)參數(shù)以供分析。在凍融150次試驗中，A1～A5組質(zhì)量損失分別0.7%、0.7%、0.6%、0.3%和0.8%，相對動彈模量分別為93.65%、93.7%、95.2%、93.1%和90.6%，粉煤灰摻量增加的整體影響并不明顯。而凍融200次試驗中，質(zhì)量損失分別轉(zhuǎn)變?yōu)?.9%、1.2%、1.0%、0.8%和1.3%，最大、最小損失之間相差大約為0.5%，相對動彈模量分別為91.3%、92.8%、95.3%、90.1%和89.7%，對于摻量超過50%的A4、A5組來說，相對彈性模量損失有所加劇，但整體維持在約90%，質(zhì)量損失也沒有超過1.3%的限值。

在等水膠比組別中，凍融150次試驗B1～B5組質(zhì)量損失分別達到0.4%、2.6%、2.5%、3.1%和6.6%，相對動彈模達到91.3%、83.4%、81.2%、75.7%和75.3%；凍融200次試驗中，質(zhì)量損失分別為0.6%、2.7%、3.0%、4.8%和9.3%，相對動彈模分別達到88.9%、84.2%、68.1%、68.5%和55.7%。可以發(fā)現(xiàn)，在粉煤灰摻量超過50%的B3、B4、B5組中，質(zhì)量損失、相對動彈模損失均明顯增大。A、B組別之間的差異如此明顯，分析后發(fā)現(xiàn)可能是由于強度等級的影響，當強度等級一定時，粉煤灰摻量所起到的作用明顯被削弱，而水膠比相同時，粉煤灰摻量增大反而會帶來抗凍融性能的削弱。

4.3 抗?jié)B性能分析

水利工程對抗?jié)B性能的要求同樣較高，把控不當很容易造成滲漏、裂縫擴大等問題，最終影響結(jié)構(gòu)整體強度，在該部分的試驗中，重點選取了滲水高度、滲透系數(shù)指標，在指標內(nèi)容的基礎(chǔ)上，做出綜合性的抗?jié)B評價，數(shù)據(jù)結(jié)果可見表3。

表3 混凝土試件抗?jié)B試驗結(jié)果

從圖表中可以看到，A、B兩組的抗?jié)B評價均大于W6，對應滲透系數(shù)大約為4.19×10-9cm/s，可以較好地滿足水利工程抗?jié)B需求，這主要是因為粉煤灰中活性成分與水泥成分發(fā)生反應，造成了片狀晶體Ca(OH)2的大量減少，混凝土微觀結(jié)構(gòu)由此被改變，密實度也明顯增加，因此，抗?jié)B性能得到改良。配比環(huán)節(jié)要結(jié)合實際試驗情況分析，比如，本次試驗中，同等強度條件下，A4組表現(xiàn)最佳，此時可以取水膠比0.35，粉煤灰摻量60%，以提高工程抗?jié)B性能。

5 結(jié)論

綜上所述，本次試驗分析了粉煤灰摻量與混凝土構(gòu)件抗壓強度、抗?jié)B性能、抗凍融能力之間的關(guān)系，試驗結(jié)果如下：

1）在等強度條件下，混凝土構(gòu)件性能主要受到粉煤灰摻量、養(yǎng)護時間的影響，早期混凝土強度較低，14 d以后則會伴隨粉煤灰摻量的提升而出現(xiàn)明顯上升趨勢，實踐中務必科學設(shè)定養(yǎng)護周期，適當提高粉煤灰摻量。

2）粉煤灰摻量的作用受強度影響較大，強度一定時，粉煤灰摻量對抗凍融能力的影響減小，而水膠比固定時，摻量的增加反而會影響抗凍融能力。施工過程中要注意協(xié)調(diào)水膠比、強度、摻量的關(guān)系，通過增加強度減少凍融損傷。