不同粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石強(qiáng)度和抗凍性能的影響

俞長(zhǎng)隆

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院檢測(cè)試驗(yàn)研究中心，新疆 昌吉831100）

1 引言

膠凝砂礫石材料是在天然砂礫石中摻入少量的水泥或其他膠凝材料，與水簡(jiǎn)單拌合而成的復(fù)合材料，屬于一種新材料。膠凝砂礫石材料已在國(guó)內(nèi)外諸多水利工程中得到應(yīng)用，目前關(guān)于原材料選用對(duì)于膠凝砂礫石性能影響的研究較少。劉紅森［1］等分析了膠凝砂礫石凍融試驗(yàn)及其影響因素，為材料的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)；孫明權(quán)［2］等通過(guò)研究用水量變化對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響，得到了最優(yōu)用水量和最優(yōu)水膠比；劉錄錄［3］等對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度及影響規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了細(xì)料含量對(duì)膠凝砂礫石強(qiáng)度的影響較大；馮偉［4］對(duì)膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，給出了優(yōu)選配合比的方案；金小磊［5］研究了骨料針片狀含量對(duì)膠凝砂礫石強(qiáng)度的影響，為施工中質(zhì)量控制提供了參考范圍；束佳寅［6］分析了不同粉煤灰摻量對(duì)水化熱的影響，獲得了相應(yīng)的變化情況；田悅［7］等通過(guò)研究粉煤灰粒徑分布對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，得到了相應(yīng)最明顯影響區(qū)間；袁承斌［8］等研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土性能的影響，給出了最優(yōu)摻量值。本文通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析在不同粉煤灰摻量下，膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的變化，得到在其它試驗(yàn)參數(shù)不變的情況下，粉煤灰摻量變化對(duì)膠凝砂礫石材料的影響。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

天然砂礫石：新疆昌吉某料場(chǎng)天然砂礫石混合料，砂礫層中砂石比例變化不大，顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見表1，混合料的含泥量為1.38%，其不均勻系Cu=18，曲率系數(shù)Cc=1.02，屬于級(jí)配良好；水泥采用新疆天山水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，對(duì)水泥的物理技術(shù)性能和化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果見表2、表3；粉煤灰采用新疆華電生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，對(duì)粉煤灰的檢測(cè)結(jié)果見表4。

表1 天然砂礫石顆粒級(jí)配

表2 水泥各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 水泥化學(xué)及熟料礦物成分

表4 粉煤灰檢測(cè)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352-2020），通過(guò)混凝土拌合物維勃稠度試驗(yàn)測(cè)定VC值，將攪拌充分后的拌合物通過(guò)40 mm的圓孔篩，分三層裝入維勃稠度儀的容器中，每層插搗25下，然后將容器固定在振動(dòng)臺(tái)上，開始測(cè)定拌合物的VC值。在水泥用量80 kg/m3，水用量96 kg/m3時(shí)測(cè)得VC值為12 s，符合維勃稠度試驗(yàn)測(cè)定干硬性混凝土的范圍。最終優(yōu)選配合比為水泥用量80 kg/m3、水膠比為1.2。

表5 不同水膠比下VC值

2.3 試驗(yàn)方案

為研究不同粉煤灰摻量下膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的變化，按照表6中試驗(yàn)方案，根據(jù)優(yōu)選出的配合比，參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，試驗(yàn)前剃掉砂礫料中粒徑大于40 mm的骨料，將混合料均勻拌合，然后分三層裝入邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試模中，振搗密實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試試件3 d、7 d、28 d、90 d齡期的抗壓強(qiáng)度；為研究不同粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石抗凍性能的影響，綜合考慮試驗(yàn)周期，選用養(yǎng)護(hù)28 d后的試件進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，試驗(yàn)凍結(jié)溫度為-20℃，融化溫度為20℃，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、5次、10次，一次凍融循環(huán)時(shí)間為24 h，完成相應(yīng)凍融次數(shù)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表6 試驗(yàn)配比表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響

成型不同粉煤灰摻量下的膠凝砂礫石抗壓試件，每組三塊。待標(biāo)養(yǎng)到齡期后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度值，取三塊抗壓強(qiáng)度的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，得到不同粉煤灰摻量下膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度見表7。

表7 不同粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表7中數(shù)據(jù)可以得到，隨著粉煤灰摻量的變化，膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度也是變化的。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，各齡期的抗壓強(qiáng)度值與對(duì)照組相差不大，均在±1%以內(nèi)，這是由于粉煤灰摻量較低，對(duì)強(qiáng)度的影響主要取決于水泥的水化反應(yīng)；當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度與對(duì)照組相差不大，28 d和90 d的抗壓強(qiáng)度有較明顯提升，分別為對(duì)照組的107%和105%，這是由于粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，而處于分散狀態(tài)，有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)減少了用水量，硬化后的膠凝砂礫石孔隙率降低，使密實(shí)度得以提高；當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí)，各齡期的抗壓強(qiáng)度與對(duì)照組相差較大，摻量分別為30%和40%時(shí)，90 d的抗壓強(qiáng)度分別為對(duì)照組的82%和76%，這是由于粉煤灰早期強(qiáng)度較低，抗碳化性能較差，大摻量粉煤灰延緩了水化速度，使得強(qiáng)度提升緩慢。可見在膠凝砂礫石中，水泥和粉煤灰作為膠凝材料時(shí)，存在一定比例可使膠凝砂礫石的早期抗壓強(qiáng)度明顯提升。

3.2 不同粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石抗凍性能的影響

根據(jù)試驗(yàn)要求將達(dá)到28 d齡期后的抗壓試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度值，取三塊抗壓強(qiáng)度的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，得到不同粉煤灰摻量下，完成凍融循環(huán)后膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度見表8。

表8 不同粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石抗凍性能的影響

從表8數(shù)據(jù)可以得出，在不同的粉煤灰摻量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。膠凝砂礫石凍融時(shí)，因試件內(nèi)部水相變成冰和冰相變成水的過(guò)程會(huì)破壞試件原有的結(jié)構(gòu)，對(duì)試件結(jié)構(gòu)造成損傷，以粉煤灰摻量為0%時(shí)作為對(duì)照組，當(dāng)摻量為10%時(shí)，5次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的100%，10次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的103%；當(dāng)摻量為20%時(shí)，5次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的107%，10次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的110%；當(dāng)摻量為30%時(shí)，5次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的81%，10次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的79%；當(dāng)摻量為40%時(shí)，5次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的77%，10次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的77%。隨粉煤灰摻量的提高，膠凝砂礫石試塊抗凍性能呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這是由于適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅渴沟盟a(chǎn)物總量增加，骨料間粘結(jié)力增大，結(jié)構(gòu)更加均勻密實(shí)，當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%后，大摻量粉煤灰延緩了水化速度，使得強(qiáng)度提升緩慢，凍融過(guò)程中結(jié)構(gòu)受到破壞，引起強(qiáng)度損失。當(dāng)粉煤灰摻量在20%時(shí)，膠凝砂礫石的抗凍性能有顯著提升。

4 結(jié)論

（1）粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度有較明顯的影響。當(dāng)膠凝砂礫石中粉煤灰摻量在20%時(shí)，對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度有顯著提升；當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)30%以后，其抗壓強(qiáng)度明顯降低。

（2）適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅繉?duì)膠凝砂礫石抗凍性能有較明顯的提升。當(dāng)摻量為20%時(shí)，5次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的107%，10次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的110%，施工過(guò)程中控制粉煤灰的摻量能夠有效提升膠凝砂礫石的品質(zhì)。