改性硅灰和粉煤灰對(duì)水工混凝土性能影響探究

計(jì)興旺

(喀左縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 朝陽(yáng) 122300)

水工結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受地下水滲透、鹽類侵蝕、堿骨料及凍融破壞等因素影響,其長(zhǎng)效穩(wěn)定安全運(yùn)行面臨著嚴(yán)峻形勢(shì),為滿足工程結(jié)構(gòu)要求需要針對(duì)特殊環(huán)境配制性能更好的混凝土[1]。在建設(shè)過(guò)程中大多數(shù)水利工程都會(huì)受到不同程度的堿活性骨料影響,并且許多位于地下的構(gòu)筑物容易受土壤和地下水內(nèi)的侵蝕物質(zhì)破壞,大大降低其耐久性,為保證水利工程長(zhǎng)效安全穩(wěn)定和整體質(zhì)量,需要采取改進(jìn)措施提升混凝土的抗鹽侵蝕和堿骨料反應(yīng)抑制能力。針對(duì)堿骨料問(wèn)題,研究學(xué)者提出利用輔助膠凝材料或廢舊輪胎橡膠粉、硅灰與粉煤灰復(fù)摻等進(jìn)行控制和改善,如王逸然等探討了混凝土受不容濃度、種類鹽溶液的侵蝕損傷作用,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了損傷變量與干濕循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系;王曉波研究了水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力受礦渣粉和粉煤灰的影響作用,并提出摻粉煤灰混凝土不宜用于干濕交替地區(qū),要降低侵蝕破壞作用可以摻入適量礦渣粉;廖孟柯等試驗(yàn)分析了鹽漬土條件下混凝土的抗侵蝕能力及其受磨細(xì)礦渣粉的影響作用[2-4]。因此,文章以改性硅灰、粉煤灰和水膠比為變量,對(duì)比分析了不同配合比混凝土的抗鹽侵蝕性、骨料堿活性、滲透性和強(qiáng)度,旨在為提升類似地區(qū)水工結(jié)構(gòu)耐久性提供一定技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥:山水工源P·O 42.5R級(jí)普硅水泥,比表面積368m2/kg,平均密度3.11g/cm3,初、終凝時(shí)間165min和210min,3d、28d抗壓強(qiáng)度30.1MPa和47.2MPa。

摻合料:大連恒翔F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,比表面積461m2/kg,密度2.25g/cm3,燒失量6.1%,細(xì)度20.4%,SO3含量1.0%,需水量比104%;大連金橋廠生產(chǎn)的改性硅灰,比表面積2000m2/kg。

骨料:天然松散河砂,孔隙率36%,吸水率1.2%,細(xì)度模數(shù)2.8,Ⅱ區(qū)中砂;堿硅酸活性較強(qiáng)的火山灰凝灰?guī)r碎石,粒徑5～20mm,孔隙率40%,吸水率0.75%,松散堆積密度1610kg/m3,針片狀含量5%,壓碎指標(biāo)2.8%。

外加劑:固含量22%的聚羧酸減水劑,減水率28%,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》試驗(yàn)設(shè)置改性硅灰(5%)+粉煤灰(45%、35%、25%)三種摻合料和三種水膠比(0.30、0.35、0.40)的配合比,如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行拌和物的成型、養(yǎng)護(hù)及性能測(cè)試,標(biāo)養(yǎng)環(huán)境濕度>95%,溫度(20±2)℃,待規(guī)定齡期時(shí)取出測(cè)試相應(yīng)的強(qiáng)度、滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性和抑制堿骨料活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

不同齡期S1～S9組試塊抗壓強(qiáng)度變化特征如圖1所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖1可知,水膠比相同情況下試塊強(qiáng)度隨粉煤灰替代量的增大而減小,究其原因是粉煤灰降低了水泥量,從而減小了骨料間的黏結(jié)力和整體強(qiáng)度;粉煤灰摻量相同情況下試塊強(qiáng)度隨水膠比的增大而減小,這是因?yàn)樗z比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致裂隙的形成,使得整體強(qiáng)度明顯下降;改性硅灰用量相同情況下,粉煤灰可以提升拌和物性能,但不利于早期強(qiáng)度發(fā)展,應(yīng)控制粉煤灰用量處于合理范圍[5-6]。

2.2 抗?jié)B數(shù)據(jù)分析

標(biāo)養(yǎng)28d時(shí)S1～S9組試塊的滲水高度和電通量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 滲水高度及電通量測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖2可知,在氯離子溶液中各組試塊的電通量變化范圍為300～600C,符合<1000C的抗?jié)B要求。因此,試驗(yàn)設(shè)計(jì)的各組配合比具有較低的氯離子滲透性。另外,水膠比相同情況下電通量受粉煤灰摻量的影響較小,粉煤灰摻量相同情況下電通量隨水膠比的增加明顯增大,究其原因是水膠比越大則內(nèi)部形成的連通毛細(xì)管就越多,從而使得游離水含量及其鹽水吸收能力提高,故實(shí)際工程中的水膠比不宜超過(guò)0.35。結(jié)合滲水高度可知,摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比0.35的S4組試塊滲水高度最小為16.7mm,其次是摻5%改性硅灰+35%粉煤灰、水膠比0.40的S8組試塊,該組滲水高度17.8mm,而摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比0.30組試塊的滲水高度最大為34.6mm。所以,粉煤灰和水膠比都會(huì)對(duì)康盛性造成影響,這是因?yàn)樗z比較小會(huì)增大拌和難度,因拌和不均勻?qū)е驴紫堵侍岣?而水膠比過(guò)高又會(huì)產(chǎn)生硬化裂隙,摻入粉煤灰具有一定的填充效應(yīng),有利于減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙和部分用水量,從而提升整體密實(shí)度和抗?jié)B性。然而,粉煤灰摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的膠材用量不足,不利于整體抗?jié)B性的提升。

2.3 抑制堿骨料反應(yīng)

受限于骨料生產(chǎn)條件,在水利工程建設(shè)中不可避免地會(huì)使用到堿活性骨料,有必要探討堿骨料反應(yīng)抑制作用。不同齡期S1～S9組試件膨脹率利用快速砂漿棒法進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 膨脹率測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖3可知,摻改性活粉和粉煤灰條件下,各組試件標(biāo)養(yǎng)14d的膨脹率均<0.20%,膨脹率最大值出現(xiàn)在14d齡期的0.03%。依據(jù)工程實(shí)踐和相關(guān)資料,14d齡期時(shí)普通混凝土膨脹率為0.24%,可見(jiàn)改性硅灰與粉煤灰的摻入可以有效降低膨脹率,降低率達(dá)到75%以上[7]。究其原因是改性硅灰與粉煤灰在硬化過(guò)程中具有一定的火山灰效應(yīng),可通過(guò)消耗和吸收大量堿物質(zhì)達(dá)到較好的堿骨料反應(yīng)抑制作用[8]。

2.4 抗硫酸鹽侵蝕分析

各組試塊的抗硫酸鹽侵蝕性能選用“浸泡試驗(yàn)法”進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià),可利用下式計(jì)算抗蝕系數(shù)k以反映其抗侵蝕能力,即:

k=f侵蝕溶液/f淡水

(1)

式中:f侵蝕溶液、f淡水為侵蝕性溶液和淡水中浸泡條件下的試塊抗折強(qiáng)度,MPa。

不同濃度硫酸鹽溶液浸泡條件下28d齡期各組試塊的抗蝕系數(shù)如圖4所示。

圖4 耐蝕系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖4可知,各組試塊在硫酸鹽濃度1g/L時(shí)相差較小,總體圍繞0.98上下波動(dòng),說(shuō)明混凝土強(qiáng)度受低濃度硫酸鹽的影響較小;硫酸鹽濃度增大到4g/L時(shí),抗蝕系數(shù)最大值為S1組的0.97,最小值為S3組的0.92;進(jìn)一步增大硫酸鹽濃度達(dá)到10g/L時(shí),抗蝕系數(shù)最大值為S1組的0.92,最小值為S5組的0.88;繼續(xù)增大硫酸鹽濃度達(dá)到20g/L時(shí),抗蝕系數(shù)最大值為S1組的0.90,最小值為S6組的0.83。總體而言,混凝土抗蝕系數(shù)隨著硫酸鹽濃度的增大呈不斷下降趨勢(shì),說(shuō)明混凝土受侵蝕程度逐漸加劇。滲入的硫酸鹽經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)會(huì)生成鈣礬石、石膏等膨脹性物質(zhì),一旦基體自身抗拉強(qiáng)度不足以抵抗膨脹應(yīng)力就會(huì)形成裂縫,而裂縫的出現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致更多的離子滲入,由此循環(huán)往復(fù)加速混凝土破壞[9]。所以,當(dāng)達(dá)到一定的硫酸鹽濃度時(shí)應(yīng)盡量降低水泥基內(nèi)的堿含量,即用改性硅灰和粉煤灰替代水泥有利于減少水化氯酸鈣的形成,然而粉煤灰摻量過(guò)高又會(huì)影響水化反應(yīng),降低混凝土密實(shí)度和抗侵蝕能力。依據(jù)現(xiàn)有研究成果,將混凝土抗侵蝕能力判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為抗蝕系數(shù)是否>0.8,結(jié)合圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,本試驗(yàn)所配制的各組混凝土抗蝕系數(shù)均超過(guò)0.8,說(shuō)明各組試塊的抗侵蝕能力整體較好。

2.5 配合比優(yōu)化

結(jié)合以上分析結(jié)果,綜合考慮抗硫酸鹽侵蝕能力、堿骨料反應(yīng)抑制效果、抗?jié)B性和抗壓強(qiáng)度等因素,研究認(rèn)為整體性能最優(yōu)的是S1組試塊,即摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比0.30組混凝土。該條件下的抗侵蝕、抗?jié)B透和力學(xué)強(qiáng)度最優(yōu),并且具有較好的堿骨料抑制作用,所以推薦該組配合比供水利工程施工單位選用[10-12]。由于可泵送性能及水量損失等因素均會(huì)在一定程度上影響混凝土的澆筑施工,可結(jié)合具體情況適當(dāng)調(diào)整,最終給出優(yōu)化后的配合比以備選用,如表2所示。

表2 優(yōu)化配合比

3 結(jié) 論

文章通過(guò)抗硫酸鹽侵蝕、抑制堿骨料反應(yīng)、滲透和強(qiáng)度試驗(yàn),探討了改性硅灰+粉煤灰摻量和水膠比對(duì)水工混凝土性能的影響。結(jié)果表明,在固定改性硅灰摻量條件下,粉煤灰摻量和水膠比不宜過(guò)大,摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比為0.30組的混凝土整體性能最優(yōu),研究成果可以為水工混凝土配合比設(shè)計(jì)及其耐久性提升提供一定技術(shù)指導(dǎo)。