粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律研究

李益文

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

粉煤灰作為一種常用的混凝土摻和料，在提高混凝土性能和降低環境污染方面發揮著重要作用。因此，研究粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律，對于提高橋梁結構的耐久性和安全性至關重要。粉煤灰加入量、粒徑分布、化學成分等因素將直接影響混凝土的抗滲性能。針對不同類型的橋梁混凝土，研究粉煤灰摻和后的混凝土抗滲性能，可以為橋梁工程實踐提供科學的技術支撐。同時，通過深入探討粉煤灰對混凝土孔隙結構、水泥水化產物以及滲透性能的影響機理，可以為混凝土配合比設計和橋梁工程施工提供理論指導，從而促進橋梁混凝土結構的耐久性和可持續發展。

1 試驗原料與設備

1.1 試驗原料

在粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能影響的研究試驗中，試驗原材料包括水泥、粉煤灰、砂、骨料和外加劑。水泥作為混凝土的主要膠凝材料，在試驗中起著關鍵作用，其品種和用量將直接影響混凝土的抗滲性能。同時，粉煤灰作為一種常用的混凝土摻和料，其細度和含量對混凝土的抗滲性能有顯著影響。砂和骨料是混凝土的骨架材料，其級配及用量會影響混凝土的孔隙結構和滲透性能。

此外，添加外加劑也是影響混凝土抗滲性能的重要因素，不同類型的外加劑會對混凝土的工作性能和耐久性產生不同影響。在試驗中要精確控制此類原材料的配合比和性能參數，從而準確評價粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響[1]。試驗中所用粉煤灰和水泥的參數如表1、表2 所示。

表1 水泥基本參數

表2 粉煤灰基本參數

為了研究混凝土抗滲性能、抗壓強度等指標受粉煤灰養護時間以及摻和量的具體影響和規律，分別取0%～50% 的粉煤灰摻量，7d、24d、56d 和84d 養護時間，其配合比情況如表3 所示。

表3 粉煤灰混凝土配合比

1.2 試驗方法

1.2.1 立方體單軸壓縮試驗法

通過立方體單軸壓縮試驗方法進行抗強度測試，可以有效研究粉煤灰對混凝土的影響規律。首先，準備符合標準要求的混凝土配合比和粉煤灰摻和比例，同時確保試驗設備完好無損，試驗環境符合要求。其次，按照預定配合比將水泥、粉煤灰、骨料等原材料進行配合，并進行充分的攪拌，以確保混凝土的均勻性和穩定性。最后，根據試驗計劃制作立方體混凝土試件，并進行標號、記錄等必要的準備工作。在試驗過程中，需要將試件放置在試驗機上，并根據標準要求施加逐漸增大的壓力，直至試件發生破壞。在此過程中，需要實時記錄壓力值和位移數值，并觀察試件的破壞形態和過程。通過分析試驗數據，可以得出不同粉煤灰摻和比例對混凝土抗壓強度的影響規律，并揭示粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響機理。還可以探討不同因素對試驗結果的影響，從而為進一步優化混凝土配合比和工程應用提供科學依據[2]。

1.2.2 逐級加載法

逐級加載法是一種常用的測試方法，通過逐漸增加水壓力來模擬混凝土受到不同水壓力時的抗滲性能。選取不同摻量的粉煤灰混凝土作為研究對象，如0%、10%、20%和30%的粉煤灰摻量，以及相應配比的普通混凝土作為對照組。針對每種混凝土樣品進行逐級加載法的抗滲性能測試。在測試過程中應嚴格控制水壓力的增加速度，以確保每個階段的水壓力變化均勻持續，同時模擬混凝土在實際使用中受到的不同水壓力環境。為了準確評估混凝土的抗滲性能，應采用先進的水壓試驗設備，并結合數字化數據記錄和分析系統，實時監測并記錄混凝土試樣在不同水壓力下的滲水情況和變化規律。通過對測試數據進行分析，可以準確地評估不同摻量粉煤灰混凝土的抗滲性能，并揭示其與粉煤灰摻量之間的關系。

1.2.3 壓汞試驗法

采用壓汞試驗方法，可以測試粉煤灰混凝土的孔隙結構。首先，將試件置于壓汞儀器內，其次逐步增加壓力，使汞液滲入混凝土的孔隙結構中。在試驗過程中，需要記錄不同壓力下汞液的滲入量，并及時觀察壓力與滲入量之間的關系。同時，通過壓汞試驗獲得的數據，可以計算出混凝土的孔隙結構參數，如孔隙度、孔隙分布等，也可以通過公式或圖表對該參數進行具體描述和分析，從而揭示粉煤灰對混凝土孔隙結構的影響規律。根據試驗數據和分析結果，可以得出粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律。

2 試驗結果分析

2.1 立方體單軸抗壓強度

根據已有研究資料，了解到加入粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的抗滲性能。粉煤灰內部微觀結構的特點使其具有較高的活性，當其與水泥在混凝土中發生反應時，形成更多的水化產物，能夠填充混凝土內部的微觀孔隙結構，從而提高混凝土的致密性和抗滲性能。針對以上理論基礎進行立方體單軸抗壓強度試驗，得到相應的試驗結果。選取不同摻量下的粉煤灰混凝土樣品，恰當養護后進行立方體單軸抗壓強度試驗。圖1 為不同粉煤灰摻量時混凝土的抗壓強度。試驗結果顯示，在混凝土齡期為7d 時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈現逐漸降低的趨勢。說明在早期階段，加入粉煤灰會對混凝土的抗壓強度造成一定程度的影響。當齡期大于28d 時，混凝土抗壓強度會隨粉煤灰摻量增加而呈現先增后減的狀態。摻量為30%時抗壓強度最大。此現象與之前的描述相吻合，即隨著養護時間的增長，粉煤灰對混凝土的抗壓強度影響逐漸顯現，甚至出現一定程度的增強效應。

圖1 混凝土的抗壓強度曲線

通過對立方體單軸抗壓強度試驗結果進行分析，可以初步推斷出粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律。在早期階段，粉煤灰的加入可能對混凝土的抗壓強度產生負面影響，但隨著養護時間增長，粉煤灰對混凝土的后期抗壓強度有明顯的提高作用。

2.2 內部孔隙分布

2.2.1 總孔隙率

研究結果顯示，當粉煤灰摻量不同，養護時間較短時，如果粉煤灰摻量增加，則水化產物會出現減少趨勢，混凝土孔隙率增大。當齡期增長時，粉煤灰活性效應逐漸起作用，導致水化產物逐漸增多，并將混凝土內部孔隙填充，從而使孔隙率下降。具體來看，當粉煤灰摻量小于30%時，孔隙率隨摻量增加而減小；而當粉煤灰摻量為30%時，其活性效應得到最有效的發揮，混凝土密實度達到最大值，且內部總孔隙率會顯著降低，分別為25.7%和24.6%，是基準混凝土的92%和88%。表明加入粉煤灰會改善孔隙結構，從而改善混凝土抗滲性能和密實度。此外，粉煤灰的加入不僅可以節省橋梁混凝土的造價，還能提高橋梁混凝土后期的密實度，為工程施工和維護帶來積極的經濟和環保效益。粉煤灰在橋梁混凝土中的應用具有重要意義，可以有效改善混凝土的性能并延長其使用壽命。

2.2.2 孔徑分布

根據試驗結果顯示，橋梁混凝土內部的孔隙尺寸分布受粉煤灰摻量的影響而發生變化。當養護時間為84d 時，不同粉煤灰摻量條件下的孔隙尺寸分布呈現出明顯的變化。隨著粉煤灰摻量的增加，20nm 以下孔隙體積增大，100nm 以上孔隙總體積減小，說明加入粉煤灰可以有效填充和減少較大孔隙，同時增加了較小孔隙的體積，從而均勻閉合了混凝土內部的孔隙結構。

通過對混凝土內部孔隙尺寸分布的定量進行分析，發現粉煤灰的加入對不同尺寸孔隙的影響程度各異。當粉煤灰摻量為30%時，橋梁混凝土20nm 以上的孔隙體積是基準混凝土的124.3%，但100nm 以上的孔隙體積僅是基準混凝土的57.4%。說明粉煤灰對大孔隙的填充效果更加顯著，有利于減少混凝土內部的滲透路徑，從而提高混凝土的致密性和抗滲性能。

結合以上分析結果可知，粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律主要體現在調控混凝土內部孔隙結構上。加入粉煤灰能夠有效填充和減少較大孔隙，并增加了較小孔隙的體積，從而均勻閉合混凝土內部的孔隙結構。此作用使混凝土具有更加致密的內部結構，同時減少滲透路徑，提高混凝土的抗滲性能。

2.3 滲水高度和最大抗滲水壓力

根據表4 可知，橋梁混凝土7d 齡期下的情況：隨著粉煤灰摻量的增加，橋梁混凝土的孔隙率逐漸增大，一般情況下會給抗滲能力產生不利影響。然而，由于粉煤灰具有微集料效應，能夠在一定程度上阻隔相鄰孔隙的連接，從而封閉混凝土內部的滲水通道。因此，雖然孔隙率有所增大，但實際在7d 齡期下，橋梁混凝土的滲水高度逐漸減小，抗滲水壓力則增大。

表4 混凝土滲水高度與最大抗滲水壓力情況

隨著養護時間延長，粉煤灰的活性效應逐漸顯現，并與水泥發生二次反應，生成的產物填充了混凝土內部的滲水通道，從而大大提高橋梁混凝土的抗滲能力。當養護齡期大于28d 時，粉煤灰混凝土的滲水高度均小于14.9mm，而最大抗滲水壓力則達到1MPa以上，表明橋梁混凝土的抗滲能力得到了顯著提高。

隨著粉煤灰摻量的增大，橋梁混凝土的抗滲能力呈現先增大后減小的變化規律。具體原因為20%～30%的粉煤灰摻量能夠使橋梁混凝土的黏結強度和密實度處于最佳狀態，并能使滲水通道面積最小化，從而達到最佳的抗滲效果。

2.4 抗氯離子滲透性能

圖2 為混凝土抗氯離子滲透系數與粉煤灰摻量關系圖。

圖2 混凝土抗氯離子滲透系數變化曲線

試驗結果表明，粉煤灰在不同摻量下對混凝土抗氯離子滲透性能的影響呈現出一定規律。首先，隨著粉煤灰摻量的增加，橋梁混凝土的抗氯離子滲透性能逐漸改善。該觀察結果與混凝土內部孔隙結構的變化密切相關，粉煤灰的細微顆粒可以填充混凝土中的微觀孔隙，從而減少氯離子在混凝土中擴散。其次，隨著養護時間延長，粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的提升效果逐漸顯現并增強。試驗數據顯示，當養護齡期達到84d 時，不同摻量粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數分別比基準混凝土降低了13.6%、38.3%、45.8%、33.3%，即隨著時間的推移，粉煤灰的優化作用逐漸顯現，并且不同摻量下的混凝土產生了明顯的差異。粉煤灰早期對橋梁混凝土抗滲和抗腐蝕能力的提升幅度明顯小于后期，表明粉煤灰對混凝土性能的改善作用會隨著時間推移而逐漸積累、提升。同時，在實際工程中，需要充分考慮混凝土養護時間對粉煤灰影響的持久性。

3 結語

文章旨在通過對粉煤灰摻和橋梁混凝土的抗滲性能影響規律進行系統研究，探討不同摻和下粉煤灰對混凝土孔隙結構、水化產物形成、滲透性等性能的影響機理，并通過試驗驗證和數值模擬分析，為推廣粉煤灰在橋梁混凝土中的應用提供科學依據和技術支撐。同時，本文的研究成果對于指導工程實踐、提高橋梁結構的耐久性和安全性，具有重要的理論和實用價值。