秦子鵬，杜應(yīng)吉，田 艷

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

1 研究背景

水利工程混凝土凍融破壞是我國北方地區(qū)水利工程建設(shè)的突出問題之一，西北地區(qū)的混凝土凍融破壞問題尤其嚴(yán)重［1］。西北地區(qū)大多處于干旱和半干旱地區(qū)，冬季氣溫低且持續(xù)時間長，晝夜溫差較大，對大體積水工混凝土的工作性能非常不利;在水位變動區(qū)混凝土冬季要承受頻繁的凍融循環(huán)作用后還必須具有足夠的抗?jié)B性能以滿足水利工程的正常運轉(zhuǎn)。因此，寒旱區(qū)水工混凝土應(yīng)盡可能地降低單方用水量，采用低水膠比，并適當(dāng)增加混凝土的含氣量。很多學(xué)者的試驗研究［2－3］表明:將粉煤灰作為一種膠凝材料摻入混凝土中取代部分水泥，不僅可以改善混凝土的工作性能、降低混凝土的單方成本，而且還可以減輕煤廢料對環(huán)境的污染。因此，大摻量粉煤灰混凝土的研究工作既具有很好的經(jīng)濟效益，又具有良好的社會效益。

關(guān)于西北寒旱區(qū)水利工程大摻量粉煤灰混凝土工作性能的研究較少，本文試圖通過試驗并結(jié)合西北寒旱區(qū)水利工程建設(shè)，針對混凝土強度、抗凍和抗?jié)B性能的實際要求，研究大摻量粉煤灰混凝土在該地區(qū)的應(yīng)用，期望能為大摻量粉煤灰混凝土在西北寒旱區(qū)水利工程建設(shè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用提供一定的借鑒。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

水泥:“賽馬”牌42.5普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強度和抗折強度分別為45.5 MPa和9.1 MPa;粉煤灰:寧夏大壩電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，細度為4.8%，需水量比為91%，燒失量為0.47%;細骨料:寧夏當(dāng)?shù)氐拇稚?，細度模?shù)為3.3，表觀密度為2.66 g/cm3，含泥量為3.7%;粗骨料:寧夏銀川鎮(zhèn)北堡碎石，堆積密度為 1 344 kg/m3，吸水率為0.5%;高效減水劑:NF－5A減水劑;引氣劑:JOP引氣劑。

2.2 配合比設(shè)計

試驗中混凝土的配合比設(shè)計是以水膠比和粉煤灰摻量為變量，并保證各組試件的含氣量基本相等。依據(jù)文獻［4］，試驗設(shè)計混凝土的含氣量為(4.5±0.5)%，因為過低的含氣量對寒旱區(qū)水工混凝土的抗凍性能不利，而過高的含氣量會對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。編號A1—A5試件采用等強度配制，強度等級為C25，以研究同一強度等級下，混凝土的力學(xué)、抗凍融及抗?jié)B性能隨粉煤灰摻量的變化;B1—B5試件采用等水膠比配制，水膠比為0.40，以研究同一水膠比下，混凝土的力學(xué)、抗凍融及抗?jié)B性能隨粉煤灰摻量的變化。試驗配合比見表1。

表1 混凝土試驗配合比Table 1 Mix proportions of the concrete for the test

3 試驗結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能包括抗壓、抗拉、抗折強度以及彈性模量等多個方面，研究起來比較復(fù)雜。一般認為抗壓強度能夠較為真實地反映混凝土的整體力學(xué)性能，因此，這里采用混凝土7，28，60 d的立方體抗壓強度來了解粉煤灰混凝土力學(xué)強度及其增長情況。試驗結(jié)果見表2，各齡期下混凝土中粉煤灰摻量與抗壓強度的關(guān)系見圖1。

表2 各配合比下混凝土力學(xué)性能結(jié)果Table 2 Mechanical properties of the concrete of different mix proportions

在常溫下，由于粉煤灰的水化反應(yīng)非常緩慢，一般認為粉煤灰單獨與水拌合后并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。張云升等［5］的研究表明粉煤灰摻入到水泥漿后，水泥水化程度均比同條件下的純水泥漿高，且粉煤灰摻量越大，水泥水化程度提高也越多。Berry等［6］和Xu等［7］利用SEM觀察水泥粉煤灰漿體時發(fā)現(xiàn)，齡期7 d時許多較細的粉煤灰顆粒表面出現(xiàn)了刻痕，水化產(chǎn)物在粉煤灰顆粒表面生成。上述表明粉煤灰摻入到水泥漿體后不僅能促進水泥水化，而且當(dāng)水泥水化到一定程度后粉煤灰可以發(fā)生火山灰反應(yīng)。

圖1 各齡期下混凝土中粉煤灰摻量與抗壓強度的關(guān)系Fig.1 Relationship between fly ash content and compressive strength of the concrete at different ages

由圖1可以看出:在等水膠比(W/B=0.40)條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，7 d抗壓強度降低較快，28 d和60 d抗壓強度相對降低緩慢。上述現(xiàn)象表明粉煤灰早期和后期反應(yīng)速率較慢，而中期反應(yīng)速率較快。原因在于早期水泥水化產(chǎn)物較少，無法激活粉煤灰的火山灰效應(yīng)，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強度得不到補償，所以混凝土早期強度隨粉煤灰摻量的增加而顯著降低;隨著水泥水化的進行，粉煤灰中的活性部分SiO2和A12O3開始與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，同時促進水泥水化反應(yīng)進行;在后期，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2等被大量消耗，水泥水化速率比較緩慢，此時，粉煤灰的反應(yīng)速率也相應(yīng)慢了下來。

在等強度(C25)配制條件下，混凝土7 d抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加有所降低，但28 d和60 d抗壓強度卻在逐漸增加，且增幅均大于基準(zhǔn)實驗組(A1)的抗壓強度。這主要是由于粉煤灰中的活性SiO2能逐漸地與游離Ca(OH)2和高堿性的水化硅酸鈣(C/S≥1.5)發(fā)生二次火山灰反應(yīng)生成低堿性水化硅酸鈣(C/S≤1)，它的強度要比高堿性水化硅酸鈣大得多，而粉煤灰中的活性成分A12O3還能與游離Ca(OH)2生成水化鋁酸鈣，或者活性成分SiO2和A12O3與游離Ca(OH)2生成水化鋁硅酸鈣，這2類水化產(chǎn)物也具有較高的強度，這樣既消耗了大量的游離Ca(OH)2(Ca(OH)2是片狀晶體，易使混凝土產(chǎn)生微裂隙)，減小了其不利影響，又增加了水泥石的強度［8］。在等強度配制條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，水膠比相應(yīng)減小，在較低水膠比條件下，水泥漿體能提供更多的水化產(chǎn)物與粉煤灰中的活性物質(zhì)反應(yīng)，使得上述反應(yīng)過程有所加強。因此，在等強度配制條件下粉煤灰混凝土的中后期強度要比普通混凝土的高。

3.2 抗凍性能

工程上常用相對動彈性模量結(jié)合質(zhì)量損失率來衡量混凝土的抗凍融性。等強度和等水膠比設(shè)計時的28 d齡期混凝土試驗結(jié)果見表3，不同凍融次數(shù)下混凝土中粉煤灰摻量和相對動彈模的關(guān)系見圖2。等強度配制條件下，粉煤灰摻量為50%的混凝土受凍前后的微觀分析見圖3。

表3 混凝土凍融試驗結(jié)果Table 3 Results of freeze-thaw test on the concrete

圖2 不同凍融次數(shù)下混凝土中粉煤灰摻量和相對動彈性模量的關(guān)系Fig.2 Relationship between fly ash content and relative dynamic elastic modulus of the concrete at different freeze-thaw cycles

圖3 粉煤灰混凝土凍融前后微觀形態(tài)Fig.3 Microstructure of fly ash concrete before and after freeze-thaw cycles

根據(jù)圖2，在等強度(C25)配制條件下，凍融150次，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土的相對動彈模和質(zhì)量的損失沒有明顯變化;凍融200次后，在粉煤灰摻量達到50%后混凝土的相對動彈模的損失有所增大，但損失幅度并未超過2%，相對動彈模值基本保持在90%以上且質(zhì)量損失在1.3%以內(nèi)。在等水膠比(W/B=0.40)配制時，凍融150次和200次后，隨粉煤灰摻量超過到50%后，粉煤灰混凝土的相對動彈模和質(zhì)量的損失明顯增大，參照普通混凝土抗凍試驗［9－10］以及相關(guān)粉煤灰混凝土的抗凍試驗［11］可以斷定上述趨勢在凍融循環(huán)次數(shù)增加后會更加明顯。以上說明混凝土的抗凍融性與強度有很大關(guān)系，當(dāng)混凝土的強度等級相同時，它們的抗凍融性并不隨粉煤灰摻量的增加發(fā)生顯著變化，而等水膠比配制的混凝土隨粉煤灰摻量的增大，強度逐漸降低，抗凍融性也顯著降低。

根據(jù)圖3，粉煤灰混凝土受凍前水泥石與粗骨料的粘結(jié)面已經(jīng)存在微裂縫，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后裂縫向水泥石內(nèi)部擴展，氣泡也出現(xiàn)了裂縫，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫會進一步擴展，從而使混凝土的整體性能下降。

為了研究粉煤灰混凝土在寒旱區(qū)遭遇輕度凍融后的自愈合能力，將在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護至齡期28d和60d的混凝土試件分別進行凍融(循環(huán)200次)后置于自然條件下，再經(jīng)過180 d的養(yǎng)護，然后進行抗壓和劈裂抗拉強度試驗，通過與凍前混凝土的力學(xué)性能進行比較，評價混凝土的凍后自愈合能力。試驗結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰混凝土凍后的自愈合能力Table 4 The self-healing properties of the fly ash concrete after freeze-thaw cycles

當(dāng)混凝土的凍融損傷較輕時，經(jīng)過自然條件下養(yǎng)護180 d后，混凝土的立方體抗壓強度基本能夠恢復(fù)甚至超過凍前的強度;劈裂抗拉強度則很難恢復(fù)到凍前的強度水平，與基準(zhǔn)試驗組(A1)相比，大摻量粉煤灰混凝土凍后的劈裂抗拉強度恢復(fù)有所增強，個別試驗組還超過了凍前強度水平。這說明抗拉強度對凍融循環(huán)作用要比抗壓強度更為敏感［12－13］，粉煤灰對混凝土抗拉強度的恢復(fù)有所幫助。粉煤灰摻量為50%的混凝土(A4)凍融循環(huán)200次自然條件下養(yǎng)護180 d后的微觀分析見圖4。

圖4 粉煤灰混凝土凍融－養(yǎng)護180 d后的微觀形態(tài)Fig.4 Microstructure of fly ash concrete after freeze-thaw and curing for 180 days

關(guān)于混凝土的凍融破壞機理還沒有一個較為理想的理論來全面解釋。目前，水工混凝土的破壞機理多以膨脹壓力與滲透壓力理論來解釋［14］，該理論認為凍融破壞的主要原因是在低溫度下，水結(jié)成冰產(chǎn)生體積膨脹，冷水遷移產(chǎn)生滲透壓力以及混凝土表面存在溫度梯度等致使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土材料某處承受的力超過其極限抗拉強度時，就會在該處產(chǎn)生微裂縫，微裂縫逐漸增大、擴展直至互相連通，致使混凝土的力學(xué)強度降低。

根據(jù)圖4，混凝土凍融后經(jīng)過180 d的自然養(yǎng)護，部分微裂縫通過粉煤灰的二次水化反應(yīng)已經(jīng)愈合并生成大量的菊花狀C－S－H凝膠(見圖4(a)和圖4(b))，同時水泥水化作用也在緩慢進行，但還有一部分微裂縫受其周圍的水泥或粉煤灰二次水化程度及養(yǎng)護環(huán)境的影響不能愈合(見圖4(c))，這部分的微裂縫對抗拉強度的影響要遠遠大于對抗壓強度的影響，致使抗拉強度不能像抗壓強度那樣恢復(fù)較好。部分粉煤灰顆粒表面仍較為光滑(見圖4(d))，隨養(yǎng)護時間的延長，二次水化反應(yīng)還能發(fā)生，粉煤灰混凝土內(nèi)部的微裂縫還有得到進一步修復(fù)的可能。

3.3 抗?jié)B性能

結(jié)合水利工程對混凝土抗?jié)B性能的要求，研究大摻量粉煤灰混凝土的抗?jié)B系數(shù)隨粉煤灰摻量的影響，將等強度和等水膠比條件下配制的混凝土進行抗?jié)B試驗。試驗結(jié)果見表5。

表5 混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果Table 5 Results of impermeability test on the concrete

由表5知，在等強度和等水膠比條件下配制的粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能均較好，能夠滿足抗?jié)B等級為 W6(對應(yīng)滲透系數(shù)為0.419×10－8cm/s)的水利工程要求。粉煤灰混凝土優(yōu)良的抗?jié)B性在于粉煤灰中活性成分SiO2和A12O3在水泥水化產(chǎn)物的激發(fā)下發(fā)生二次火山灰反應(yīng)生成了低堿度的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石，使Ca(OH)2顯著減少，從而改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，減少混凝土的滲水通道，增加了混凝土的密實度，提高了混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)水泥與粉煤灰的配比較為合適時，如等強度配制條件下，水膠比為0.35，粉煤灰摻量在50%時，粉煤灰混凝土可以擁有更高的抗?jié)B性能。

4 結(jié)論

(1)在等強度或等水膠比配制條件下，大摻量粉煤灰混凝土早期強度較低，中后期(尤其是中期)強度增長較快。水工混凝土結(jié)構(gòu)可以考慮粉煤灰混凝土中后期強度的增長進行構(gòu)件的強度設(shè)計。

(2)在等強度配制條件下，粉煤灰混凝土的抗壓強度同時受粉煤灰摻量和水膠比的影響，在一定范圍內(nèi)(粉煤灰摻量≤50%，W/B≥0.35)，抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加，水膠比的減小而增大;超過這一范圍則減小。在等水膠比配制條件下，抗壓強度受粉煤灰摻量的影響十分明顯，隨粉煤灰摻量的增加而顯著降低。

(3)在等摻氣量條件下，粉煤灰混凝土的抗凍融性與強度關(guān)系密切，強度越高其抗凍融越好;當(dāng)凍融損傷較輕時，經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護，粉煤灰混凝土的抗壓強度基本能夠恢復(fù)到凍前水平，劈裂抗拉強度則很難恢復(fù)到凍前水平，這可能是寒旱區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。

(4)在等強度或等水膠比條件下配制的粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能均較好，能滿足大部分水利工程的抗?jié)B要求。

(5)在寒旱區(qū)，對抗凍融或抗?jié)B要求較高的水工混凝土的粉煤灰摻量應(yīng)控制在50%以內(nèi)，這樣既能保證水利工程在承受200次凍融循環(huán)作用后不發(fā)生較大的凍融破壞，還能擁有優(yōu)良的抗?jié)B性能。

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