王正環(huán)

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 蘭州 730000)

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蓮麓三級(jí)水電站閘墩粉煤灰混凝土配合比試驗(yàn)研究

王正環(huán)

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 蘭州 730000)

對(duì)大體積水工混凝土來(lái)說(shuō)，粉煤灰的合理使用不僅大大節(jié)約了水泥，而且能有效抑制堿骨料反應(yīng)，可以縮小混凝土內(nèi)外溫差，有利于減少混凝土表面開(kāi)裂的危險(xiǎn)。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)在混凝土中摻加粉煤灰后的可泵性、抗壓強(qiáng)度、耐久性及外加劑適應(yīng)性等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究及分析。粉煤灰混凝土材源廣、性能優(yōu)、可廣泛應(yīng)用于大體積水工混凝土工程中。

粉煤灰;混凝土;耐久性;配合比

0 前 言

粉煤灰是火電廠燃煤燃燒之后產(chǎn)生的一種固體廢料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的火電廠每年產(chǎn)生的粉煤灰約1.5億t，要將這些粉煤灰排入灰場(chǎng)需增加占地約1 000 hm2，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失每年將高達(dá)300億元。如果不加處理，不僅會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵、污染大氣，排入水系還會(huì)造成河道淤塞，而且其中的有毒有害物質(zhì)還會(huì)對(duì)生物和人體造成危害[1]。然而，粉煤灰又是火山灰性質(zhì)的活性材料，具有潛在的化學(xué)活性，在一定條件下，能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成類(lèi)似水泥膠凝體的膠凝物質(zhì)，且具有一定的強(qiáng)度[2]。如將粉煤灰轉(zhuǎn)化為可利用資源，所取得的正反兩方面的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

在混凝土中摻加粉煤灰作為摻和料可以變廢為寶，改善混凝土的性能。在水工混凝土中摻加粉煤灰不僅能夠顯著提高混凝土的密實(shí)性和耐久性，而且還能節(jié)約水泥，增強(qiáng)混凝土的抗裂性、抗凍性、抗?jié)B性以及抗硫酸鹽腐蝕性；在泵送混凝土中，還能提高混凝土的可泵性[3]。因此，粉煤灰在混凝土配合比中的應(yīng)用就成為建筑工程中試驗(yàn)檢測(cè)人員不斷研究探索的目標(biāo)了。

下面結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)在混凝土中摻加粉煤灰后的可泵性、抗壓強(qiáng)度、耐久性及外加劑適應(yīng)性等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究及分析。

1 工程概況

甘肅洮河蓮麓三級(jí)水電站是洮河流域規(guī)劃“九(甸峽)～海(甸峽)”河段峽城梯級(jí)規(guī)劃所確定的蓮麓二級(jí)電站與海甸峽電站之間的插補(bǔ)電站。蓮麓三級(jí)水電站為一座引水式電站，由閘壩樞紐、引水系統(tǒng)(引水渠道)、電站廠房等組成。引水樞紐距上游正在建設(shè)的蓮麓二級(jí)水電站約2.3 km，距下游已完建的海甸峽水電站約13.4 km；電站以發(fā)電為主，額定水頭8.5 m，發(fā)電引水流量270 m3/s，裝機(jī)容量20 MW(2×10 MW)，屬Ⅳ等小⑴型工程(此工程中閘墩的混凝土方量為186 m3)。

受施工方的委托，對(duì)樞紐及廠房的混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),并對(duì)不同粉煤灰摻量和外加劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，以及混凝土的經(jīng)濟(jì)性和適用性做出試驗(yàn)分析。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及工地原材料的實(shí)際情況，為增加混凝土的耐久性、降低水泥用量，摻加粉煤灰作為摻合料，添加引氣型木鈣作為外加劑，選擇樞紐閘墩C25W6F150的泵送混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料性能檢驗(yàn)

對(duì)所需的原材料進(jìn)行性能檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

(1) 水泥。甘肅壽鹿山水泥 P·O 42.5,R28=49.8 MPa,ρ=3.10 g/cm3。

(2) 砂。蓮麓砂石料場(chǎng)生產(chǎn)的天然砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.70，表觀密度為2.66 g/cm3，級(jí)配良好。經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》中對(duì)砂的要求。

(3) 石子。蓮麓砂石料場(chǎng)生產(chǎn)的5～20 mm(小石)和20～40 mm(中石)粒級(jí)的卵石。小石的表觀密度為2.68 g/cm3；中石的表觀密度為2.68 g/cm3。經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》中對(duì)石子的要求[6]。石子比例按最大密度法確定[8]，選最佳比例，小石∶中石=40∶60。

(4) 摻和料。蘭州西固宏大熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度為16.6%，需水量比為102%，燒失量為5.87%，含水量為0.22%，三氧化硫?yàn)?.032%。經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5) 外加劑。山西奧鑫建材有限公司生產(chǎn)引氣型木鈣。

2.2 混凝土配制強(qiáng)度的確定

按照下式計(jì)算配置強(qiáng)度[7]

(1)

式中：fcu,o為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)(當(dāng)采用95%的強(qiáng)度保證率時(shí)，概率度系數(shù)取1.645)；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20～25 MPa時(shí)，取4.0 MPa)。

依據(jù)式(1)計(jì)算得出C25W6F150的配制強(qiáng)度為31.6 MPa。

2.3 確定砂率

由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，原材料級(jí)配良好，摻用粉煤灰和減水劑并且有抗凍抗?jié)B要求時(shí)的混凝土，砂率宜在40%～42%之間[4]。本次配合比試驗(yàn)砂率采用41%。

2.4 混凝土配合比試配

2.4.1 方法及步驟

在保證混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍性和抗?jié)B性能以及可泵性的前提下，保持坍落度(160～180 mm)不變，選擇不同水灰比、不同粉煤灰摻量和不同外加劑摻量進(jìn)行混凝土配合比的試配，使之既滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)又能夠節(jié)約水泥。

第1步:選定不同的水灰比進(jìn)行混凝土試配，根據(jù)不同齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行線性回歸分析，并得出線性方程，根據(jù)水灰比和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，選擇符合配制強(qiáng)度的水灰比。

第2步:用所確定的水灰比進(jìn)行不同粉煤灰摻量的試配，根據(jù)粉煤灰摻量和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，在曲線上選擇和易性好、可泵性好且強(qiáng)度有保證的粉煤灰摻量。

第3步:用確定的水灰比和粉煤灰摻量進(jìn)行不同外加劑摻量的試配，根據(jù)外加劑摻量和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，在曲線上選擇強(qiáng)度較高的外加劑摻量。

第4步:通過(guò)確定的最佳水灰比、最佳粉煤灰摻量和最佳外加劑摻量確定泵送混凝土的推薦配合比。

2.4.2 水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系

有抗凍抗?jié)B要求的混凝土配合比最大水灰比不大于0.55，在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)不僅要考慮坍落度和強(qiáng)度等級(jí)，還要考慮對(duì)水灰比的限制因素。選擇0.45、0.50、0.55和0.60四個(gè)不同的水灰比進(jìn)行試配，按照試配成果水灰比和強(qiáng)度關(guān)系對(duì)照表(見(jiàn)表1)，以不同齡期抗壓強(qiáng)度繪制水灰比和強(qiáng)度關(guān)系曲線(見(jiàn)圖1)，擬合關(guān)系曲線為：Y28 d=-61.20x+67.13，R2=0.996 6；Y14 d=-43.20x+49.58，R2=0.996 1；Y3 d=-24.20x+28.98，R2=0.957 2。相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，表明線性關(guān)系好、代表性強(qiáng)。

從圖1中分析看出，隨著水灰比不斷增大，混凝土3、14和28 d的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，因有抗凍抗?jié)B要求的混凝土水灰比不大于0.55，考慮坍落度的要求和添加粉煤灰取代水泥的因素，選擇水灰比為0.50。

表1 泵送混凝土水灰比與強(qiáng)度關(guān)系對(duì)照表

齡期/d水灰比0.450.500.550.60備注318.117.115.214.71430.028.126.023.5基準(zhǔn)混凝土2839.836.233.530.5

圖1泵送混凝土水灰比與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖(基準(zhǔn)混凝土)

2.4.3 粉煤灰摻量與強(qiáng)度的關(guān)系

確定水灰比為0.50，粉煤灰等量取代水泥。選擇粉煤灰摻量為10%、15%和20%，進(jìn)行配合比試配試驗(yàn)，以選出最佳的粉煤灰摻量。按照試配成果粉煤灰摻量和強(qiáng)度關(guān)系對(duì)照表(見(jiàn)表2)，以不同齡期抗壓強(qiáng)度繪制粉煤灰摻量和強(qiáng)度關(guān)系曲線(見(jiàn)圖2)，擬合關(guān)系曲線為：Y28 d=-0.34x+36.23，R2=0.985 4；Y14 d=-0.24x+27.93，R2=0.980 8；Y3 d=-0.24x+17.01，R2=0.992 9。曲線相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，表明線性關(guān)系好、代表性強(qiáng)。

表2 泵送混凝土粉煤灰摻量與強(qiáng)度關(guān)系對(duì)照表

齡期/d粉煤灰摻量/%0101520備注317.114.413.612.31428.125.124.523.2水灰比0.502836.232.631.629.1

圖2 泵送混凝土水灰比與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖 (水灰比：0.50)

從圖2可以分析看出，隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混凝土抗壓強(qiáng)度在3、14和28 d均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。但在試拌過(guò)程中，混凝土拌和物的和易性也在相應(yīng)增加。因此，在滿足強(qiáng)度和和易性的前提下，選擇15%作為粉煤灰的最佳摻量。

2.4.4 外加劑摻量與強(qiáng)度的關(guān)系

本次配合比試驗(yàn)采用引氣型木鈣作為外加劑。木鈣是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，它在混凝土中主要起高效減水劑作用。引氣型木鈣作為一種復(fù)合型外加劑，集引氣減水、緩凝、高強(qiáng)于一體。

確定水灰比為0.50，粉煤灰摻量為15%，選擇0.15%、0.20%、0.25%和0.30%四個(gè)不同的木鈣摻量進(jìn)行混凝土配合比試配，按照試配成果木鈣摻量和強(qiáng)度關(guān)系對(duì)照表(見(jiàn)表3)，以不同齡期抗壓強(qiáng)度繪制木鈣摻量和強(qiáng)度關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)，用多項(xiàng)式擬合曲線為：Y28 d=-870.00x2+423.70x-21.34，R2=0.999 2；Y14 d=-410.00x2+201.50x-1.02，R2=0.998 4；Y3 d=-510.00x2+236.50x-16.88，R2=0.998 2。相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，表明相關(guān)性強(qiáng)。

表3 泵送混凝土木鈣摻量與強(qiáng)度關(guān)系對(duì)照表

齡期/d木鈣摻量/%0.150.200.250.30備注37.110.110.38.2水灰比0.50;1420.122.823.822.5粉煤灰2822.628.730.127.5摻量15%。

圖3 泵送混凝土木鈣與強(qiáng)度關(guān)系曲線圖 (粉煤灰摻量：15%、水灰比：0.50)

從圖3中可以分析看出，木鈣摻量從0.15%到0.25%階段，強(qiáng)度出現(xiàn)上升趨勢(shì)；從0.25%到0.30%階段，強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。但摻量在0.25%時(shí),混凝土拌和物在滿足和易性和坍落度的前提下，減水率達(dá)到14%,含氣量達(dá)到4.5%,均能達(dá)到抗?jié)B性和抗凍性對(duì)混凝土拌和物的要求，且抗壓強(qiáng)度最高,因此選擇0.25%作為木鈣的最佳摻量。

3 混凝土配合比性能檢驗(yàn)

依據(jù)確定的水灰比為0.50,粉煤灰摻量為15%,外加劑摻量為0.25%成型的混凝土試塊，做3、14和28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示28 d抗壓強(qiáng)度值達(dá)到30.1 MPa，比試配強(qiáng)度31.6 MPa低1.5 MPa。考慮到粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)空間較大，目前有些規(guī)范已經(jīng)把粉煤灰混凝土的標(biāo)準(zhǔn)齡期定為90 d[5]。因此，該配合比的強(qiáng)度能夠滿足C25的設(shè)計(jì)要求；對(duì)齡期達(dá)到28 d的混凝土試塊做抗?jié)B和抗凍性能試驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足W6F150的泵送混凝土要求,見(jiàn)表4。

表4 泵送混凝土配合比性能檢驗(yàn)表

齡期/d檢驗(yàn)項(xiàng)目抗壓強(qiáng)度/MPa抗?jié)B等級(jí)抗凍等級(jí)備注310.3--水灰比0.50;1423.8--粉煤灰摻量15%;2830.1W6F150木鈣摻量0.25%。

4 粉煤灰混凝土配合比試驗(yàn)分析討論及推薦配合比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：通過(guò)對(duì)比圖2中相同水灰比混凝土強(qiáng)度關(guān)系圖不難看出，摻加粉煤灰的混凝土強(qiáng)度較未摻加粉煤灰的混凝土強(qiáng)度要低，同時(shí)由于粉煤灰的水化速率低于水泥，因此摻加粉煤灰之后的混凝土的早期強(qiáng)度也低于普通混凝土，但摻加粉煤灰的混凝土在養(yǎng)護(hù)14 d之后的混凝土強(qiáng)度能達(dá)到養(yǎng)護(hù)28 d之后強(qiáng)度的75%以上(見(jiàn)表2)，因此摻加粉煤灰的混凝土為保證足夠的強(qiáng)度發(fā)展，需將混凝土養(yǎng)護(hù)至少14 d以上。同時(shí)由于摻入粉煤灰之后混凝土的早期強(qiáng)度偏低，對(duì)于早期強(qiáng)度要求較高的構(gòu)件，比如在冬季施工中就不宜采用粉煤灰混凝土配合比進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

從圖3中可以看出，當(dāng)粉煤灰摻入量為15%時(shí)，木鈣的摻入量對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定影響，當(dāng)木鈣摻入量為0.25%時(shí)混凝土強(qiáng)度值最大。因此，在滿足多方條件情況下選定粉煤灰摻量為15%。木鈣摻量可選定為0.25%，使之既有較高強(qiáng)度又起到一定的緩凝引氣作用。

依據(jù)以上對(duì)水灰比、粉煤灰和外加劑摻量的配合比試配試驗(yàn)，選擇出最佳的水灰比、粉煤灰和外加劑的最佳摻量，試驗(yàn)成果表明各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到配合比的設(shè)計(jì)要求，在此基礎(chǔ)上提出C25W6F150泵送混凝土推薦配合比,見(jiàn)表5。

表5 蓮麓三級(jí)水電站閘墩C25W6F150泵送混凝土推薦配合比表

5 結(jié) 語(yǔ)

生態(tài)環(huán)保型混凝土是當(dāng)代建材工業(yè)發(fā)展主要方向之一，廢物的開(kāi)發(fā)利用符合國(guó)家提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。粉煤灰混凝土具有材源廣、性能優(yōu)等各方面優(yōu)勢(shì)，在水工結(jié)構(gòu)中與普通混凝土相比，工作性好、后期強(qiáng)度高、安全儲(chǔ)備大、耐久性好，起著延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命、確保結(jié)構(gòu)安全的積極作用。對(duì)大體積混凝土來(lái)說(shuō)，一方面，粉煤灰的合理使用不僅大大節(jié)約了水泥，而且能有效抑制堿骨料反應(yīng)。同時(shí)，粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，混凝土中不耐蝕成分減少，粉煤灰高性能混凝土有比基準(zhǔn)混凝土大的耐化學(xué)腐蝕能力[9]；另一方面可以縮小混凝土內(nèi)外溫差，有利于減少混凝土表面開(kāi)裂的危險(xiǎn)。因此，粉煤灰混凝土的應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 冷發(fā)光,張仁瑜,邢鋒 .綠色建材和綠色高性能混凝土的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[C]//中國(guó)混凝土技術(shù)交流會(huì),2012.8.2.

[2] 呂亞楠,羅毅,湯榮平. 對(duì)混凝土中有關(guān)粉煤灰?guī)讉€(gè)重要問(wèn)題的探討[J]. 西北水電,2009(06): 57-60.

[3] 黃海燕.綠色高性能商品混凝土簡(jiǎn)述[J]. 廣西城鎮(zhèn)建設(shè),2011(02): 82-84.

[4] 張應(yīng)立.現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：人民交通出版社，2002.

[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：GB/T50146-2014[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2015.

[6] 中華人民共和國(guó)水利部.水工混凝土施工規(guī)范：SL677-2014[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2015.

[7] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ55-2011[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[8] 中華人民共和國(guó)水利部.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程：SL352-2006[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[9] 李中原.高摻量粉煤灰高性能混凝土試驗(yàn)及應(yīng)用[J]. 天中學(xué)刊, 2007(05):58-59.

[10] 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB1596-2005[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

Study on Tests of Mix Ratio of Flyash Concrete for Piers, Lianlu 3 Hydropower Project

WANG Zhenghuan

(Gansu Water Resources and Hydropower Investigation Design Research Institute, Lanzhou 730000,China)

The reasonable application of flyash in the mass hydraulic concrete not only largely reduces cement consumption but also effectively restrains alkali aggregate reaction and benefits to avoid risks of cracks in concrete surfaces. In combination with engineering practice, studies and analysis on tests of flyash concrete are performed in terms of pumping ability, compressive strength, durability and additive adaptability. The flyash concrete featuring vast availability of raw materials and superior performance may be widely applied in the mass hydraulic concrete engineering.Key words: flyash; concrete; durability; mix ratio

1006—2610(2016)05—0086—04

2016-04-14

王正環(huán)(1973- )，女，甘肅省永靖縣人，工程師，主要從事混凝土工程和巖土工程試驗(yàn).

TV42+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.022