任玉杰

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

碳化的本質(zhì)是CO2向水工混凝土內(nèi)部滲透，迫使水分向吸水飽和度較小的區(qū)域滲透的過程[1]。因此，要獲得高耐久性與長(zhǎng)壽命的水工混凝土，關(guān)鍵是提高其抗?jié)B性能[2]。粉煤灰作為一種膠凝材料來(lái)替代部分水泥，可以產(chǎn)生形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、即活性效應(yīng)等粉煤灰效應(yīng)[3]。粉煤灰的加入不僅能夠減少水化熱、延緩水化速度、緩解混凝土內(nèi)部因水化熱引起的升溫，對(duì)避免混凝土產(chǎn)生溫度裂縫也很有利[4]，還能降低混凝土的成本、降低滲透性和孔隙率以及抑制堿集料反應(yīng)，有利于水工混凝土后期強(qiáng)度的穩(wěn)定提升[5]，大幅提高了水工混凝土的使用壽命[6]。

然而，目前研究學(xué)者對(duì)水工混凝土抗壓強(qiáng)度及其他力學(xué)性能較為重視，而對(duì)水工混凝土的長(zhǎng)期性能和耐久性方面的要求研究還不夠深入[7-8]，單一的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不能針對(duì)性地滿足各項(xiàng)目由于地理、環(huán)境、成本等因素產(chǎn)生的對(duì)水工混凝土的特殊要求[9]?；谏鲜鲅芯勘尘?，開展摻粉煤灰水工混凝土抗?jié)B性能對(duì)比試驗(yàn)研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 粉煤灰

取三種F類Ⅰ級(jí)粉煤灰6 kg開展檢測(cè)試驗(yàn)。檢測(cè)方法按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)、《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T 176—2017)、《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法—篩析法》(GB/T 1345—2005)等執(zhí)行。主要儀器設(shè)備：SF-150型水泥細(xì)度負(fù)壓篩析儀、NLD-3型水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀、SQP/QUINTIX224-1CN型電子天平、SQP/QUINTIX2102-1CN型電子天平、SRJX-4-13型高溫箱式電阻爐。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 3種粉煤灰材料檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，本組所取三種F類Ⅰ級(jí)粉煤灰的單項(xiàng)判定均達(dá)標(biāo)，可以開展摻粉煤灰水工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。

1.2 三種摻粉煤灰水工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

本次試驗(yàn)粉煤灰取三種均達(dá)標(biāo)的粉煤灰，水泥選用新疆本地生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，顏色呈青灰色。粗骨料選用本地建材供應(yīng)市場(chǎng)提供的石灰?guī)r碎石，5～25 mm連續(xù)粒級(jí)，顏色呈青灰色，氣干狀態(tài)。細(xì)骨料選用本地生產(chǎn)的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，顏色呈黃色，氣干狀態(tài)。外加劑選用網(wǎng)購(gòu)XY-5型脂肪族高效減水劑，適宜摻量一般為膠凝材料用量的1.0%～2.0%。拌合水采用日常自來(lái)水。通過逐級(jí)施加水壓力來(lái)測(cè)定水工混凝土抗水滲透性能。

1.2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

TCS-1型混凝土抗?jié)B儀(0～4.0 MPa)、圓臺(tái)體試模、鋼絲刷、石蠟、松香、烘箱、加壓器、鋼直尺，以及鐘表等。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試件制備。①混凝土拌合。②采用上、下口內(nèi)徑為175 mm、185 mm及高度為150 mm的圓臺(tái)體鋼試模，6個(gè)試件為一組，每種粉煤灰摻量的混凝土各成型3組。③拆模后，應(yīng)用鋼絲刷刷去上、下兩面的水泥漿膜，并立即送進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后在模擬的水工建筑物自然環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。④在28 d、56 d、90 d齡期時(shí)，分別進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)試件密封。在達(dá)到試驗(yàn)齡期的前一天，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出試件并擦干，待試件表面晾干后，在其側(cè)面裹涂一層熔化的、內(nèi)加少量松香的石蠟。然后使用螺旋加壓器將試件壓入經(jīng)過烘箱或電爐預(yù)熱過的鋼試模中，使試件與試模底部平齊，并應(yīng)在試模變冷后解除壓力。試模的預(yù)熱溫度，應(yīng)以石蠟接觸試模，即緩慢熔化但不流淌滴落為準(zhǔn)。

(3)試件安裝。啟動(dòng)抗?jié)B儀，并開通所有6個(gè)試位下的閥門，關(guān)閉中間的總控泄水閥門，使水從試位中心的小孔中滲出，待水充滿6個(gè)試位坑之后，關(guān)閉所有閥門并將密封好的試件安裝在抗?jié)B儀上，用螺帽固定好。

(4)逐級(jí)加壓。試件安裝好后，立即開通6個(gè)試位下的閥門，并確認(rèn)中間的總控泄水閥門處于緊閉狀態(tài)，以免漏壓。將初始水壓調(diào)整為0.1 MPa，隨后每過8 h增加0.1 MPa的水壓，并應(yīng)隨時(shí)觀察試件端面是否滲水。當(dāng)6個(gè)試件中有3個(gè)試件上表面出現(xiàn)滲水時(shí)，停止試驗(yàn)并記錄此時(shí)水壓。在試驗(yàn)過程中，若發(fā)生水從試件周邊滲出的情況，卸下該試件待晾干后重新進(jìn)行密封。

(5)數(shù)據(jù)處理。水工混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)以每組6個(gè)試件中有2個(gè)試件出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓乘以10來(lái)確定，具體應(yīng)按式(1)計(jì)算：

W=10H

(1)

式中：W為水工混凝土抗?jié)B等級(jí)，MPa；H為6個(gè)水工混凝土試件中有2個(gè)試件滲水時(shí)的最大水壓力，MPa。

2 摻粉煤灰水工混凝土抗?jié)B性能研究

水工混凝土中的滲流指的是流體(液體、氣體)在水工混凝土內(nèi)部孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)，滲透系數(shù)是滲流的主要指標(biāo)[10]。在水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部攜帶有微裂紋、微孔隙等內(nèi)部劣化因子，在外圍水壓和內(nèi)部孔隙水壓等作用下，會(huì)使水向混凝土內(nèi)部遷移，水工混凝土力學(xué)性能發(fā)生劣化，最終導(dǎo)致水工混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能下降，甚至結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞[11]。而水工混凝土抵抗這種滲透作用的能力，即稱為水工混凝土的抗?jié)B性能。

2.1 摻粉煤灰水工混凝土滲透破壞機(jī)理

在水壓力作用下的水工混凝土耐久性能，本質(zhì)上取決于其膠凝材料和粗細(xì)骨料力學(xué)性能，以及兩者膠結(jié)情況(膠結(jié)面的微裂紋、微孔隙等)。

由于骨料本身的滲透性弱于水泥石的滲透性，可知水工混凝土的滲透性主要取決于水泥石的滲透性。而水膠比直接影響了水泥石的滲透性，水膠比較大的水工混凝土，孔隙率較高，水泥石中相互連通的毛細(xì)孔體系亦會(huì)增加，導(dǎo)致水工混凝土的抗?jié)B性能變差。

水工混凝土澆筑成型時(shí)振搗不密實(shí)、硬化后由于干縮和熱脹等變形產(chǎn)生的裂縫，亦會(huì)導(dǎo)致水工混凝土抗?jié)B性能變差；此外，水工混凝土服役時(shí)所處的外圍環(huán)境也會(huì)對(duì)其抗?jié)B性能有所影響，如：外載荷的大小和分布,溫度場(chǎng),以及是否有侵蝕性氣體、液體等。本次試驗(yàn)在振搗、養(yǎng)護(hù)、外界環(huán)境這些因素都相同的條件下，僅探討不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響。

抗水滲透試驗(yàn)方法一般有逐級(jí)加壓法、滲水高度法和相對(duì)滲透系數(shù)法。(1)逐級(jí)加壓法的特點(diǎn)是水壓從0.1 MPa開始，每隔8 h增加0.1 MPa，直到同組6個(gè)試件中的2個(gè)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，則停止試驗(yàn)，即可得到混凝土的抗?jié)B等級(jí)。(2)滲水高度法是將滲透水壓24 h內(nèi)恒定控制在1.2 MPa，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)以6個(gè)試件滲水高度的算術(shù)平均值作為評(píng)定混凝土抗水滲透性的標(biāo)準(zhǔn)。(3)相對(duì)滲透系數(shù)法反映混凝土吸收和滲透水的能力，通過滲水量及時(shí)間來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)，以一組6個(gè)試件的滲透系數(shù)算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

滲水高度法與相對(duì)滲透系數(shù)法在混凝土本身抗?jié)B性能不理想的情況下不能較好地反映各類試件抗?jié)B性能的優(yōu)劣。例如滲水高度法可能在24 h恒定1.2 MPa的高水壓下，試驗(yàn)試件均發(fā)生了完全滲透。基于上述分析，本次試驗(yàn)選用了相對(duì)常規(guī)的逐級(jí)加壓法。

2.2 摻粉煤灰水工混凝土試驗(yàn)結(jié)果及分析

本組所取三種F類Ⅰ級(jí)粉煤灰對(duì)水工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)影響差別較小，幾乎不計(jì)。選取粉煤灰1抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果繪圖，不同齡期和不同摻量下的粉煤灰1混凝土抗?jié)B水壓變化規(guī)律見圖1、圖2。

圖1 不同齡期下的抗?jié)B水壓

圖2 不同摻量下的抗?jié)B水壓

從圖1和圖2中可以看出：

(1)在試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，30%粉煤灰1摻量的混凝土試件抗?jié)B性能最佳，抗?jié)B水壓達(dá)到了1.1 MPa；其次是25%粉煤灰摻量的試件，抗?jié)B水壓達(dá)到了1.0 MPa；抗?jié)B性能最差的是20%和35%摻量的試件，抗?jié)B水壓約為0.9 MPa。

(2)在試件自然養(yǎng)護(hù)至56 d時(shí)，各組試件的抗?jié)B性能都有不同程度的提升，其中，抗?jié)B性能最佳的仍然是30%粉煤灰1摻量的試件，抗?jié)B水壓為1.5 MPa；而35%粉煤灰1摻量的試件抗?jié)B性能提升較大，抗?jié)B水壓相較于28 d時(shí)增加了0.5 MPa，達(dá)到了1.4 MPa，超過25%粉煤灰1摻量的試件，位于第二，抗?jié)B性能最差的為30%粉煤灰1摻量的試件。

(3)本組試件自然養(yǎng)護(hù)至90 d時(shí)，粉煤灰1摻量越大，抗?jié)B性能越好，在本次試驗(yàn)中，35%粉煤灰1摻量的試件抗?jié)B水壓最高達(dá)到了1.65 MPa。

通過對(duì)水工混凝土及摻加粉煤灰1的混凝土抗?jié)B性能的研究可知，隨著水工混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，水工混凝土滲水高度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其抗?jié)B等級(jí)逐漸增加，反映了水工混凝土的抗水滲透性能隨著強(qiáng)度的增加而提高；而對(duì)于摻加粉煤灰1的水工混凝土存在最佳摻量，即在某一摻量之前，隨著粉煤灰1摻量的增加，抗水滲透性能提高，說(shuō)明粉煤灰1充分發(fā)揮了微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，但超過該最佳摻量后，抗水滲透性能卻趨于下降。

粉煤灰1摻加到水工混凝土中，一方面，降低了水工混凝土的早期強(qiáng)度，使水工混凝土抵抗孔隙水應(yīng)力的能力變差；另一方面，在一定程度上改善了水工混凝土內(nèi)部的曲孔結(jié)構(gòu)，使孔徑更加蜿蜒細(xì)長(zhǎng)，水化產(chǎn)物C-S-H膠凝材料填塞了水泥石中的部分毛細(xì)孔隙，減少了滲透通道，大大增加了水工混凝土的密實(shí)度，有利于增強(qiáng)水工混凝土的抗?jié)B性能。摻粉煤灰1水工混凝土的水壓滲透過程就是在這兩方面因素的綜合影響下進(jìn)行的。

結(jié)合實(shí)際工程，若上述兩方面因素中第一方面因素起主導(dǎo)作用，則水工混凝土的抗?jié)B能力是降低的；若第二方面因素起主導(dǎo)作用，則水工混凝土抗?jié)B能力是提高的。因此，得出粉煤灰1的最佳摻量，使之更好地發(fā)揮第二方面的作用是十分必要的。

3 結(jié) 論

(1)通過檢測(cè)結(jié)果可知，本組所取三種F類Ⅰ級(jí)粉煤灰的單項(xiàng)判定均達(dá)標(biāo)，可以開展摻粉煤灰水工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。三種F類Ⅰ級(jí)粉煤灰對(duì)水工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)影響差別較小，幾乎不計(jì)。

(2)得到了齡期和粉煤灰1摻量與水工混凝土抗水滲透性能之間的關(guān)系。在試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d與56 d時(shí)，抗?jié)B性能隨著粉煤灰1摻量的增加呈先上升后下降的規(guī)律，粉煤灰1摻量為30%時(shí)最佳；當(dāng)齡期足夠長(zhǎng)時(shí)，水工混凝土的抗?jié)B性能隨著粉煤灰1摻量的增加呈遞增趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，水工混凝土中粉煤灰1摻量應(yīng)以35%為宜。