李益文

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(huán)境污染方面發(fā)揮著重要作用。因此，研究粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律，對(duì)于提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性至關(guān)重要。粉煤灰加入量、粒徑分布、化學(xué)成分等因素將直接影響混凝土的抗?jié)B性能。針對(duì)不同類型的橋梁混凝土，研究粉煤灰摻和后的混凝土抗?jié)B性能，可以為橋梁工程實(shí)踐提供科學(xué)的技術(shù)支撐。同時(shí)，通過深入探討粉煤灰對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、水泥水化產(chǎn)物以及滲透性能的影響機(jī)理，可以為混凝土配合比設(shè)計(jì)和橋梁工程施工提供理論指導(dǎo)，從而促進(jìn)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和可持續(xù)發(fā)展。

1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原料

在粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能影響的研究試驗(yàn)中，試驗(yàn)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(yàn)中起著關(guān)鍵作用，其品種和用量將直接影響混凝土的抗?jié)B性能。同時(shí)，粉煤灰作為一種常用的混凝土摻和料，其細(xì)度和含量對(duì)混凝土的抗?jié)B性能有顯著影響。砂和骨料是混凝土的骨架材料，其級(jí)配及用量會(huì)影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性能。

此外，添加外加劑也是影響混凝土抗?jié)B性能的重要因素，不同類型的外加劑會(huì)對(duì)混凝土的工作性能和耐久性產(chǎn)生不同影響。在試驗(yàn)中要精確控制此類原材料的配合比和性能參數(shù)，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響[1]。試驗(yàn)中所用粉煤灰和水泥的參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 水泥基本參數(shù)

表2 粉煤灰基本參數(shù)

為了研究混凝土抗?jié)B性能、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)受粉煤灰養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及摻和量的具體影響和規(guī)律，分別取0%～50% 的粉煤灰摻量，7d、24d、56d 和84d 養(yǎng)護(hù)時(shí)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(yàn)方法

1.2.1 立方體單軸壓縮試驗(yàn)法

通過立方體單軸壓縮試驗(yàn)方法進(jìn)行抗強(qiáng)度測(cè)試，可以有效研究粉煤灰對(duì)混凝土的影響規(guī)律。首先，準(zhǔn)備符合標(biāo)準(zhǔn)要求的混凝土配合比和粉煤灰摻和比例，同時(shí)確保試驗(yàn)設(shè)備完好無損，試驗(yàn)環(huán)境符合要求。其次，按照預(yù)定配合比將水泥、粉煤灰、骨料等原材料進(jìn)行配合，并進(jìn)行充分的攪拌，以確?；炷恋木鶆蛐院头€(wěn)定性。最后，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃制作立方體混凝土試件，并進(jìn)行標(biāo)號(hào)、記錄等必要的準(zhǔn)備工作。在試驗(yàn)過程中，需要將試件放置在試驗(yàn)機(jī)上，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求施加逐漸增大的壓力，直至試件發(fā)生破壞。在此過程中，需要實(shí)時(shí)記錄壓力值和位移數(shù)值，并觀察試件的破壞形態(tài)和過程。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出不同粉煤灰摻和比例對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并揭示粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響機(jī)理。還可以探討不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從而為進(jìn)一步優(yōu)化混凝土配合比和工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1.2.2 逐級(jí)加載法

逐級(jí)加載法是一種常用的測(cè)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(shí)的抗?jié)B性能。選取不同摻量的粉煤灰混凝土作為研究對(duì)象，如0%、10%、20%和30%的粉煤灰摻量，以及相應(yīng)配比的普通混凝土作為對(duì)照組。針對(duì)每種混凝土樣品進(jìn)行逐級(jí)加載法的抗?jié)B性能測(cè)試。在測(cè)試過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水壓力的增加速度，以確保每個(gè)階段的水壓力變化均勻持續(xù)，同時(shí)模擬混凝土在實(shí)際使用中受到的不同水壓力環(huán)境。為了準(zhǔn)確評(píng)估混凝土的抗?jié)B性能，應(yīng)采用先進(jìn)的水壓試驗(yàn)設(shè)備，并結(jié)合數(shù)字化數(shù)據(jù)記錄和分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄混凝土試樣在不同水壓力下的滲水情況和變化規(guī)律。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地評(píng)估不同摻量粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能，并揭示其與粉煤灰摻量之間的關(guān)系。

1.2.3 壓汞試驗(yàn)法

采用壓汞試驗(yàn)方法，可以測(cè)試粉煤灰混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。首先，將試件置于壓汞儀器內(nèi)，其次逐步增加壓力，使汞液滲入混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)中。在試驗(yàn)過程中，需要記錄不同壓力下汞液的滲入量，并及時(shí)觀察壓力與滲入量之間的關(guān)系。同時(shí)，通過壓汞試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙度、孔隙分布等，也可以通過公式或圖表對(duì)該參數(shù)進(jìn)行具體描述和分析，從而揭示粉煤灰對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，可以得出粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 立方體單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)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?jié)B性能。粉煤灰內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使其具有較高的活性，當(dāng)其與水泥在混凝土中發(fā)生反應(yīng)時(shí)，形成更多的水化產(chǎn)物，能夠填充混凝土內(nèi)部的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的致密性和抗?jié)B性能。針對(duì)以上理論基礎(chǔ)進(jìn)行立方體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。選取不同摻量下的粉煤灰混凝土樣品，恰當(dāng)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行立方體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。圖1 為不同粉煤灰摻量時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在混凝土齡期為7d 時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。說明在早期階段，加入粉煤灰會(huì)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度造成一定程度的影響。當(dāng)齡期大于28d 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)隨粉煤灰摻量增加而呈現(xiàn)先增后減的狀態(tài)。摻量為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大。此現(xiàn)象與之前的描述相吻合，即隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，粉煤灰對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響逐漸顯現(xiàn)，甚至出現(xiàn)一定程度的增強(qiáng)效應(yīng)。

圖1 混凝土的抗壓強(qiáng)度曲線

通過對(duì)立方體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以初步推斷出粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律。在早期階段，粉煤灰的加入可能對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長，粉煤灰對(duì)混凝土的后期抗壓強(qiáng)度有明顯的提高作用。

2.2 內(nèi)部孔隙分布

2.2.1 總孔隙率

研究結(jié)果顯示，當(dāng)粉煤灰摻量不同，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，如果粉煤灰摻量增加，則水化產(chǎn)物會(huì)出現(xiàn)減少趨勢(shì)，混凝土孔隙率增大。當(dāng)齡期增長時(shí)，粉煤灰活性效應(yīng)逐漸起作用，導(dǎo)致水化產(chǎn)物逐漸增多，并將混凝土內(nèi)部孔隙填充，從而使孔隙率下降。具體來看，當(dāng)粉煤灰摻量小于30%時(shí)，孔隙率隨摻量增加而減?。欢?dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，其活性效應(yīng)得到最有效的發(fā)揮，混凝土密實(shí)度達(dá)到最大值，且內(nèi)部總孔隙率會(huì)顯著降低，分別為25.7%和24.6%，是基準(zhǔn)混凝土的92%和88%。表明加入粉煤灰會(huì)改善孔隙結(jié)構(gòu)，從而改善混凝土抗?jié)B性能和密實(shí)度。此外，粉煤灰的加入不僅可以節(jié)省橋梁混凝土的造價(jià)，還能提高橋梁混凝土后期的密實(shí)度，為工程施工和維護(hù)帶來積極的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。粉煤灰在橋梁混凝土中的應(yīng)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(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，橋梁混凝土內(nèi)部的孔隙尺寸分布受粉煤灰摻量的影響而發(fā)生變化。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為84d 時(shí)，不同粉煤灰摻量條件下的孔隙尺寸分布呈現(xiàn)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(shí)增加了較小孔隙的體積，從而均勻閉合了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。

通過對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙尺寸分布的定量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的加入對(duì)不同尺寸孔隙的影響程度各異。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，橋梁混凝土20nm 以上的孔隙體積是基準(zhǔn)混凝土的124.3%，但100nm 以上的孔隙體積僅是基準(zhǔn)混凝土的57.4%。說明粉煤灰對(duì)大孔隙的填充效果更加顯著，有利于減少混凝土內(nèi)部的滲透路徑，從而提高混凝土的致密性和抗?jié)B性能。

結(jié)合以上分析結(jié)果可知，粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律主要體現(xiàn)在調(diào)控混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)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(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。此作用使混凝土具有更加致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)減少滲透路徑，提高混凝土的抗?jié)B性能。

2.3 滲水高度和最大抗?jié)B水壓力

根據(jù)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(huì)給抗?jié)B能力產(chǎn)生不利影響。然而，由于粉煤灰具有微集料效應(yīng)，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(nèi)部的滲水通道。因此，雖然孔隙率有所增大，但實(shí)際在7d 齡期下，橋梁混凝土的滲水高度逐漸減小，抗?jié)B水壓力則增大。

表4 混凝土滲水高度與最大抗?jié)B水壓力情況

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，粉煤灰的活性效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，并與水泥發(fā)生二次反應(yīng)，生成的產(chǎn)物填充了混凝土內(nèi)部的滲水通道，從而大大提高橋梁混凝土的抗?jié)B能力。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于28d 時(shí)，粉煤灰混凝土的滲水高度均小于14.9mm，而最大抗?jié)B水壓力則達(dá)到1MPa以上，表明橋梁混凝土的抗?jié)B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?jié)B能力呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。具體原因?yàn)?0%～30%的粉煤灰摻量能夠使橋梁混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度和密實(shí)度處于最佳狀態(tài)，并能使?jié)B水通道面積最小化，從而達(dá)到最佳的抗?jié)B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(shù)與粉煤灰摻量關(guān)系圖。

圖2 混凝土抗氯離子滲透系數(shù)變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰在不同摻量下對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響呈現(xiàn)出一定規(guī)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(jié)果與混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，粉煤灰的細(xì)微顆?？梢蕴畛浠炷林械奈⒂^孔隙，從而減少氯離子在混凝土中擴(kuò)散。其次，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，粉煤灰對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的提升效果逐漸顯現(xiàn)并增強(qiáng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到84d 時(shí)，不同摻量粉煤灰混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別比基準(zhǔn)混凝土降低了13.6%、38.3%、45.8%、33.3%，即隨著時(shí)間的推移，粉煤灰的優(yōu)化作用逐漸顯現(xiàn)，并且不同摻量下的混凝土產(chǎn)生了明顯的差異。粉煤灰早期對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B和抗腐蝕能力的提升幅度明顯小于后期，表明粉煤灰對(duì)混凝土性能的改善作用會(huì)隨著時(shí)間推移而逐漸積累、提升。同時(shí)，在實(shí)際工程中，需要充分考慮混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)粉煤灰影響的持久性。

3 結(jié)語

文章旨在通過對(duì)粉煤灰摻和橋梁混凝土的抗?jié)B性能影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討不同摻和下粉煤灰對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、水化產(chǎn)物形成、滲透性等性能的影響機(jī)理，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值模擬分析，為推廣粉煤灰在橋梁混凝土中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。同時(shí)，本文的研究成果對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐、提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。