李雙喜，崔博濤，王成祥，孟遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，烏魯木齊 830011)

1 研究背景

水利工程中的溢洪道、放水洞和導(dǎo)流洞作為保證水庫(kù)安全的重要設(shè)施，往往受到高速水流和推移質(zhì)泥沙顆粒的磨蝕破壞。工程設(shè)計(jì)時(shí)為了保障其安全性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往通過(guò)提高混凝土的強(qiáng)度來(lái)預(yù)防溢洪道、放水洞和導(dǎo)流洞被沖磨破壞。以新疆大推移質(zhì)泥沙河流為例，上述部位底板混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60。

在配制C60抗沖磨混凝土?xí)r需要較低的水膠比才能滿足強(qiáng)度的要求，而在低水膠比情況下，混凝土往往自身體積收縮較大，易開裂，導(dǎo)致其抗沖磨性能降低。近些年學(xué)者較多從原材料、配合比等方面研究其抗沖磨性[1-5]，而對(duì)于高速挾沙水流沖擊的抗沖磨混凝土等所引起的開裂問(wèn)題則研究得相對(duì)較少。抗沖磨混凝土易開裂與其配制技術(shù)密不可分，現(xiàn)有研究表明硅粉混凝土雖然能夠大幅度提高混凝土的抗沖磨和抗空蝕能力，但硅粉顆粒超細(xì)、需水量大，導(dǎo)致混凝土孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)化，且具有更大的化學(xué)收縮[6]。高浩等[7]開展了中低強(qiáng)度抗沖磨混凝土的干縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)比不同摻合料方案，復(fù)摻5%硅粉和20%粉煤灰對(duì)抑制收縮更有利。祝小靚等[8]在混凝土中摻入膨脹劑，研究了不同摻合料微膨脹抗沖磨混凝土的抗裂性能。余舟等[9]采用低熱和中熱水泥，在混凝土中摻入聚乙烯醇(PVA)、硅粉及粉煤灰等不同材料，配置了性能優(yōu)異的低熱水泥抗沖磨混凝土。

本研究以粉煤灰、礦渣和硅灰為研究對(duì)象，進(jìn)行單摻、復(fù)摻試驗(yàn)配制滿足C60強(qiáng)度等級(jí)的抗沖磨混凝土，通過(guò)平板法、圓環(huán)法對(duì)C60抗沖磨混凝土的抗裂性能進(jìn)行研究，并結(jié)合微觀測(cè)試手段，揭示不同摻合料單摻、復(fù)摻對(duì)C60高強(qiáng)混凝土抗裂性能的影響機(jī)理，旨在為工程提供性能優(yōu)異的抗沖磨混凝土配制方案，豐富水工抗沖磨混凝土的研究成果。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥：采用新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性質(zhì)見表1。粉煤灰：采用新疆五彩灣火力發(fā)電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，品質(zhì)指標(biāo)見表2。礦渣粉：采用新疆寶新盛源建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉，其物理性質(zhì)見表3。硅粉：采用新疆貝特力新材料科技有限公司生產(chǎn)的微硅粉，其品質(zhì)指標(biāo)見表4。減水劑：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA?-300P粉體聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。細(xì)骨料：河砂，其物理性質(zhì)見表5。粗骨料：卵石，最大粒徑40 mm,其物理性質(zhì)見表6。

表1 水泥物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of cement

表2 粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)Table 2 Performance indicators of fly ash

表3 礦渣粉物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of slag powder

表4 硅粉的品質(zhì)指標(biāo)Table 4 Performance indicators of silica fume

表5 河砂的物理性質(zhì)Table 5 Physical properties of river sand

表6 粗骨料的物理性質(zhì)Table 6 Physical properties of coarse aggregate

2.2 試驗(yàn)方法

本文以滿足C60強(qiáng)度等級(jí)的抗沖磨混凝土為研究對(duì)象，礦物摻和料包括不同摻量、單摻和復(fù)摻的粉煤灰、礦渣粉及硅粉，進(jìn)行混凝土拌合物、力學(xué)性能及抗裂性能試驗(yàn)。

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中早期抗裂試驗(yàn)方法(以下簡(jiǎn)稱“平板抗裂法”)，制作800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型試件，采用ZBL-F130混凝土裂縫寬度儀觀測(cè)混凝土的單位面積總開裂面積。

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中非接觸法收縮試驗(yàn)方法，制作100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，采用NELD-ES730非接觸法混凝土收縮膨脹變形測(cè)定儀進(jìn)行混凝土收縮率的測(cè)定。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》(CCES 01—2004)中混凝土抗裂性測(cè)試方法及評(píng)價(jià)中的限制性水泥及水泥基膠凝材料抗裂試驗(yàn)方法(以下簡(jiǎn)稱“圓環(huán)法”)，測(cè)定水泥基膠凝材料在收縮過(guò)程中出現(xiàn)開裂的時(shí)間。

3 抗沖磨混凝土配合比

3.1 摻和料單摻方案

設(shè)計(jì)不同摻和料品種及摻量的二級(jí)配抗沖磨混凝土配合比方案，控制坍落度在160～170 mm之間，抗壓強(qiáng)度滿足C60等級(jí)。

單摻粉煤灰、礦渣粉或硅粉的抗沖磨混凝土試驗(yàn)配合比見表7，拌和物性能及28 d抗壓強(qiáng)度也列在表7中。由表7可知，為保證混凝土拌和物性能及C60等級(jí)要求，適當(dāng)調(diào)整了不同方案的水膠比及單位用水量。硅粉活性最高，其次是礦渣粉及粉煤灰，因此，混凝土的水膠比分別為0.27、0.25、0.23。試驗(yàn)用粉煤灰具有減水效果，摻量越大，混凝土用水量降低，抗壓強(qiáng)度略有下降。而硅粉需水量大，混凝土用水量隨著摻量的增加而提高，且硅粉增強(qiáng)強(qiáng)度的效果明顯。隨著礦渣摻量的增加，混凝土用水量提高，但強(qiáng)度略有降低。

表7 單摻摻和料的抗沖磨混凝土試驗(yàn)配合比Table 7 Mix proportions of wear resistant concrete with single admixture

3.2 摻和料復(fù)摻方案

復(fù)摻不同摻和料的二級(jí)配抗沖磨混凝土配合比見表8，拌和物性能及28 d抗壓強(qiáng)度也列在表8中。由表8可知，為保證混凝土拌和物性能及C60等級(jí)要求，水膠比保持在0.27，需調(diào)整不同方案的單位用水量及減水劑摻量。

表8 復(fù)摻摻和料的抗沖磨混凝土試驗(yàn)配合比Table 8 Mix proportions of wear resistant concrete with composite admixtures

4 抗沖磨混凝土抗裂性能及微觀試驗(yàn)

4.1 平板抗裂法測(cè)試與分析

按照GB/T 50082—2009規(guī)定，對(duì)單摻及復(fù)摻摻和料方案的抗沖磨混凝土進(jìn)行平板法抗裂性能試驗(yàn)。將混凝土拌和物濕篩以剔除粒徑>31.5 mm的粗骨料，在平板試模中成型、振實(shí)、抹平，保持環(huán)境溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為60%±5%；30 min后將濕麻袋取下，用風(fēng)扇吹混凝土表面；攪拌加水24 h后，測(cè)讀試件裂縫數(shù)量、裂縫長(zhǎng)度和寬度等開裂信息。并計(jì)算下列3個(gè)參數(shù)：

(1)每條裂縫的平均開裂面積(mm2/條)，即

(1)

(2)單位面積的開裂裂縫數(shù)目(條/m2)，即

(2)

(3)單位面積的總開裂面積(mm2/m2)，即

C=ab。

(3)

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度(mm)；Li為第i條裂縫的長(zhǎng)度(mm)；N為總裂縫數(shù)目(條)；A為平板的面積(m2)。

單摻摻和料抗沖磨混凝土的平板法抗裂試驗(yàn)結(jié)果見表9。復(fù)摻摻和料方案的混凝土平板法抗裂試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表9 單摻摻和料抗沖磨混凝土的平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Crack results of wear resistant concrete specimens with single admixture

表10 復(fù)摻不同摻和料抗沖磨混凝土的平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Crack results of wear resistant concrete specimens with composite admixtures

由表9結(jié)果可知，保持水膠比不變，粉煤灰或礦渣粉的摻入，均可延長(zhǎng)混凝土開裂時(shí)間、降低開裂程度。隨著粉煤灰或礦渣粉摻量的增加，早期混凝土的裂縫條數(shù)、裂縫總長(zhǎng)度、單位面積的裂縫數(shù)目及總開裂面積呈減小趨勢(shì)，抑制混凝土開裂的效果趨于明顯；而硅粉的摻入，縮短了抗沖磨混凝土的開裂時(shí)間，增加了開裂趨勢(shì)。且硅粉摻量由4%增至10%，混凝土的裂縫條數(shù)、裂縫總長(zhǎng)度、單位面積上的裂縫數(shù)目及總開裂面積增加，混凝土開裂現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。因此，針對(duì)C60抗沖磨混凝土，粉煤灰混凝土的早期抗裂性能優(yōu)于礦渣混凝土，單摻硅粉混凝土的效果最差。

對(duì)比表10中復(fù)摻方案的早期抗裂性試驗(yàn)結(jié)果，可見，硅粉與粉煤灰或者礦渣復(fù)摻，可減小C60抗沖磨混凝土的開裂趨勢(shì)，減少單位面積的裂縫數(shù)目及總開裂面積，但總摻量應(yīng)在可控范圍內(nèi)。綜合混凝土膠凝材料用量，以及力學(xué)性能等因素，15%的粉煤灰與7%的硅粉復(fù)摻方案是合理的。

4.2 收縮變形測(cè)試與分析

根據(jù)GB/T 50082—2009非接觸法收縮試驗(yàn)規(guī)定，進(jìn)行不同摻和料方案的C60抗沖磨混凝土在無(wú)約束狀態(tài)下的收縮變形性能研究。試驗(yàn)在溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為60%±5%的恒溫恒濕條件下進(jìn)行。試件初始讀數(shù)在混凝土初凝時(shí)讀取。

混凝土收縮率按照式(4)計(jì)算，即

(4)

式中：εst為測(cè)試期為t(h)的混凝土收縮率，t從初始讀數(shù)時(shí)算起；L10為左側(cè)非接觸法位移傳感器初始讀數(shù)(mm)；L1t為左側(cè)非接觸法位移傳感器測(cè)試期為t(h)的讀數(shù)(mm)；L20為右側(cè)非接觸法位移傳感器初始讀數(shù)(mm)；L2t為右側(cè)非接觸法位移傳感器測(cè)試期為t(h)的讀數(shù)(mm)；L0為試件測(cè)量標(biāo)距(mm)，等于試件長(zhǎng)度減去試件中2個(gè)反射沿試件長(zhǎng)度方向埋入試件中的長(zhǎng)度之和。

收縮法抗裂試驗(yàn)結(jié)果見圖1。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著齡期的發(fā)展，所有混凝土試件的收縮率逐漸增加，且前12 h內(nèi)的收縮趨勢(shì)增長(zhǎng)最快，隨后曲線相對(duì)平緩，齡期發(fā)展至72 h，收縮趨勢(shì)仍未停止，體積變形仍在持續(xù)增長(zhǎng)。保持水膠比不變，粉煤灰或礦渣的摻入，均降低了混凝土的體積收縮，且摻量越大，降低幅度越明顯。但硅粉的摻入，顯著增加了混凝土的體積收縮變形。

圖1 單摻粉煤灰、單摻礦渣粉、單摻硅粉混凝土收縮率Fig.1 Shrinkages of concrete specimens dosed with merely fly ash,slag powder,or silica fume

4.3 圓環(huán)法抗裂測(cè)試與分析

根據(jù)CCES 01—2004規(guī)定的圓環(huán)法，對(duì)比測(cè)試不同膠凝體系試件在收縮過(guò)程中的開裂時(shí)間，以研究不同摻和料復(fù)摻方案的限制性抗裂性能。通過(guò)圓環(huán)法測(cè)定采用凈漿或水泥砂漿制成的圓環(huán)約束試件收縮過(guò)程中出現(xiàn)開裂的時(shí)間，用來(lái)比較其抗裂性能，為工程推薦抗裂性能相對(duì)更好的混凝土原材料和漿體的配比。與平板法相比，圓環(huán)法給混凝土提供了近似完全的均勻約束，在很大程度上，體現(xiàn)了混凝土在約束條件下收縮和應(yīng)力松弛的綜合作用，能有效地評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性能。

試件的標(biāo)準(zhǔn)模具包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)和底座。其制備的試件尺寸為內(nèi)徑41.3 mm，外徑66.7 mm(即壁厚25.4 mm)，高度25.4 mm。試驗(yàn)凈漿選用的水灰比0.24～0.28，成型(24±1) h后，拆去外環(huán)，將試件連同模具的內(nèi)環(huán)一起取出，頂面和底面涂抹隔離劑進(jìn)行密封處理后放入恒溫恒濕箱匯總，箱內(nèi)控制溫度(20±0.5)℃，濕度50%±10%。限制性圓環(huán)抗裂試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 復(fù)摻不同摻和料抗沖磨混凝土限制性圓環(huán)抗裂試驗(yàn)結(jié)果Table 11 Crack results of wear resistant concrete specimens with composite admixtures by ring method

表11中，當(dāng)限制性抗裂圓環(huán)試件出現(xiàn)第2條裂縫或第2條裂縫以上時(shí)，用第1條裂縫開裂時(shí)間加上其他條裂縫開裂時(shí)間減去表中出現(xiàn)裂縫最遲時(shí)間作為限制性抗裂圓環(huán)評(píng)價(jià)指標(biāo)。例如編號(hào)A2的綜合指標(biāo)為：19+23-55=-13。

試驗(yàn)結(jié)果表明，圓環(huán)法可以直觀對(duì)比不同膠凝材料體系的抗裂性能。15%的粉煤灰與7%的硅粉復(fù)摻時(shí)，凈漿試件僅1條裂縫，且開裂時(shí)間最晚(55 h)，因此其配制的抗沖磨混凝土抗裂性能最優(yōu)。

4.4 微觀測(cè)試及機(jī)理分析

基于以上性能試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行電鏡掃描(SEM)的微觀測(cè)試研究，觀測(cè)不同復(fù)摻方案漿體的水化微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析機(jī)理并驗(yàn)證宏觀性能的規(guī)律。同一養(yǎng)護(hù)環(huán)境及養(yǎng)護(hù)齡期下，不同復(fù)摻方案的硬化漿體試件SEM觀測(cè)結(jié)果見圖2。

圖2 復(fù)摻不同摻和料的硬化漿體SEM結(jié)果Fig.2 SEM images of hardened slurries with composite admixtures

結(jié)果表明，混凝土中復(fù)摻10%粉煤灰及4%硅粉，或者復(fù)摻10%粉煤灰及10%礦渣粉，硬化漿體結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，內(nèi)部孔隙分布均勻。但是，復(fù)摻15%粉煤灰及7%硅粉或者復(fù)摻20%粉煤灰及10%硅粉，試件內(nèi)部可見不均勻孔隙及微裂縫，這與宏觀的抗裂試驗(yàn)結(jié)果相一致。由于硬化試件的強(qiáng)度已經(jīng)較高，結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，所以僅可見少量的Ca(OH)2等水化產(chǎn)物，其他明顯的水化產(chǎn)物較少看到。

硅粉摻入混凝土中，其火山灰效應(yīng)將對(duì)強(qiáng)度不利的氫氧化鈣轉(zhuǎn)化成C-S-H凝膠，并填充在水泥水化產(chǎn)物之間，有力地促進(jìn)強(qiáng)度增長(zhǎng)。研究表明，摻硅粉水泥膠砂中大孔體積降低，小孔增多，連通孔減少，隨著硅粉摻量增加，Ca(OH)2含量降低，有利于提高水泥石的強(qiáng)度。另一方面，張波[10]解釋含硅粉水泥硬化漿體中少見粗大的Ca(OH)2，可能是由于硅粉對(duì)Ca(OH)2的沉淀起到“成核”作用，致使許多細(xì)小的Ca(OH)2結(jié)晶比一些粗大的結(jié)晶易于形成，因此，很難見到粗大薄弱的Ca(OH)2晶體，這也是水泥石強(qiáng)度提高的原因。而粉煤灰早期活性明顯低于硅粉，其主要是和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2起二次水化反應(yīng)，所以粉煤灰的活性主要體現(xiàn)在中后期，二者復(fù)摻可形成協(xié)同互補(bǔ)效應(yīng)。在優(yōu)化的摻量范圍內(nèi)，此協(xié)同效應(yīng)既可提高抗沖磨混凝土的力學(xué)性能，又能改善其抗裂耐久性，為工程的原材料優(yōu)選及配合比優(yōu)化提供最優(yōu)方案。

5 結(jié) 論

通過(guò)平板法、圓環(huán)法對(duì)單摻和復(fù)摻粉煤灰、礦渣、硅粉配制的C60抗沖磨混凝土的抗裂性能研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)保持水膠比不變，粉煤灰或礦渣粉的摻入均可延長(zhǎng)混凝土開裂時(shí)間，且降低混凝土的體積收縮變形，降低開裂程度。

(2)隨著粉煤灰或礦渣粉摻量的增加，早期混凝土的收縮體積變形及裂縫條數(shù)、裂縫總長(zhǎng)度、單位面積的裂縫數(shù)目及總開裂面積呈減小趨勢(shì)，抑制混凝土開裂的效果趨于明顯。

(3)硅粉的摻入顯著增加了混凝土的體積收縮變形，縮短了抗沖磨混凝土的開裂時(shí)間，增加了開裂趨勢(shì)。且硅粉摻量由4%增至10%，混凝土開裂現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。

(4)針對(duì)C60抗沖磨混凝土，粉煤灰混凝土的早期抗裂性能優(yōu)于礦渣混凝土，單摻硅粉混凝土的效果最差。

(5)硅粉與粉煤灰或者礦渣復(fù)摻，可減小C60抗沖磨混凝土的開裂趨勢(shì)，當(dāng)復(fù)摻15%的粉煤灰與7%的硅粉時(shí)，抗裂效果最優(yōu)。

(6)通過(guò)電鏡掃描(SEM)的微觀測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰和硅粉復(fù)摻后可形成協(xié)同互補(bǔ)效應(yīng)，在優(yōu)化的摻量范圍內(nèi)，此協(xié)同效應(yīng)既可提高抗沖磨混凝土的力學(xué)性能，又能改善其抗裂耐久性。