高強(qiáng)

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆伊寧，835000)

混凝土是建筑領(lǐng)域用量最大的人造材料，被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)工程建設(shè)施工。在水工混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，不僅需要關(guān)注混凝土的力學(xué)和透水性能，還需要關(guān)注其工作性能[1]。一般來說，普通混凝土的工作性能主要包括流動(dòng)性、粘聚性以及保水性[2]。顯然，混凝土拌合物的工作性能會(huì)對(duì)混凝土的成型質(zhì)量造成顯著影響。例如，如果流動(dòng)性過大，會(huì)影響到混凝土的硬化成型，同時(shí)硬化成型之后的內(nèi)部缺陷也較多。所以，良好的工作性能是保證混凝土具有良好物理力學(xué)性能的前提和基礎(chǔ)[3]。水利事業(yè)的快速發(fā)展不僅提高了混凝土數(shù)量的需求，同時(shí)也提高了質(zhì)量方面的需求，這就需要在混凝土的制作中搭配使用各種摻合料和外加劑。其中，摻合料大多是工業(yè)生產(chǎn)中的伴隨物或廢棄物，將其用于混凝土中可以實(shí)現(xiàn)變害為利，具有積極意義[4]。我國(guó)作為首屈一指的工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，粉煤灰、硅粉、礦粉等工業(yè)廢棄物資源十分豐富，對(duì)其進(jìn)行資源化轉(zhuǎn)化和利用，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)也是建筑材料應(yīng)用研究領(lǐng)域亟待解決的問題[5]?；诖?，本次研究通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方式，研究摻合料的摻合數(shù)量和方式對(duì)水工混凝土工作性能的影響，力求為摻合料在水工混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為石家莊上安水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。依據(jù)GB 175-2007《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》對(duì)該水泥進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求，可以用于相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)用細(xì)骨料為河沙，其性能滿足相關(guān)規(guī)范要求；試驗(yàn)用粗骨料為機(jī)制碎石，粒徑為5mm～30mm；試驗(yàn)用摻合料為粉煤灰、硅粉和礦粉。其中，粉煤灰為熱電廠生產(chǎn)的F型Ⅱ級(jí)粉煤灰，其性能符合GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級(jí)粉煤灰要求；礦粉的主要作用是降低水化熱、減少用水量和改善混凝土性能，本次試驗(yàn)使用的礦粉為電廠生產(chǎn)的S75級(jí)礦渣微粉；試驗(yàn)用硅灰為武漢微神科技發(fā)展公司出品的冶金凝聚硅灰，其比表面積為21000m2/kg；試驗(yàn)用膨潤(rùn)土為鈣基膨潤(rùn)土，其膨脹倍數(shù)為9.5；試驗(yàn)用減水劑為山東萊蕪汶河化工有限公司生產(chǎn)的FDN-AⅡ型高效減水劑；其拌合用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究中根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)，通過計(jì)算和試配，確定基準(zhǔn)配合比：水膠比為0.76，用水量為238kg/m3，砂率為0.38，減水劑摻量為1.2kg/m3[6]。然后根據(jù)試驗(yàn)的具體情況和要求，對(duì)相關(guān)的配合比參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，主要包括和易性的實(shí)際情況調(diào)整用水量，根據(jù)凝固時(shí)間調(diào)整混凝土中膠凝材料的用量等[7]，具體調(diào)整情況為：由于塑性混凝土中的膨潤(rùn)土具有較高的吸水率，因此拌合用水量相對(duì)較高，故將水膠比由0.76調(diào)整到1.0；由于塑性混凝土的砂率一般較高，大多會(huì)超過50%，考慮到本次試驗(yàn)的混凝土含有石子等粗骨料，因此將砂率確定為其最低限度，為50%；考慮到此次研究中的膨潤(rùn)土等材料具有較高的吸水率，因此對(duì)減水劑的用量也進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將其摻量由1.2kg/m3調(diào)整為0.8kg/m3。最終確定混凝土的水膠比為1.0、砂率為0.5、用水量為300kg/m3、膨潤(rùn)土為100kg/m3、粗骨料為750kg/m3、細(xì)骨料為750kg/m3、減水劑為0.8kg/m3。關(guān)于摻合料的摻和比例，相關(guān)研究認(rèn)為不應(yīng)超過50%，如果摻合料的摻量過大，不僅不能改善混凝土的性能，還會(huì)影響到其力學(xué)特性和耐久性?；谏鲜隹紤]和經(jīng)濟(jì)效益因素，試驗(yàn)中在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上摻入粉煤灰、硅灰和礦粉摻合料，以0%、15%和30%的摻和比例等量替代水泥，摻和方式采用兩兩混摻以及三摻的方式進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

在混凝土的工作性能測(cè)量方面主要有維勃稠度試驗(yàn)和坍落度法兩種基本方法，結(jié)合本次研究的目的和需要，采用坍落度量筒測(cè)量混凝土的坍落度和擴(kuò)展度，試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150-2017)中提到坍落度儀器法進(jìn)行[8]。試驗(yàn)過程中需要的設(shè)備有坍落度筒、搗棒、小鏟、鋼尺和鐵板。在進(jìn)行坍落度試驗(yàn)前，需要將坍落度筒的筒壁潤(rùn)濕，然后擦干多余水分，將其放置在用水潤(rùn)濕過的鋼板上；固定好坍落度筒，將拌制好的混凝土裝入筒中，使其高度為筒高的三分之一左右，用搗棒搗振密實(shí)，繼續(xù)裝滿混凝土；然后將筒垂直提起，并將時(shí)間控制在10s以內(nèi)，利用配套工具測(cè)量圓柱體下降的高度即為混凝土的坍落度；待混凝土在鐵板上完全鋪開之后，測(cè)量其鋪開的最大和最小半徑，將其均值作為混凝土的擴(kuò)展度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案和方法進(jìn)行混凝土的坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理，結(jié)果如表2所示。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，不同方案下的混凝土坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果存在比較明顯的差異，說明摻合料的摻量和摻和方式會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生比較明顯的影響。

表2 混凝土工作性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 摻合料摻量影響分析

為了進(jìn)一步分析摻合料的摻量對(duì)混凝土工作性能的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，獲得如圖1所示的各種摻和方式不同摻量下的坍落度變化曲線和圖2所示的各種摻和方式不同摻量下的擴(kuò)展度變化曲線。由圖1和圖2可知，在粉煤灰+硅灰的摻和方式下，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均隨著摻量的增加而增加；其余三種方式下混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均隨著摻量的增加而減小。其中，在粉煤灰+礦粉的摻和方式下的減小幅度較小，硅灰+礦粉的摻和方式下的減小幅度明顯偏大。究其原因，主要是礦粉和硅灰都對(duì)混凝土的流動(dòng)性具有減弱作用，兩者的疊加影響造成混凝土的坍落度和擴(kuò)展度明顯減小。但是，摻量從15%增大到30%時(shí)的下降幅度明顯小于摻量從0%增加大15%時(shí)的下降幅度，原因可能是隨著摻量的增大，礦粉和硅灰的填充效應(yīng)逐漸趨于弱化；在摻量增大之后，硅灰和礦粉微粒能產(chǎn)生一定的潤(rùn)滑作用，因此，能夠抵消一部分礦粉和硅灰對(duì)混凝土流動(dòng)性的減弱作用。

圖1 各種摻和方式不同摻量下的坍落度變化曲線

圖2 各種摻和方式不同摻量下的擴(kuò)展度變化曲線

2.3 摻合料摻和方式的影響分析

為了進(jìn)一步研究摻合料的摻和方式對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響，對(duì)不同摻和方式下的混凝土坍落度和擴(kuò)展度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可知，在15%摻合料摻量條件下，不同摻和方式對(duì)混凝土的坍落度和擴(kuò)展度的影響并不相同，其中，粉煤灰+硅灰方案的坍落度和擴(kuò)展度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其余各方案呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；在30%摻合料摻量條件下，不同摻和方式對(duì)混凝土的坍落度和擴(kuò)展度的影響也呈現(xiàn)出類似的特征，其中，粉煤灰+硅灰方案的坍落度和擴(kuò)展度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其余各方案呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。綜合上述，采用粉煤灰+硅灰摻和方式時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度明顯增加，使坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到相同條件下的最大值；采用硅灰+礦粉摻加方式時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度明顯減小，使坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到相同條件下的最小值。究其原因，采用硅灰+礦粉的摻和方式時(shí)礦粉和硅灰都對(duì)混凝土的流動(dòng)性具有減弱作用，兩者的疊加影響造成混凝土的坍落度和擴(kuò)展度明顯減?。徊捎梅勖夯?硅灰摻和方式時(shí)，粉煤灰在增加混凝土的坍落度和擴(kuò)展度方面的作用明顯大于硅灰降低混凝土的坍落度和擴(kuò)展度的作用，因此混凝土的坍落度和擴(kuò)展度有顯著的增加。

圖3 摻量15%各方案對(duì)比

圖4 摻量30%各方案對(duì)比

2.4 討論

此次研究選擇坍落度和擴(kuò)展度作為塑性混凝土拌合物以及工作性能的相關(guān)指標(biāo)，指出了試驗(yàn)過程中使用到的試驗(yàn)儀器以及簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方法，最后對(duì)塑性混凝土試樣的工作性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并得出以下結(jié)論：不同摻合料摻量時(shí)，塑性混凝土拌和物的坍落度以及擴(kuò)展度隨著粉煤灰與硅灰摻入量的增加而增加，隨著粉煤灰與礦粉、硅灰與礦粉和粉煤灰、硅灰與礦粉摻量的增加而減小；不同摻合料摻和方式時(shí)，在摻合料摻量無論是15%還是30%的情況下，當(dāng)采用硅灰與礦粉兩兩混摻的摻和方式時(shí)，塑性混凝土拌和物的坍落度以及擴(kuò)展度達(dá)到最小值；當(dāng)采用粉煤灰與硅灰兩兩混摻的摻合方式時(shí)，塑性混凝土拌和物的坍落度以及擴(kuò)展度達(dá)到最大值。

隨著塑性混凝土應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，人們對(duì)塑性混凝土的性能也提出了更高的要求。此次研究針對(duì)混凝土的工作性能這一相對(duì)薄弱的研究領(lǐng)域，通過試驗(yàn)的方式探討了不同摻合料的摻量和不同摻和方式對(duì)塑性混凝土工作性能的影響，并得出了一些初步結(jié)論，可以為塑性混凝土的性能改善和工程應(yīng)用提供一些有益參考。同時(shí)，這種更加符合塑性混凝土真實(shí)工作環(huán)境的試驗(yàn)研究也更能推動(dòng)塑性混凝土材料的理論研究發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

3 結(jié)論

此次研究采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法對(duì)粉煤灰、礦粉和硅灰三種摻合料在不同摻和方式和摻量條件下的混凝土工作性能進(jìn)行研究，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)在粉煤灰+硅灰的摻和方式下，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均隨著摻量的增加而增加；粉煤灰+礦粉、硅灰+礦粉以及三摻方式下的混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均隨著摻量的增加而減小。其中，在粉煤灰+礦粉的摻和三摻方式下的減小幅度較小，硅灰+礦粉的摻和方式下的減小幅度明顯偏大。

(2)與不摻加摻合料方案相比，不同摻和方式對(duì)混凝土的坍落度和擴(kuò)展度的影響并不相同。其中，粉煤灰+硅灰方案的坍落度和擴(kuò)展度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其余各方案呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其中采用硅灰+礦粉摻和方式時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度最小。