劉麗梅 杜 丞

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

水利工程作為重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，其結(jié)構(gòu)的耐久性也備受關(guān)注，受凍融破壞、堿骨料反應(yīng)、鹽類侵蝕、地下水滲透等因素的影響，水工混凝土結(jié)構(gòu)的長期安全和穩(wěn)定受到嚴(yán)重考驗(yàn)，故需要針對這些特殊環(huán)境下的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更高性能的混凝土以滿足結(jié)構(gòu)對耐久性的要求[1-3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大部分水利工程建設(shè)過程中，會受到堿活性骨料的影響，同時(shí)由于許多水工結(jié)構(gòu)位于地下，混凝土結(jié)構(gòu)容易受地下水和土壤所含侵蝕物質(zhì)的影響，造成結(jié)構(gòu)耐久性大幅降低，為保證工程質(zhì)量和長期安全穩(wěn)定，需要對混凝土進(jìn)行改良，以提高混凝土抑制堿骨料反應(yīng)和抗鹽侵蝕的能力。在抑制堿骨料反應(yīng)方面，專家學(xué)者們提出了利用粉煤灰和硅灰復(fù)摻[4-5]、廢舊輪胎橡膠粉[6]或者其他輔助膠凝材料[7]進(jìn)行改善和控制。廖孟柯等[8]專門研究了在鹽漬土環(huán)境下的混凝土抗鹽侵蝕性能，提出添加磨細(xì)礦渣摻和物可以有效提升混凝土的抗鹽侵蝕能力；王曉波等[9]對比分析了粉煤灰和礦渣粉對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，認(rèn)為水工混凝土在干濕交替地區(qū)不宜摻入粉煤灰，但可適量摻入礦渣粉來延緩受侵蝕破壞的作用；王逸然等[10]則研究了不同種類、濃度鹽溶液對混凝土的侵蝕損傷情況，并建立了干濕循環(huán)次數(shù)與損傷變量之間的關(guān)系。

本文以粉煤灰+YK-Ⅲ改性硅灰為摻和料，設(shè)計(jì)了不同水膠比和摻和料摻量下的混凝土配比試驗(yàn)，從強(qiáng)度、滲透性、骨料堿活性以及抗鹽侵蝕性四個(gè)方面進(jìn)行了對比分析，以期能為類似地區(qū)水利工程建設(shè)提供幫助。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，平均密度為3.12g/cm3，比表面積為369m2/kg，初凝和終凝時(shí)間分別為154min和207min，3d抗壓和抗折強(qiáng)度為29.8MPa和6.1MPa，28d抗壓和抗折強(qiáng)度為46.3MPa和8MPa。

粉煤灰：Ⅱ級，密度為2.2g/cm3，比表面積為462m2/kg，細(xì)度為5.3%，燒失量為6.4%，需水量為102%，SO3含量為1.1%。

骨料：細(xì)骨料為天然河砂松散，堆積密度為1650kg/m3，吸水率為1.1%，孔隙率為37%，細(xì)度模數(shù)為2.9，含泥量為0.2%，屬Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料粒徑為5～20mm，70%～85%為火山灰凝灰?guī)r，具有較強(qiáng)的堿硅酸活性，松散堆積密度為1620kg/m3，吸水率為0.76%，孔隙率為39%，壓碎指標(biāo)為3%，針片狀含量為4%，含泥量為0.1%。

外加劑：高性能減水劑和YK-Ⅲ(改性硅灰)高耐久性混凝土礦物外加劑。

水：實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)配比

按照C45P8設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)共設(shè)置三種水膠比(0.3、0.35和0.4)以及三種不同外摻料摻和量(粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%、粉煤灰34%+YK-Ⅲ6%、粉煤灰44%+YK-Ⅲ6%)，共計(jì)3×3=9種試驗(yàn)配比。具體材料用量情況見表1。

表1 試驗(yàn)配比設(shè)置情況

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)上述配比拌制混凝土，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)過后，在對應(yīng)齡期下分別進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、抑制堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)以及抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)得到的不同實(shí)驗(yàn)組不同齡期下的強(qiáng)度特征圖(見圖1)中可看到：相同水膠比下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度逐漸降低，這是因?yàn)榉勖夯业攘看嫠嗪螅炷林兴嗨磻?yīng)減少，導(dǎo)致骨料之間聯(lián)結(jié)力降低，因而強(qiáng)度降低；相同粉煤灰摻量下，水膠比越大，混凝土的強(qiáng)度越低，水膠比過大，會造成混凝土在硬化過程中產(chǎn)生裂隙，從而降低試件的整體強(qiáng)度；當(dāng)YK-Ⅲ(改性硅灰)的摻量一定時(shí)，摻入粉煤灰可以有效改善混凝土的拌和性能，但對于混凝土早期強(qiáng)度有一定影響，對于工程的施工進(jìn)度不利，因此，應(yīng)適當(dāng)控制粉煤灰的摻量。

圖1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 電通量及抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)得到的不同實(shí)驗(yàn)組電通量和滲水試驗(yàn)結(jié)果圖(見圖2)中可以看到：各試驗(yàn)組混凝土在氯離子溶液中的電通量試驗(yàn)結(jié)果介于288～595C，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1000C，可見，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的高性能混凝土的氯離子滲透性很低，同時(shí)，相同水膠比下，粉煤灰摻量對于混凝土的電通量影響不大，但在相同粉煤灰摻量下時(shí)，水膠比越大，混凝土的電通量越大，這是因?yàn)樗z比越大，在混凝土硬化過程中形成的連通毛細(xì)管越多，同時(shí)還會增加混凝土中的游離水含量，導(dǎo)致混凝吸收鹽水的能力顯著增大，因此，高性能混凝土的水膠比一般不建議大于0.35；從滲水試驗(yàn)結(jié)果來看，B-1(水膠比0.35，粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%)試驗(yàn)組的滲水高度最小，僅為16.41mm，其次為C-2(水膠比0.40，粉煤灰34%+YK-Ⅲ6%)，滲水高度為17.83mm，A-1試驗(yàn)組(水膠比0.30，粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%)的滲水高度最大，達(dá)到34.18mm，可見混凝土的抗?jié)B性不僅與水膠比有關(guān)，還與粉煤灰摻量有關(guān)，水膠比太小，不利于混凝土的拌和，容易在混凝土中形成孔隙結(jié)構(gòu)，水膠比太大，又容易導(dǎo)致硬化裂隙，粉煤灰的摻入能減少部分用水量并充當(dāng)填充材料對混凝土的骨料結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，提高了混凝土的密實(shí)性，因而適當(dāng)摻入粉煤灰可以提升混凝土的抗?jié)B性，但是當(dāng)粉煤灰摻量過高后，會造成膠凝材料用量過少，導(dǎo)致水化反應(yīng)不足，同樣對混凝土的抗?jié)B性不利。

圖2 電通量及抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抑制堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

采用快速砂漿棒法測得各試驗(yàn)組在不同齡期下的膨脹率結(jié)果(見圖3)。受骨料生產(chǎn)限制，在水利工程施工過程中，有時(shí)不得不使用堿活性骨料，因此，需要抑制堿骨料反應(yīng)，在摻入粉煤灰和YK-Ⅲ(改性硅灰)后，混凝土在14d齡期下的膨脹率均未超過0.2%，14d齡期下的最大膨脹率僅為0.031%，而根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，普通標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件14d膨脹率為0.24%，因此，摻入粉煤灰+改性硅灰后，能顯著降低混凝土的膨脹率，膨脹率降低率均大于75%，這是因?yàn)樵诨炷劣不A段，粉煤灰和改性硅灰具有良好的火山灰效應(yīng)，堿物質(zhì)的存在使這些摻和料更加活化，能夠吸收和消耗混凝土中大量的堿物質(zhì)，因而可以起到良好的抑制堿骨料反應(yīng)的效果。

圖3 快速砂漿棒法試驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

采用“浸泡抗侵蝕性能試驗(yàn)方法”對各組試驗(yàn)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性進(jìn)行評價(jià)，并以抗蝕系數(shù)大小來評價(jià)各試驗(yàn)組的抗硫酸鹽侵蝕能力，公式為

k=f侵蝕溶液/f淡水

(1)

式中k——抗蝕系數(shù)；

f侵蝕溶液——經(jīng)硫酸鹽溶液浸泡過后的試件抗折強(qiáng)度,MPa;

f淡水——淡水浸泡過后的試件抗折強(qiáng)度,MPa。

從試驗(yàn)得到的各試驗(yàn)組在28d齡期下在不同硫酸鹽濃度侵蝕浸泡28d的侵蝕系數(shù)對比(見圖4)中可以看到：當(dāng)硫酸鹽濃度為1000mg/L時(shí)，各試驗(yàn)組的抗蝕系數(shù)相差不大，且均大于0.98，表明低硫酸鹽濃度對混凝土的強(qiáng)度影響不大，而當(dāng)硫酸鹽濃度為4000mg/L時(shí)，A-1組的抗蝕系數(shù)最大，為0.96，A-3組的抗蝕系數(shù)最小，為0.93，當(dāng)硫酸鹽濃度為10000 mg/L時(shí)，A-1組的抗蝕系數(shù)最大，為0.92，B-2組的抗蝕系數(shù)最小，為0.89，當(dāng)硫酸鹽濃度為20250mg/L時(shí)，A-1組的抗蝕系數(shù)最大，為0.89，B-3組的抗蝕系數(shù)最小，為0.84；從整體上看，隨著硫酸鹽濃度的增加，混凝土的抗蝕系數(shù)在逐漸減小，表明受到的侵蝕越來越嚴(yán)重；硫酸根離子進(jìn)入混凝土與水泥基產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成具有膨脹性質(zhì)的石膏、鈣礬石等物質(zhì)，一旦膨脹力超過混凝土自身抗拉強(qiáng)度，則容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，而后造成更多的硫酸根離子進(jìn)入混凝土進(jìn)行反應(yīng)，從而形成惡性循環(huán)，因此，當(dāng)環(huán)境中硫酸鹽濃度一定時(shí)，應(yīng)盡可能減少混凝土中堿含量，同時(shí)減少水化氯酸鈣的含量(即可適當(dāng)減少水泥用量，用粉煤灰和改性硅灰做等量替代)，但是，當(dāng)粉煤灰超過一定量時(shí)，會造成水化反應(yīng)不足，同樣會影響混凝土的密實(shí)性，從而影響其抗硫酸鹽侵蝕能力；如以抗蝕系數(shù)0.8來評價(jià)混凝土抗鹽侵蝕能力是否合格，可以發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)組的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)均大于0.8，表明本文提出的高性能混凝土具有較好的抗鹽侵蝕能力。

3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上文分析結(jié)果，從強(qiáng)度、抗?jié)B性、抑制堿骨料反應(yīng)效果以及抗硫酸鹽侵蝕能力等各項(xiàng)因素綜合考慮，認(rèn)為A-1試驗(yàn)組的綜合性能最佳：即水膠比為0.3，粉煤灰24%+YK-Ⅲ6%，在此配比下混凝土具有最好的強(qiáng)度、抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕等特性，同時(shí)抑制堿骨料的性能也較佳，故推薦此配合比作為高性能水工混凝土的設(shè)計(jì)配比，供施工單位參考選用?？紤]到實(shí)際施工過程中混凝土拌制存在水量損失以及泵送性能等因素，對該配比再進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，得到高性能混凝土的設(shè)計(jì)配比(見表2)。

表2 高性能水工混凝土推薦設(shè)計(jì)配比

4 結(jié) 語

對不同水膠比下復(fù)摻粉煤灰+改性硅灰的高性能水工混凝土進(jìn)行了配比試驗(yàn)研究，從強(qiáng)度、滲透性、抑制堿骨料反應(yīng)效果以及抗硫酸鹽侵蝕能力等多個(gè)方面對比分析了不同水膠比和摻和料摻量的混凝土性能，認(rèn)為在改性硅灰含量一定的情況下，高性能水工混凝土的水膠比和粉煤灰摻量均不宜過大，當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，粉煤灰24%+改性硅灰6%的綜合性能最好，可為指導(dǎo)工程實(shí)踐提供幫助。