高粉煤灰摻量碾壓混凝土的性能研究

劉冬梅

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

碾壓混凝土與常態混凝土相比，具有骨料用量多，水泥用量少，摻用較大比例的摻合料，混凝土拌合物不具有流動性，坍落度為零，粘聚性小等特點.由于采用碾壓混凝土修筑大壩，具有造價低，建設速度快的優點，目前在我國碾壓混凝土已經被廣泛的用于修建各種中型和大型的混凝土大壩［1－2］.為了提高碾壓混凝土的溫度抗裂性，我國常用的碾壓混凝土中均摻有大量的粉煤灰.本文將對高粉煤灰摻量碾壓混凝土的力學性能、變形性能以及耐久性能進行研究.

1 試驗原材料及試驗內容

1.1 試驗原材料

為了盡可能多摻粉煤灰以降低碾壓混凝土的絕熱溫升，試驗采用42.5普通硅酸鹽水泥.水泥的化學組成和力學性能見表1.粉煤灰為安徽平圩電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰顏色灰白，部分形成松散的小球，其物理性能和化學成分測試結果見表2.從表2可以看出，該粉煤灰的SiO2和Al2O3之和高達92%，28d抗壓強度比為82.3%，說明其具有較高的潛在活性.該粉煤灰需水量比很低，篩余量很小，說明這些粉煤灰顆粒極細且多數顆粒為球形.配制混凝土所用的細骨料為河砂，中砂.粗骨料為碎石，最大粒徑為40mm和80mm.混凝土中摻用了0.5%的ZB－1緩凝型高效減水劑和ZB－2引氣劑.

表1 水泥的力學性能和化學組成

表2 粉煤灰的物理性能和化學成分

1.2 混凝土配合比

試驗分別成型了高摻粉煤灰的二級配碾壓混凝土和三級配碾壓混凝土，混凝土的強度等級為C20，強度設計齡期為90d，混凝土的配比見表3.

表3 碾壓混凝土配合比

1.3 試驗方法

根據SL352－2006水工混凝土試驗規程中規定的方法對混凝土的力學性能、變形性能、耐久性能進行了測定.

2 試驗結果以及分析

2.1 碾壓混凝土的力學性能

高粉煤灰摻量碾壓混凝土的測試結果如圖1所示.碾壓混凝土的成型方法以及配合比選擇都與普通混凝土有較大的差別，因此，碾壓混凝土的力學性能影響因素比常態混凝土更為復雜，主要包括密實度、水膠比、粗骨料的級配與品質、粉煤灰品質與摻量、齡期等.混凝土的密實度一般以表觀密度來表示，本研究中，1、2、3號混凝土的表觀密度測定值分別為2296、2356、2470kg／m3，結合圖1的強度測定結果可知，高粉煤灰摻量碾壓混凝土各齡期的強度值均隨混凝土表觀密度的增加而增大.

圖1 高粉煤灰摻量碾壓混凝土的力學性能

當混凝土的水膠比降低時，盡管砂率、粉煤灰摻量、粗骨料的級配不一致，高粉煤灰摻量碾壓混凝土各齡期的強度值均隨水膠比的降低而增加.可見，水膠比仍然是影響高粉煤灰摻量碾壓混凝土強度的最主要因素.

對比1、2號混凝土的配比及強度值可知，保持混凝土水泥用量和用水量基本相同的情況下，增大粉煤灰用量，混凝土各齡期的強度值均隨之增加.這是因為增大粉煤灰用量時，混凝土中的膠凝材料用量增加，混凝土的孔隙率減小，強度增加.此外，本試驗所用粉煤灰為一級粉煤灰，顆粒較細，具有較高的火山灰活性，對混凝土的強度增長有很大的貢獻.

對比2、3號混凝土的配比和強度可知，保持碾壓混凝土的VC值、粉煤灰摻量相同的情況下，增大粗骨料最大粒徑，拌合用水量顯著降低，混凝土各齡期的強度則相應增加.對比1、3號混凝土的配比和強度可知，保持水泥用量基本不變的情況下，同時增大粗骨料最大粒徑和粉煤灰摻量，用水量顯著減少而膠凝材料的用量顯著增加，各齡期的強度也顯著提高.這表明，配制低強度等級碾壓混凝土時，可采用低水泥用量高粉煤灰摻量和增大粗骨料最大粒徑等措施提高碾壓混凝土各齡期的強度.

從圖1可知，高粉煤灰摻量碾壓混凝土的強度隨齡期的延長而增大.保持水泥用量和用水量基本相同的情況下，混凝土各齡期的強度增長率隨粉煤灰摻量的增加而增大.粉煤灰摻量相同時，三級配碾壓混凝土各齡期的強度增長率高于二級配碾壓混凝土，90d和190d時，軸拉強度和劈拉強度的增長尤其顯著.

2.2 碾壓混凝土的變形性能

碾壓混凝土的變形性能包括包括荷載作用下的變形和非荷載作用下的變形.荷載作用下的變形包括彈性模量和極限拉伸，非荷載作用下的變形包括干縮變形和自身體積變形.圖2為高粉煤灰摻量碾壓混凝土在荷載作用下的變形.

圖2 高粉煤灰摻量碾壓混凝土的變形性能

碾壓混凝土的彈性模量、極限拉伸受膠凝材料用量、混凝土強度及齡期的影響.從圖2可知，高粉煤灰摻量碾壓混凝土的抗壓彈模、抗拉彈模隨混凝土抗壓強度和抗拉強度的增大而增大.對比1、2號混凝土的配比和極限拉伸值可知，保持水泥用量不變增大混凝土中粉煤灰用量，混凝土的極限拉伸值得到改善，且拉伸值隨齡期增長較快.高摻粉煤灰同時增大粗骨料最大粒徑，碾壓混凝土用水量降低，極限拉伸值略有增加.

圖3為高粉煤灰摻量碾壓混凝土在非荷載作用下的干縮變形.高粉煤灰摻量碾壓混凝土的干縮率隨水膠比的減小而降低.保持用水量和水泥用量不變，增大粉煤灰摻量，碾壓混凝土的干縮率隨之降低.高摻粉煤灰同時增大粗骨料最大粒徑，可以顯著降低碾壓混凝土的干縮率.采用雙曲線函數模擬高粉煤灰摻量碾壓混凝土的干縮變形，可得如下公式:

從式（1）～（3）可以推出，1、2、3號高粉煤灰摻量碾壓混凝土的極限收縮值分別為363×10－6、301×10－6、300×10－6.采用上述公式計算的混凝土干縮變形也列于了圖3中，3號混凝土的干縮變形計算值與實際變形值基本相同，1號和2號混凝土的計算值則略低于實際變形值.

圖3 高粉煤灰摻量碾壓混凝土的干縮率

2.3 碾壓混凝土的耐久性能

表4為高粉煤灰摻量碾壓混凝土的抗滲和抗凍測試結果.試驗結果表明，1、2、3號混凝土90d的抗滲等級均大于 W8.說明粉煤灰摻量高達60%時，碾壓混凝土仍然具有很高的抗滲性，可以抵抗8MPa的壓力水作用而不發生滲漏.1、2混凝土的抗凍等級均大于F50，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的質量損失逐漸增加，相對動彈性模量逐漸減小.凍融次數相同的情況下，2號混凝土的質量損失較1號混凝土的小，而相對動彈性模量則大于1號混凝土.這是因為，混凝土水泥用量和用水量保持不變的情況下，增大粉煤灰用量，水膠比減小，混凝土的密實度（表觀密度）增大，各齡期的強度值隨之增大，抵抗冰凍破壞作用的能力也隨之增強.

表4 高粉煤灰摻量碾壓混凝土的抗凍測試結果

3 結 論

綜合以上研究結果，可得以下結論:

1）保持混凝土水泥用量和用水量基本相同的情況下，碾壓混凝土各齡期的強度值均隨粉煤灰摻量的增加而增大.保持碾壓混凝土的VC值、粉煤灰摻量相同的情況下，增大粗骨料最大粒徑，混凝土各齡期的強度則相應增加.

2）高粉煤灰摻量碾壓混凝土的抗壓彈模、抗拉彈模隨混凝土抗壓強度和抗拉強度的增大而增大.保持水泥用量不變增大混凝土中粉煤灰用量，混凝土的極限拉伸值得到改善，且拉伸值隨齡期增長較快.

3）保持用水量和水泥用量不變，碾壓混凝土的干縮率隨粉煤灰摻量的增加而降低.高摻粉煤灰同時增大粗骨料最大粒徑，可顯著降低碾壓混凝土的干縮率.

4）高摻粉煤灰碾壓混凝土具有較高的抗滲性和抗凍性.

［1］楊康寧，方坤河.碾壓混凝土壩施工［M］.北京:水利水電出版社，1997.

［2］石 妍.碾壓混凝土技術性能的研究［D］.武漢:武漢大學博士學位論文，2007.