礦物摻合料混凝土在水利工程項目施工中的應用研究

□王顯旭（新疆水利水電科學研究院）

礦物摻合料混凝土在水利工程項目施工中的應用研究

□王顯旭（新疆水利水電科學研究院）

在水利工程項目施工中，不同礦物摻合料的加入，能夠使混凝土各方面的性能得到改善。由于礦物摻合料的種類較多，如粉煤灰、礦渣、硅灰等等，在這些礦物摻合料中，選擇一種改善混凝土性能最佳的摻合料，對于工程整體質量的提升非常重要。文章結合新疆卡拉貝利水利工程，分析了不同摻合料對混凝土性能的影響，根據分析結果，選定粉煤灰作為該工程混凝土配合比設計的摻合料。

水利工程；礦物摻合料；混凝土

1　礦物摻合料的作用

1.1提高混凝土強度

在水泥的主要礦物組成中，C3S和C2S占比高達70%，在水化反應后生成鈣硅比為1.60～1.90的高堿度水化硅酸鈣和氫氧化鈣，其強度和穩定性明顯低于低堿度水化硅酸鈣。將礦物摻合料摻入混凝土后，其活性SiO2可與高堿度水化硅酸鈣和氫氧化鈣發生化學反應，生成低堿度水化硅酸鈣，消除氫氧化鈣，有效改善水泥中的膠凝物質組成，優化水泥石與集料的界面結構，增強混凝土強度和穩定性。

1.2增強混凝土的密實性

水泥的平均粒徑介于20～30 μm之間，由于水泥中＜10 μm粒徑的顆粒數量不足，所以導致水泥的填充性較差、密實度不高。對于單摻而言，超細礦物摻合料的平均粒徑介于3～6 μm之間，將其摻入到水泥中，可以填充水泥粒子之間的孔隙，有助于增強混凝土密實度、抗滲性和強度；對于雙摻而言，在摻入超細礦物摻合料的基礎上再滲入一定比例的硅灰，因硅灰平均粒徑小于超細礦物摻合料的平均粒徑，對超細礦物摻合料的粒子孔隙起到填充作用，所以會進一步增強混凝土的密實度。

1.3提高混凝土的塑性

礦物摻合料中的硅灰、礦渣、粉煤灰等，對混凝土拌合物有著較強的增塑作用。超細礦物摻合料的顆粒在水泥顆粒中起到“滾珠”作用，可增強漿體的流動性。同時，超細礦物摻合料顆粒在填充水泥顆粒孔隙過程中，可將原本填充到水泥顆粒孔隙中的水分置換出來，加厚粒子之間的間隔水層，使得水泥漿體積增大，進而提高混凝土的流動性和塑性。

1.4提升混凝土的耐久性

在有侵蝕介質的環境中，硅酸鹽水泥混凝土中的水化產物極易與侵蝕介質發生化學反應，生成膨脹型、溶解型物質，破壞混凝土的原有結構。而在混凝土中摻入礦物摻合料，能夠充分發揮摻合料的火山灰效應、稀釋效應等，減少混凝土中水化產物的數量，生成數量更多、穩定性更強、強度更高的低堿度水化硅酸鈣，提高混凝土的抗侵蝕能力。此外，礦物摻合料均勻分布在混凝土結構中，可起到密實水泥石結合和界面結構的作用，有效抑制氯鹽等物質的侵蝕，增強混凝土的耐久性。

2　水利工程施工中礦物摻合料混凝土的應用

為了便于研究，文章以新疆卡拉貝利水利工程為例，對礦物摻合料混凝土的應用進行論述。卡拉貝利是一座大（2）型水庫，位于克孜河山區，具有防洪、灌溉、發電等功能。水庫總庫容量約為2.62億m3，正常蓄水位1770.00 m，調節庫容1.69億m3，死水位1740 m，水電站的裝機容量為70 MW。水庫大壩的最大壩高為92.50 m，壩頂高程1775.50 m，壩頂寬12 m，壩長835 m；防浪墻高程為1776.70 m。大壩為混凝土面板砂礫石壩，通過對壩址區河水、河床內潛水進行取樣分析后發現，水中的硫酸根離子含量均比較高，分別為356.30～499.50 mg/L和413.10～614.80 mg/L，其對混凝土具有結晶類硫酸鹽型中等-強腐蝕性。為提高大壩的耐久性和結構穩定性，決定采用高性能混凝土進行施工建設。

2.1礦物摻合料對混凝土的影響

2.1.1對混凝土工作性能的影響

混凝土的工作性能是評價混凝土可用性的關鍵指標，尤其是在水利工程項目施工中，混凝土的工作性能是高性能混凝土的主要技術要求之一。在進行礦物摻合料對混凝土工作性能的影響試驗研究中，采用三種工程中最為常用的礦物摻合料，即粉煤灰、礦渣粉及硅灰。試驗中，假設減水劑的摻量及其對混凝土坍落度的影響是線性的，設定一個系數K，用于描述礦物摻合料對混凝土工作性能的影響：K=坍落度/外加劑的摻量。由試驗過程可知（限于篇幅試驗過程省略），三種摻合料單獨摻入時，K值會隨著摻合料摻入量的增大而提高，這說明，粉煤灰能夠對混凝土的工作性能起到一定程度的改善作用，摻合料摻入量的增加可以提高改善程度；礦渣對混凝土工作性能的改善效果比較微弱，當其摻入量為25%時，改善的效果最為明顯，但摻入量繼續增加，對混凝土工作性能的改善并不顯著，當摻入量增加至35%時，基本顯示不出改善效果；三種礦物摻合料中，硅灰對混凝土工作性能的改善效果最差，同時還產生了不利影響，隨著硅灰摻入量的增加，混凝土工作性能隨之變差。由此可見，粉煤灰對混凝土工作性能的改善效果最佳。

2.1.2對混凝土力學性能的影響

由試驗過程可知（限于篇幅試驗過程省略），摻入粉煤灰的混凝土90d前的強度隨著粉煤灰的摻入量增加而下降，120 d后，混凝土的強度呈現出超過基準強度的趨勢，這與業內專家學者的研究結果相一致。由此表明，粉煤灰的摻入會使混凝土的早期強度下降，但后期強度會有所提升；摻入礦渣的混凝土14 d前的強度有所下降，并隨著礦渣摻入量的增加而下降，在14 d后，其強度出現了反彈，并超過了基準強度，混凝土的強度也隨著礦渣摻入量的增加而增大；摻入硅灰時，混凝土的強度較之基準強度高很多，隨著硅灰摻入量的增加，混凝土的強度呈現出增大的趨勢。由于水利工程中的水工建筑物對混凝土早期強度的要求較低，對后期強度的要求較高，因此，在本工程中，為了提高混凝土的強度，應當摻入適量的粉煤灰。

2.1.3礦物摻合料對混凝土耐久性的影響

①對抗滲性的影響。由試驗過程可知，摻入粉煤灰的混凝土其抗滲性在粉煤灰摻入量為20%時，得到了提升，這與混凝土齡期較早有關，由于齡期過短，致使粉煤灰的火山灰效應無法獲得有效的發揮，其抗滲透性也未能得到體現。當齡期達到120 d后，摻入粉煤灰的混凝土抗滲性大幅度提升，并且在摻入量較低的條件下，粉煤灰的微集料效應也能充分發揮；摻入礦渣時，混凝土的抗滲性得到了改善，并在摻入量為25%時，抗滲性最佳，這是因為礦渣具有水硬性的特點，其作用的發揮要比粉煤灰早；硅灰的摻入使混凝土的孔級配得到了改善，孔隙率降低，抗滲性能提升；②對抗腐蝕性的影響。當硫酸根離子滲入到混凝土結構中，經過復雜的物理化學過程，逐步導致混凝土性能退化。造成這種現象的原因在于以下兩個方面：一方面，混凝土的水灰比、孔隙率、骨料品種、外加劑等因素，會影響混凝土的密實度，以及混凝土中氫氧化鈣和水化鋁酸鈣的含量；另一方面，混凝土所處于的外部環境中的陽離子類型、溶液溫度、硫酸根濃度、侵蝕溶液pH值等，會形成硫酸鹽反應的發生條件，對混凝土的退化速度產生直接作用。試驗表明，三種摻合料中，摻入粉煤灰的混凝土抗腐蝕性最佳；③對孔結構的影響。在混凝土中摻入不同的礦物摻合料后，可有效改善混凝土中的砂漿孔隙結構，大幅度減少孔比表面積。隨著礦物摻合料摻量的增加，礦渣、硅灰、粉煤灰的孔比表面積會隨之減小。對于硅灰而言，當摻量分別達到5%、8%、10%時，與普通混凝土相比，其孔比表面積僅為普通混凝土的81%、60%、31%。由此可知，硅灰對混凝土孔比表面積的影響直接與其摻量有著密切關系；對于粉煤灰而言，其摻量的不斷提高并不能引起混凝土孔比表面積的隨之減少，只有在摻量達到20%時，才能使混凝土孔比表面積得到最佳改善。

2.2礦物摻合料的選用

通過上述分析，在三種礦物摻合料中，粉煤灰可以改善混凝土的各方面性能，因此，本工程中，在混凝土配合比設計中，選用粉煤灰作為摻合料。工程中使用的粉煤灰為喀什電廠生產II級粉煤灰，其檢驗結果如表1所示。

表1　喀什電廠生產II級粉煤灰檢驗結果表

3　結語

綜上所述，文章以新疆卡拉貝利水利工程為例，分析了不同摻合料對混凝土的影響，研究結果表明，在粉煤灰、礦渣、硅灰這三種摻合料中，粉煤灰對于改善混凝土各方面性能的效果最佳，故此，在該水利工程的混凝土配合比設計中，決定選用喀什電廠生產II級粉煤灰作為摻合料，借此來提升混凝土的性能，從而確保工程的建設質量。

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（責任編輯：左英勇）

TU 528

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1673-8853（2016）07-0128-02