不同礦物摻合料改良大壩碾壓混凝土工程力學性能研究

鄒華勝

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

碾壓混凝土因其低水泥用量、低發熱的特點，而廣泛應用于需快速澆筑的大壩建設中[1- 3]。常見普通大壩碾壓混凝土存在易開裂、強度低等問題，嚴重影響大壩的長期安全性，因此需要對混凝土進行改性以提高其工程性能[4- 5]。

現有研究表明，選擇易于取得、價格低廉、品質優異的礦物摻合料替代性水泥是改善混凝土工程性能的重要研究方向。徐世烺等[6]利用硅灰改性碾壓混凝土并展開了抗裂性能試驗，發現硅灰能夠改良碾壓混凝土的微觀孔隙結構，提高其抗裂能力。肖開濤等[7]分析了摻加不同比例石灰石粉的碾壓混凝土物理力學性能，結果表明石灰石粉對碾壓混凝土的性能有一定影響，分析原因為其物理充填、化學反應的綜合作用效果，進一步指出在工程實踐中經試驗論證后再采用。

綜上所述，利用礦物改性混凝土工程性能具有明顯的優勢，但對粉煤灰、礦粉、細石英砂等礦物摻和料改性碾壓混凝土的全面研究較少[8- 10]。本文設計了摻粉煤灰、礦粉和細石英砂混凝土3組試驗并以普通混凝土為對照，系統測試多種混凝土試件的抗壓強度、抗拉強度及物質成分，對比分析確定最佳摻和料種類及比例，旨在為我國碾壓混凝土配合比設計提供一定借鑒。

1 工程概況

本次改性大壩混凝土試驗研究依托于江西省某水電站，該水電站由攔河大壩、通航及發水引電系統等主要建筑物組成(如圖1所示)，水庫總庫容達2.56億m3。該水庫正常蓄水位為1260m，調節庫容0.20億m3。電站裝機容量1200MW。壩底面高程1256.2m，壩頂長度258m，壩頂頂寬8.2m，最大壩高124m。上下游反濾層與壩體之間設置了厚度為10m的過濾層。

圖1 水電站大壩工程

2 試驗設計

2.1 配比設計

本次試驗普通碾壓混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石=0.5∶1.0∶2.02∶2.52，利用粉煤灰、礦粉和細石英砂等量替代普通混凝土中的水泥成分，且設計3種不同礦物摻合料的摻量(10%、20%、30%)，得到普通混凝土、不同摻量的粉煤灰混凝土、不同摻量的礦粉混凝土和不同摻量的細石英砂混凝土共計10組混凝土試樣，各組試樣的具體摻量設計見表1。

表1 不同礦粉混凝土試樣配比設計 單位：kg/m3

2.2 試驗步驟

(1)稱料攪拌。按照2.1節所述配比設計稱量原材料后，在攪拌機內混合攪拌均勻。需要說明的是，碾壓混凝土是分4次加料的：首先加入砂、石，混合均勻后加入摻和料，然后添加2/3的水及減水劑攪勻，最后再加入1/3水。

(2)澆筑成型。碾壓混凝土實驗室試件的制作采用插搗澆筑、振動密實的方法，將試件模具置于振動臺后進行分層裝料，在每層裝料完畢后插入搗棒均勻插搗，最后在試件上放置壓重塊啟動振動臺進行振實，分別養護至7、28、70d后開展強度試驗。抗壓強度及抗拉強度試驗所用試件為150mm標準立方體試件[11- 15]。

(3)開展強度試驗。采用混凝土萬能試驗設備測試試件的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量，其中抗壓強度與彈性模量測試的位移加載速度為0.3mm/min，劈裂抗拉強度測試為0.15mm/min，加載過程中觀察試件形態并記錄破壞時對應的荷載。

(4)利用滲水高度法對混凝土展開滲透性測試，滲透性測試采用圓柱試樣。

(5)試驗數據處理。每組試驗測試3個試件，在剔除明顯異常測值后以平均值作為強度分析依據；按照試驗規程計算試件抗壓強度、抗拉強度及彈性模量。

圖2 試樣與試驗設備

3 試驗成果分析

3.1 抗壓強度

不同礦物摻合料改性混凝土試件的抗壓強度隨礦物摻合料摻量的變化關系如圖3所示。由圖可知，普通混凝土的抗壓強度值為65.32MPa，隨著礦物摻合料摻量的逐漸增加，3種改性混凝土的抗藥強度表現出不同的變化規律。其中，粉煤灰混凝土(FC)的抗壓強度值呈現出先穩定不變后緩慢下降的變化趨勢，當粉煤灰混凝土中粉煤灰摻量達到30%時，此時改性混凝土的抗壓強度為60.13MPa，相對普通混凝土降低7.95%。礦粉混凝土(KC)的抗壓強度值呈現出先增加后快速下降的變化趨勢，礦粉摻量為30%時混凝土的強度為63.15MPa，相對最大值下降9.18%。細石英砂混凝土(SC)的抗壓強度值則呈現出逐漸下降的變化趨勢，當細石英砂摻量為30%時混凝土的抗壓強度僅達到55.41MPa，相對普通混凝土降低15.17%。

不同礦物摻合料對混凝土的抗壓強度具有非常明顯的影響，由圖3可知，對于不同改性混凝土，其抗壓強度符合礦粉混凝土>普通混凝土>粉煤灰混凝土>細石英砂混凝土的規律，因此可見，礦粉混凝土的抗壓能力最強，且當礦粉摻量為10%時，礦粉混凝土的抗壓強度達到最大值，此時抗壓強度達到69.53MPa，相比普通混凝土升高6.45%，具有非常明顯的改良效果。

圖3 不同礦物摻合料混凝土抗壓強度隨礦物摻量變化關系

對礦物摻量為10%的不同礦物摻合料混凝土的單軸壓縮破壞形態展開分析，由圖4可知，單軸壓縮條件下各混凝土的最終破壞形式均是張拉破壞，因此沿混凝土軸向出現較多的縱向裂紋。

圖4 不同礦物摻合的混凝土試件單軸壓縮破壞特征

3.2 抗拉強度

混凝土的抗拉強度是決定其最終破壞的重要參數之一，不同礦物摻合料、不同礦物摻量條件下混凝土試件的抗拉強度試驗結果如圖5所示，由圖可知，普通混凝土的抗拉強度為5.57MPa。相較于普通混凝土，粉煤灰混凝土的抗拉強度出現小幅度下降，且隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗拉強度逐漸降低，不同粉煤灰摻量條件下混凝土的抗拉強度分別為5.54、5.3、5.22MPa。細石英砂混凝土的抗拉強度的變化趨勢則與粉煤灰混凝土相反，其抗拉強度較普通混凝土有一定幅度的提升，且抗拉強度隨著細石英砂摻量的升高而逐漸增大，相比普通混凝土分別提升3.77%、6.28%、9.69%。礦粉混凝土的抗拉強度較普通混凝土的提升較為明顯，摻10%礦粉的混凝土抗拉強度達到6.42MPa，較普通混凝土提升16.16%。此后礦粉混凝土的抗拉強度基本不變，礦粉摻量為20%和30%條件下混凝土的抗拉強度分別為6.38MPa和6.47MPa。

圖5 齡期—抗拉強度關系曲線圖

3.3 XRD物質成分檢測分析

普通混凝土和不同礦物摻合料混凝土的XRD物質成分檢測結果如下圖6所示，由圖可知，細石英砂混凝土中的Ca(OH)2成分含量很少，而其他混凝土中均具有較多的Ca(OH)2成分。分析認為，這是由于石英砂本質上是二氧化硅和Ca(OH)2成分的反應產物，因此細石英砂混凝土中Ca(OH)2成分含量很少。此外，進一步可以觀察到，在礦粉混凝土中具有一定量的托勃莫來石，而托勃莫來石作為一種板狀晶態物，其對材料的強度具有非常好的強化作用，因此，結合前述章節不同混凝土抗壓強度和抗拉強度試驗結果可知，礦粉混凝土的抗壓強度和抗拉強度最優。

圖6 XRD物質成分檢測結果

4 結語

本文提出了一種利用不同礦物部分替代水泥制備改性混凝土的方法，室內設計制備了不同摻量條件下的摻礦粉、粉煤灰和細石英砂混凝土并開展了單軸抗壓強度、抗拉強度與物質成分檢測試驗。研究主要結論如下：

(1)不同混凝土的抗壓強度符合礦粉混凝土>普通混凝土>粉煤灰混凝土>細石英砂混凝土的規律。礦粉混凝土的抗壓能力最強，且當礦粉摻量為10%時，礦粉混凝土的抗壓強度達到最大值，此時抗壓強度達到69.53MPa，相比普通混凝土升高6.45%，具有非常明顯的改良效果。

(2)相較于普通混凝土，粉煤灰混凝土的抗拉強度出現小幅度下降，細石英砂較普通混凝土有一定幅度的提升。礦粉混凝土的抗拉強度較普通混凝土的提升較為明顯，摻10%礦粉的混凝土抗拉強度達到6.42MPa，較普通混凝土提升16.16%。

(3)根據XRD物質成分檢測結果，礦粉混凝土的水化產物中具有一定量的托勃莫來石，其對材料的力學性質具有非常好的強化作用。