粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能的影響

羅 鵬， 呂 彩 云， 姜 帆

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 抗沖簡述

巴塘水電站泄洪放空洞及導(dǎo)流洞出口閘室至消力池段(樁號泄0+651.61 m-泄0+820.61 m)，過流面采用 C35W8F100(二級配)抗沖耐磨混凝土，厚度60 cm，工程量為12 158 m3，運(yùn)輸工具為自卸車，設(shè)定坍落度50～70 mm，可以滿足現(xiàn)場施工需要。根據(jù)《水工建筑物抗沖磨防空蝕技術(shù)規(guī)范》(DL/T5207-2005)要求[1]，抗沖磨混凝土配合比水灰比應(yīng)小于0.4，粉煤灰最大摻量為25%。

抗沖磨混凝土為低水膠比混凝土，而低水膠比混凝土的膠材用量大，早期水化熱高，養(yǎng)護(hù)不到位，極易造成混凝土內(nèi)外溫差裂縫[2]，降低建筑物整體抗沖磨性能。本試驗(yàn)通過對抗沖磨混凝土添加粉煤灰，利用粉煤灰形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)可以改善混凝土性能，提高混凝土耐久性[3]的特性，采用不同水膠比、不同粉煤灰摻量配置抗沖磨混凝土配合比，檢測其相關(guān)力學(xué)、耐久性性能，研究粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能的影響，結(jié)合設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)場施工、養(yǎng)護(hù)等因素，確定了粉煤灰最佳摻量，可供同類工程參考。

2 原材料試驗(yàn)

2.1 水泥

采用四川峨勝水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的普通P.O42.5水泥進(jìn)行試驗(yàn)，其水泥力學(xué)性能及化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1，所檢各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[3]對P.O42.5水泥的要求。

2.2 骨料

采用巴塘水電站篩分系統(tǒng)生產(chǎn)的粗細(xì)骨料進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果見表2、3，所檢項(xiàng)目均符合規(guī)范對骨料的要求。

2.3 外加劑

采用石家莊長安育才建材有限公司生產(chǎn)的高性能減水劑(緩凝型)及引氣劑，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表4，所檢各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范對外加劑要求。

2.5 粉煤灰

采用成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的粉煤灰F·Ⅱ進(jìn)行性能試驗(yàn)，檢測結(jié)果見表5，所檢各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范對粉煤灰的要求。

2.6 拌合水

拌和用水為巴塘水電站和達(dá)通溝營地生活用水，檢測結(jié)果見表6，所檢各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范對拌合用水的要求。

3 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能的影響

表1 P.O42.5水泥力學(xué)性能及化學(xué)成分檢測結(jié)果表

表2 細(xì)骨料檢測成果表

表3 粗骨料檢測成果表

表4 外加劑性能檢測成果表

表5 粉煤灰性能檢測結(jié)果表

表6 拌合水性能檢測結(jié)果表

3.1 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土力學(xué)、抗沖磨性能的影響

本次試驗(yàn)抗沖磨混凝土采用0.40、0.37、0.34三組水膠比，粉煤灰以內(nèi)摻的方式選取摻量0%、15%、20%和25%，以交叉組合的方式進(jìn)行抗沖磨混凝土試拌。混凝土采用HJW-60型單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，含氣量控制在3.5～5.5%[4],養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d和28 d。力學(xué)性能成型150 mm的立方體，到齡期后用DYE-2000型數(shù)顯液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。抗沖磨性能試驗(yàn)為成型Φ300×10 mm的圓柱體，按照設(shè)計(jì)要求采用HKCM-2型鋼球沖磨儀進(jìn)行“水下鋼球法”試驗(yàn)[5]。粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土力學(xué)、抗沖磨性能的影響檢測結(jié)果見表7。

通過對表7中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，粉煤灰摻量、水膠比對抗壓強(qiáng)度及抗沖磨強(qiáng)度的影響如下：

(1)粉煤灰摻量一定時，隨著水膠比的降低，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、抗沖磨強(qiáng)度成增長趨勢，混凝土抗壓強(qiáng)度越高，抗沖磨強(qiáng)度越高。

(2)隨著粉煤灰摻量的增加，當(dāng)同一水膠比時，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度有較為明顯的降低。相較于無粉煤灰摻量的混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量為15%時，抗壓強(qiáng)度降低約為7%；摻量為20%時，抗壓強(qiáng)度降低約為13%；摻量為25%時，抗壓強(qiáng)度降低約為19%。原因是水泥與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，而后粉煤灰微粒的火山灰效應(yīng)與氫氧化鈣反應(yīng)生成以水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣為主的物質(zhì)，但過程緩慢，在28天齡期時主要起到填充作用，對提高強(qiáng)度無明顯作用，反而隨摻量的增加而降低強(qiáng)度。

表7 粉煤灰(F類Ⅱ級)摻量對混凝土力學(xué)、抗沖磨性能的影響

(3)當(dāng)抗壓強(qiáng)度相近時，將試驗(yàn)編號S1-01與S2-02、S3-02、S4-03進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，未摻粉煤灰的混凝土抗沖磨強(qiáng)度是摻15%粉煤灰抗沖磨強(qiáng)度的1.35倍，摻20%粉煤灰抗沖磨強(qiáng)度的1.63倍，摻25%粉煤灰抗沖磨強(qiáng)度的1.56倍。主要是因粉煤灰水化熱遠(yuǎn)小于水泥，活性較低，與骨料黏結(jié)較差，更容易被磨蝕。

3.2 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土耐久性能的影響

參考以往巴塘水電站混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果，水膠比為0.40時，混凝土耐久性抗?jié)B等級W8和抗凍等級F100均能滿足要求，所以選取水膠比為0.40、粉煤灰摻量為0%、15%、20%、25%作為研究對象。抗?jié)B性能試驗(yàn)試件為175 mm×185 mm×150 mm的截頭圓錐體,以6個試件為一組，采用HP-40型自動加壓混凝土滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)，以第3個試件頂面出水為準(zhǔn)，停止試驗(yàn)。抗凍性能試驗(yàn)試件為100 mm×100 mm×400 mm的長方體，采用HDK-5型凍融試驗(yàn)儀凍融至預(yù)定的循環(huán)次數(shù)、相對動彈性模量下降至60%、質(zhì)量損失率達(dá)5%即可停止試驗(yàn)。粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土耐久性能的影響檢測結(jié)果見表8。

表8 粉煤灰(F類Ⅱ級)摻量對抗沖磨混凝土耐久性能的影響

從表8中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，水膠比一定時，粉煤灰需水量低于水泥，從而降低用水量，減少混凝土體內(nèi)大孔的存在，粉煤灰的微集料效應(yīng)產(chǎn)生漿液后填充混凝土內(nèi)空隙，降低了自由水泌水通道，抗?jié)B性能變強(qiáng)；相對動彈性模量降低，質(zhì)量損失率增加，抗凍性能呈劣化趨勢。

3.3 粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土溫度的影響

試驗(yàn)室模擬現(xiàn)場大體積混凝土構(gòu)件，以水膠比為0.40、粉煤灰摻量為0%、15%、20%、25%分別拌制成型1.5 m×1.5 m×1.5 m的混凝土試塊，對混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)測，驗(yàn)證無粉煤灰摻量的混凝土和摻粉煤灰混凝土的溫度變化情況見表9。

表9 混凝土溫度變化表

根據(jù)表9試驗(yàn)結(jié)果，繪制混凝土溫度隨時間變化曲線見圖1：

圖1 混凝土溫度變化圖

根據(jù)表9、混凝土溫度變化圖可以看出：

(1)相較于無粉煤灰摻量的混凝土，粉煤灰摻量在15%時混凝土溫度平均降低1.9 ℃，最高降低3.7 ℃；粉煤灰摻量在20%時混凝土溫度平均降低2.7 ℃，最高降低4.8 ℃；粉煤灰摻量在25 %時混凝土溫度平均降低3.5 ℃，最高降低5.7 ℃；粉煤灰明顯的降低了混凝土最高溫度。

(2)混凝土澆筑后，無粉煤灰摻量的混凝土溫度增長最快，52 h左右溫度達(dá)到最高，最終溫度最高，下降相對較慢；15～25%摻量的粉煤灰混凝土溫度普遍增加較慢，最高溫度比無粉煤灰摻量的混凝土降低在3.7 ℃～5.1 ℃，溫度下降相對較快；試驗(yàn)證明，粉煤灰都能降低混凝土內(nèi)部水化熱溫度。

4 結(jié) 語

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，抗沖磨混凝土中隨著粉煤灰摻量的增加，28 d抗壓強(qiáng)度及抗沖磨強(qiáng)度都有較為明顯的降低，不利于抗凍性能。作為水工混凝土的重要指標(biāo)——抗?jié)B性得到提高，可以有效地降低抗沖磨混凝土升溫速度，同時降低水化熱最高溫度，有助于現(xiàn)場施工的溫度控制，更有利于現(xiàn)場施工的方便快捷。

從提高抗沖磨性能的角度出發(fā)，低水膠比的抗沖磨混凝土中，應(yīng)當(dāng)少摻或者不摻粉煤灰。但低水膠比混凝土水泥用量大，建筑物在水化熱內(nèi)外溫差作用下極易造成裂縫，不利于抗沖磨。綜合考慮粉煤灰摻量對抗沖磨混凝土性能帶來的影響，結(jié)合設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)需求、現(xiàn)場施工工藝，28 d齡期的C35抗沖磨混凝土建議粉煤灰摻量在15%以內(nèi)。巴塘水電站泄洪放空洞及導(dǎo)流洞出口閘室至消力池段抗沖磨混凝土的工程實(shí)踐表明，抗沖

磨混凝土性能滿足設(shè)計(jì)要求。