三種摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能對比試驗研究

任玉杰

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

碳化的本質是CO2向水工混凝土內部滲透，迫使水分向吸水飽和度較小的區域滲透的過程[1]。因此，要獲得高耐久性與長壽命的水工混凝土，關鍵是提高其抗滲性能[2]。粉煤灰作為一種膠凝材料來替代部分水泥，可以產生形態效應、微集料效應、即活性效應等粉煤灰效應[3]。粉煤灰的加入不僅能夠減少水化熱、延緩水化速度、緩解混凝土內部因水化熱引起的升溫，對避免混凝土產生溫度裂縫也很有利[4]，還能降低混凝土的成本、降低滲透性和孔隙率以及抑制堿集料反應，有利于水工混凝土后期強度的穩定提升[5]，大幅提高了水工混凝土的使用壽命[6]。

然而，目前研究學者對水工混凝土抗壓強度及其他力學性能較為重視，而對水工混凝土的長期性能和耐久性方面的要求研究還不夠深入[7-8]，單一的強度標準不能針對性地滿足各項目由于地理、環境、成本等因素產生的對水工混凝土的特殊要求[9]。基于上述研究背景，開展摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能對比試驗研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 粉煤灰

取三種F類Ⅰ級粉煤灰6 kg開展檢測試驗。檢測方法按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)、《水泥化學分析方法》(GB/T 176—2017)、《水泥細度檢驗方法—篩析法》(GB/T 1345—2005)等執行。主要儀器設備：SF-150型水泥細度負壓篩析儀、NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀、SQP/QUINTIX224-1CN型電子天平、SQP/QUINTIX2102-1CN型電子天平、SRJX-4-13型高溫箱式電阻爐。試驗結果見表1。

表1 3種粉煤灰材料檢測結果

由表1可知，本組所取三種F類Ⅰ級粉煤灰的單項判定均達標，可以開展摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能試驗。

1.2 三種摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能試驗

本次試驗粉煤灰取三種均達標的粉煤灰，水泥選用新疆本地生產的標號42.5級普通硅酸鹽水泥，顏色呈青灰色。粗骨料選用本地建材供應市場提供的石灰巖碎石，5～25 mm連續粒級，顏色呈青灰色，氣干狀態。細骨料選用本地生產的中砂，細度模數為2.5，顏色呈黃色，氣干狀態。外加劑選用網購XY-5型脂肪族高效減水劑，適宜摻量一般為膠凝材料用量的1.0%～2.0%。拌合水采用日常自來水。通過逐級施加水壓力來測定水工混凝土抗水滲透性能。

1.2.1 試驗儀器設備

TCS-1型混凝土抗滲儀(0～4.0 MPa)、圓臺體試模、鋼絲刷、石蠟、松香、烘箱、加壓器、鋼直尺，以及鐘表等。

1.2.2 試驗設計

(1)試件制備。①混凝土拌合。②采用上、下口內徑為175 mm、185 mm及高度為150 mm的圓臺體鋼試模，6個試件為一組，每種粉煤灰摻量的混凝土各成型3組。③拆模后，應用鋼絲刷刷去上、下兩面的水泥漿膜，并立即送進標準養護室，標準養護至28 d后在模擬的水工建筑物自然環境中進行養護。④在28 d、56 d、90 d齡期時，分別進行試驗。

(2)試件密封。在達到試驗齡期的前一天，從標準養護室取出試件并擦干，待試件表面晾干后，在其側面裹涂一層熔化的、內加少量松香的石蠟。然后使用螺旋加壓器將試件壓入經過烘箱或電爐預熱過的鋼試模中，使試件與試模底部平齊，并應在試模變冷后解除壓力。試模的預熱溫度，應以石蠟接觸試模，即緩慢熔化但不流淌滴落為準。

(3)試件安裝。啟動抗滲儀，并開通所有6個試位下的閥門，關閉中間的總控泄水閥門，使水從試位中心的小孔中滲出，待水充滿6個試位坑之后，關閉所有閥門并將密封好的試件安裝在抗滲儀上，用螺帽固定好。

(4)逐級加壓。試件安裝好后，立即開通6個試位下的閥門，并確認中間的總控泄水閥門處于緊閉狀態，以免漏壓。將初始水壓調整為0.1 MPa，隨后每過8 h增加0.1 MPa的水壓，并應隨時觀察試件端面是否滲水。當6個試件中有3個試件上表面出現滲水時，停止試驗并記錄此時水壓。在試驗過程中，若發生水從試件周邊滲出的情況，卸下該試件待晾干后重新進行密封。

(5)數據處理。水工混凝土的抗滲等級應以每組6個試件中有2個試件出現滲水時的最大水壓乘以10來確定，具體應按式(1)計算：

W=10H

(1)

式中：W為水工混凝土抗滲等級，MPa；H為6個水工混凝土試件中有2個試件滲水時的最大水壓力，MPa。

2 摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能研究

水工混凝土中的滲流指的是流體(液體、氣體)在水工混凝土內部孔隙介質中的流動，滲透系數是滲流的主要指標[10]。在水環境中的混凝土結構，其內部攜帶有微裂紋、微孔隙等內部劣化因子，在外圍水壓和內部孔隙水壓等作用下，會使水向混凝土內部遷移，水工混凝土力學性能發生劣化，最終導致水工混凝土結構的服役性能下降，甚至結構失穩破壞[11]。而水工混凝土抵抗這種滲透作用的能力，即稱為水工混凝土的抗滲性能。

2.1 摻粉煤灰水工混凝土滲透破壞機理

在水壓力作用下的水工混凝土耐久性能，本質上取決于其膠凝材料和粗細骨料力學性能，以及兩者膠結情況(膠結面的微裂紋、微孔隙等)。

由于骨料本身的滲透性弱于水泥石的滲透性，可知水工混凝土的滲透性主要取決于水泥石的滲透性。而水膠比直接影響了水泥石的滲透性，水膠比較大的水工混凝土，孔隙率較高，水泥石中相互連通的毛細孔體系亦會增加，導致水工混凝土的抗滲性能變差。

水工混凝土澆筑成型時振搗不密實、硬化后由于干縮和熱脹等變形產生的裂縫，亦會導致水工混凝土抗滲性能變差；此外，水工混凝土服役時所處的外圍環境也會對其抗滲性能有所影響，如：外載荷的大小和分布,溫度場,以及是否有侵蝕性氣體、液體等。本次試驗在振搗、養護、外界環境這些因素都相同的條件下，僅探討不同粉煤灰摻量對混凝土抗滲性能的影響。

抗水滲透試驗方法一般有逐級加壓法、滲水高度法和相對滲透系數法。(1)逐級加壓法的特點是水壓從0.1 MPa開始，每隔8 h增加0.1 MPa，直到同組6個試件中的2個出現滲水現象，則停止試驗，即可得到混凝土的抗滲等級。(2)滲水高度法是將滲透水壓24 h內恒定控制在1.2 MPa，試驗結束時以6個試件滲水高度的算術平均值作為評定混凝土抗水滲透性的標準。(3)相對滲透系數法反映混凝土吸收和滲透水的能力，通過滲水量及時間來計算滲透系數，以一組6個試件的滲透系數算術平均值作為試驗結果。

滲水高度法與相對滲透系數法在混凝土本身抗滲性能不理想的情況下不能較好地反映各類試件抗滲性能的優劣。例如滲水高度法可能在24 h恒定1.2 MPa的高水壓下，試驗試件均發生了完全滲透。基于上述分析，本次試驗選用了相對常規的逐級加壓法。

2.2 摻粉煤灰水工混凝土試驗結果及分析

本組所取三種F類Ⅰ級粉煤灰對水工混凝土抗滲性能試驗影響差別較小，幾乎不計。選取粉煤灰1抗滲試驗結果繪圖，不同齡期和不同摻量下的粉煤灰1混凝土抗滲水壓變化規律見圖1、圖2。

圖1 不同齡期下的抗滲水壓

圖2 不同摻量下的抗滲水壓

從圖1和圖2中可以看出：

(1)在試件標準養護至28 d時，30%粉煤灰1摻量的混凝土試件抗滲性能最佳，抗滲水壓達到了1.1 MPa；其次是25%粉煤灰摻量的試件，抗滲水壓達到了1.0 MPa；抗滲性能最差的是20%和35%摻量的試件，抗滲水壓約為0.9 MPa。

(2)在試件自然養護至56 d時，各組試件的抗滲性能都有不同程度的提升，其中，抗滲性能最佳的仍然是30%粉煤灰1摻量的試件，抗滲水壓為1.5 MPa；而35%粉煤灰1摻量的試件抗滲性能提升較大，抗滲水壓相較于28 d時增加了0.5 MPa，達到了1.4 MPa，超過25%粉煤灰1摻量的試件，位于第二，抗滲性能最差的為30%粉煤灰1摻量的試件。

(3)本組試件自然養護至90 d時，粉煤灰1摻量越大，抗滲性能越好，在本次試驗中，35%粉煤灰1摻量的試件抗滲水壓最高達到了1.65 MPa。

通過對水工混凝土及摻加粉煤灰1的混凝土抗滲性能的研究可知，隨著水工混凝土強度等級的提高，水工混凝土滲水高度呈現降低趨勢，其抗滲等級逐漸增加，反映了水工混凝土的抗水滲透性能隨著強度的增加而提高；而對于摻加粉煤灰1的水工混凝土存在最佳摻量，即在某一摻量之前，隨著粉煤灰1摻量的增加，抗水滲透性能提高，說明粉煤灰1充分發揮了微集料效應和活性效應，但超過該最佳摻量后，抗水滲透性能卻趨于下降。

粉煤灰1摻加到水工混凝土中，一方面，降低了水工混凝土的早期強度，使水工混凝土抵抗孔隙水應力的能力變差；另一方面，在一定程度上改善了水工混凝土內部的曲孔結構，使孔徑更加蜿蜒細長，水化產物C-S-H膠凝材料填塞了水泥石中的部分毛細孔隙，減少了滲透通道，大大增加了水工混凝土的密實度，有利于增強水工混凝土的抗滲性能。摻粉煤灰1水工混凝土的水壓滲透過程就是在這兩方面因素的綜合影響下進行的。

結合實際工程，若上述兩方面因素中第一方面因素起主導作用，則水工混凝土的抗滲能力是降低的；若第二方面因素起主導作用，則水工混凝土抗滲能力是提高的。因此，得出粉煤灰1的最佳摻量，使之更好地發揮第二方面的作用是十分必要的。

3 結 論

(1)通過檢測結果可知，本組所取三種F類Ⅰ級粉煤灰的單項判定均達標，可以開展摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能試驗。三種F類Ⅰ級粉煤灰對水工混凝土抗滲性能試驗影響差別較小，幾乎不計。

(2)得到了齡期和粉煤灰1摻量與水工混凝土抗水滲透性能之間的關系。在試件標準養護至28 d與56 d時，抗滲性能隨著粉煤灰1摻量的增加呈先上升后下降的規律，粉煤灰1摻量為30%時最佳；當齡期足夠長時，水工混凝土的抗滲性能隨著粉煤灰1摻量的增加呈遞增趨勢。根據實驗結果，并結合實際工程應用，水工混凝土中粉煤灰1摻量應以35%為宜。