摻不同粉煤灰的水工混凝土抗水滲透性分析

江 波

(大連莊河市水務事務服務中心，遼寧 大連 116400)

實質上，碳化就是CO2不斷滲透到混凝土內部，并促使水分遷移到較小飽和度區域的過程[1]。所以，改善水工混凝土的抗滲性能是保證水工結構長效運行的關鍵。粉煤灰是可以替代部分水泥的一種膠凝材料，發揮著活性、微集料、形態等效應[2-4]。摻入粉煤灰既能夠緩解內部水化熱產生的溫升、延緩水化速度以及減少水化熱，還可以防止溫度裂縫的形成，有利于控制堿集料反應、減小孔隙率、改善抗滲性和降低工程成本等，提高水工結構的后期強度穩定性和使用年限[5-6]。

然而，現有研究比較側重于水工混凝土的力學性能及其抗壓強度方面，研究耐久性以及長期性能的還較少，單一強度標準已無法滿足水工混凝土受各項目成本、環境、地理等因素產生的特殊要求[7-10]。鑒于此，文章通過室內試驗，初步探討了不同種類和不同摻量粉煤灰對混凝土抗滲性的影響，并進一步揭示了其作用機理。

1 試驗方法

1.1 粉煤灰品質

試驗選用三種F類Ⅰ級粉煤灰，依據設計配合比確定總用量6km。粉煤灰性能嚴格按篩分法等標準檢測，主要儀器設備包括高溫箱式電阻爐、電子天平、水泥膠砂流動度測定儀和水泥細度負壓篩分儀，試驗用粉煤灰性能檢測結果，見表1。經檢測，本試驗所選用的三種粉煤灰性能均達標，能夠用于水工混凝土抗滲性能研究。

表1 試驗用粉煤灰性能檢測結果

1.2 抗水滲透性試驗

試驗選用海螺P·O 42.5級通用硅酸鹽水泥，整體呈灰色；粗骨料選用粒徑5～25mm的連續級配石灰巖碎石，表面呈青灰色；細骨料選用天然河砂，細度模數2.6，表面呈黃色。外加劑選用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，摻量按1.0%～2.0%的膠凝材料用量；拌合水用自來水，水工混凝土抗水滲透性能按照逐級施加水壓力的方式來測定。

1.2.1 試驗設備

試驗所用儀器設備主要有烘箱、加壓器、圓臺體試模、TCS-1型混凝土抗滲儀、鋼直尺、鋼絲刷、松香、石蠟和鐘表等。

1.2.2 試驗流程

1)步驟1：試件制備。①精準稱量所用原材料，并按照先粗細骨料、再膠凝材料、后水與外加劑混合液的順序投料攪拌，拌合均勻后倒出；②用高150mm、上口內徑175mm、下口內徑185mm的圓臺體鋼試模，每種摻量各成型3組，每組6個試件；③室內靜置24h后拆模，將上、下兩面水泥漿膜利用鋼絲刷刷去后，立即送入標養室護養護至28d，然后取出放入模擬自然環境下養護；④自然養護至28d、56d、90d時取出備用。

2)步驟2：密封試件。提前一天(以試驗齡期為基準)從標養室取出試件，待擦干晾干試件表面后，用內加少量松香的熔化態石蠟涂抹其側面。然后將試件用加壓器壓入經電爐或烘箱預熱的鋼試模內，保持試模底部與試件相平齊，試模冷區后將壓力解除。預熱溫度以石蠟不滴落且能夠緩慢融化為準。

3)步驟3：安裝試件。啟動TCS-1型混凝土抗滲儀，關閉中間總控泄水閥門并開通所有6個試位下的閥門，確保水能夠從試位中心孔滲出，在6個試位坑都充滿水以后，將所有閥門關閉，在抗滲儀上利用螺帽安裝固定已密封好的試件。

4)步驟4：逐級加壓。試件安裝完成后立即開通試位下的閥門，并對中間總控泄水閥是否達到緊閉狀態進行確認以免漏壓。調整初始水壓0.1MPa，然后按每8h施加0.1MPa的原則逐級試壓，對試件端面滲水情況進行隨時觀察。當出現滲水的試件達到3個時則停止試驗，并記錄相應的水壓。實際操作時，若試件周邊出現滲水現象，應將該試件卸下，晾干后再次涂蠟密封。

5)步驟5：數據處理。對于試驗中的6個試件時，以2個產生滲水時所對應的最大水壓作為抗滲等級，其表達式如下：

W=10H

(1)

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

2 結果與分析

2.1 試驗結果

考慮到水工混凝土抗滲性能受三種F類Ⅰ級粉煤灰的影響差別較小，可以不略不計的實際情況，故選用粉煤灰A探討不同摻量、不同齡期的抗滲水壓變化特征，抗滲水壓變化曲線，見圖1。

由圖1(a)可知：對比分析摻粉煤灰組和空白對照組的抗滲性能，水工混凝土滲水高度隨強度的增大表現出下降趨勢，即隨水工混凝土強度的增加其抗水滲透性能逐漸提高；對于粉煤灰A而言，摻量不超過30%的界限值時，水工混凝土抗水滲透性能隨粉煤灰摻量的增加而提高，此時粉煤灰的活性和微集料效應顯著，但摻量>30%時以后其抗水滲透性能呈下降趨勢。

由圖1(b)可知：①標準養護28d時，水工混凝土中摻30%粉煤灰組抗滲性最優，其次為摻25%粉煤灰組，抗滲水壓依次為1.2MPa和1.1MPa，而摻35%粉煤灰組的抗滲性最差，抗滲水壓只有0.7MPa；②標準養護56d時，各組試樣的抗滲性能均有所提升，其中摻30%粉煤灰組抗滲性最優，抗滲水壓達到1.6MPa；摻35%粉煤灰組的抗滲性較28d齡期時明顯增加，抗滲水壓提高0.8MPa達到了1.5MPa，抗滲水壓力超過摻20%、25%粉煤灰組，位居第二，而未摻粉煤灰組的抗滲性最差；③標準養護90d時，粉煤灰摻量越高則試樣的抗滲性能越優，摻35%粉煤灰組的混凝土抗滲水壓最高為1.8MPa。

(a)不同摻量 (b)不同齡期

在水工混凝土中摻入粉煤灰A，雖然降低了混凝土早期強度及其抗孔隙水應力的能力，但其內部孔隙結構明顯改善，在一定程度上增加了孔徑蜿蜒細度，水泥石中的毛細孔隙被水化產物C-S-H膠凝材料填塞，滲透通道明顯減小，有效增強了混凝土的密實度和抗滲性能。因此，粉煤灰是從早期強度和孔隙結構兩個方面來影響混凝土的水壓滲透性能[11-12]。因此，如果是早期強度和抗孔隙水壓力起主導作用，則摻入粉煤灰會降低混凝土抗滲能力；如果是孔隙結構和密實度起主導作用，則摻入粉煤灰會增強混凝土抗滲性能。通過試驗研究，合理確定粉煤灰的最佳摻量具有非常重要意義。

2.2 水工混凝土滲透破壞機理

滲流是指氣體、液體等流體在介質內部孔隙中的流動狀態，一般選用滲透系數衡量滲流的程度。由于內部存在許多微孔隙、微裂紋等劣化因素，孔隙水壓和外圍水壓促使水向內部的遷移，從而引起混凝土力學性能的劣化，大大降低水利工程的服役年限，甚至引起整體失穩的情況。因此，有必要進一步探討滲透破壞機理。

實際上，水工混凝土受水壓力作用時的耐久性能主要取決于粗細骨料、膠凝材料的力學性能以及兩者膠結面的微孔隙和微裂紋等情況。水泥石的滲透性明顯強于骨料，故水泥石的滲透性在很大程度上決定了水工混凝土的滲透性，而水泥石的滲透性又與水膠比密切相關，水膠比越大則孔隙率越高，水泥石中的毛細孔等相互連通體系也會增加，使得其抗滲性明顯下降。

此外，熱脹與干縮作用產生的混凝土裂縫、澆筑成型振搗不密實等也會降低其抗滲性能，水工結構所處的外圍環境是否存在侵蝕性液體或氣體、溫度場、外荷載分布和大小等因素，也會影響其抗滲性能。在不改變外界環境、養護和振搗等因素的情況下，本次試驗僅探討了水工混凝土抗滲性受不同粉煤灰摻量的影響[13-15]。

3 結 論

1)研究表明，本試驗所選用的三種粉煤灰性能均達標，能夠用于抗滲性能試驗研究，并且混凝土抗滲性能受不同粉煤灰類型的影響差別可以不略不計。

2)通過分析水工混凝土抗水滲透性與粉煤灰摻量、齡期之間的關系，發現標準養護28d和56d時，隨粉煤灰摻量的增加其抗滲性能均表現出先增強后變弱的的變化趨勢，粉煤灰A的最佳摻量為30%；隨著養護齡期的延長，粉煤灰A的摻量越高則混凝土抗滲性能越優，結合試驗結果，實際工程中粉煤灰摻量最高≤30%。