粉煤灰對寒區(qū)水工混凝土耐久性影響的試驗研究

張 恒，熊復(fù)慧，李向東，李險峰

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省地處高寒地區(qū)，冬季寒冷漫長，春季多風(fēng)干燥，夏季干熱降雨集中，秋季降溫急驟歷時較短，形成冷熱懸殊、干濕不均、四季分布變化較快等氣候特征。同時，本省又處于高緯度地區(qū)，全年有一半時間處于嚴(yán)寒的冬季。冬季最低氣溫-30 ℃，夏季最高溫度39 ℃，其表面溫度可達(dá)60 ℃。全年日照時數(shù)問2800 h左右。水工混凝土大多處在潮濕或水下環(huán)境運(yùn)行，混凝土本身面臨著干濕循環(huán)、晝夜溫差、季節(jié)溫差變化、凍融剝蝕、水流沖刷和水侵蝕等地理和工程環(huán)境條件影響，其耐久性及工程使用壽命受到嚴(yán)重?fù)p害[1-3]。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

(1)水泥。本試驗選用的水泥為天鵝牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要的性能指標(biāo)如表1。

表1 水泥的性能指標(biāo)

(2)粉煤灰。粉煤灰化學(xué)成分以SiO2和Al2O3為主，是粉煤灰主要活性來源，占總含量的60%～80%。在掃描電鏡下觀察，如圖1所示[4]，可發(fā)現(xiàn)球形玻璃體顆粒常有空腔和蜂窩，摻入混凝土中可以改善混凝土抗?jié)B性和耐腐蝕性能。

圖1 粉煤灰的SEM照片

(3)集料。本次試驗采用粗集料是5～10 mm和10～20 mm單級配的兩種碎石以4∶6組合搭配而成，構(gòu)成5～20 mm的連續(xù)級配。主要性能指標(biāo)見表2所示，顆粒級配見圖2。本次試驗采用的細(xì)集料是細(xì)度模數(shù)為2.65，級配良好的中砂。具體的物理指標(biāo)見表3，篩分析結(jié)果見圖3[4]。

表2 碎石的性能指標(biāo)

圖2 碎石的級配

表3 砂的物理指標(biāo)

圖3 砂的篩分析結(jié)果

(4)外加劑。本次試驗采用外加劑是由黑龍江省翔波新材料新技術(shù)應(yīng)用開發(fā)有限公司提供的。SB-M型高效減水劑是聚羧酸高效減水劑，其用量控制在膠凝材料用量的0.5%～1.0%以內(nèi)，此摻量時的減水率為15%～25%。考慮高寒地區(qū)凍融破壞對混凝土耐久性能的影響本次試驗加入適量SB-G型引氣劑，其用量控制在水泥用量的0.08‰～0.10‰。

1.2 試驗配合比

本試驗根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5330—2015)設(shè)計強(qiáng)度等級為C25、C30和C40，粉煤灰摻量為0、20%、30%與40%的水工混凝土，配合比設(shè)計參數(shù)見表4，單方材料用量見表5。

表4 配合比設(shè)計參數(shù)

表5 水工混凝土單方材料用量

2 試驗結(jié)果

2.1 粉煤灰對水工混凝土的抗?jié)B性的影響

圖4為粉煤灰摻量與電通量的關(guān)系曲線。水工混凝土中摻入粉煤灰可以改善混凝土的抗?jié)B耐久性，降低混凝土中的溫升以及溫度裂縫出現(xiàn)的概率，提高混凝土后期強(qiáng)度，減少混凝土中有害孔的比例，有效提高混凝土的密實(shí)性。

圖4 粉煤灰摻量與電通量關(guān)系

從圖中可以看出隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試件的電通量都有降低的趨勢，尤其是粉煤灰摻量由0提高到20%，各強(qiáng)度等級的混凝土試件密實(shí)性都有明顯提高。粉煤灰摻量為20%時，電通量僅為基準(zhǔn)混凝土的64.5%；強(qiáng)度等級為C25與C30的混凝土試件粉煤灰摻量提高到30%時，密實(shí)性不如摻量為20%，應(yīng)試未反應(yīng)的粉煤灰的微集料作用不明顯；粉煤灰摻量提高到40%時，粉煤灰的集料效應(yīng)發(fā)揮作用，混凝土電通量繼續(xù)降低。所以在一定范圍內(nèi)粉煤灰摻量增加，可以使混凝土的抗?jié)B性提高。

2.2 粉煤灰對水工混凝土的抗凍性的影響

本試驗采用快速凍融法，圖5為粉煤灰對不同強(qiáng)度等級水工混凝土試件經(jīng)過200次以上凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率的變化過程。隨著粉煤灰的摻入，混凝土質(zhì)量損失率明顯降低，耐久性得到明顯改善。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系

圖6為摻粉煤灰的水工混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與動彈性模量損失率的關(guān)系，由圖可看出，對于C25混凝土在粉煤灰30%摻量時，混凝土的動彈模損失率最低，而對于C30和C40混凝土均是在粉煤灰摻量為40%時動彈模損失率最小，顯示出較好的抗凍性。因此粉煤灰取代水泥提高混凝土抗凍性存在最佳摻量，并且不同強(qiáng)度等級混凝土最佳摻量并不同。

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)與動彈性模量損失率的關(guān)系

2.3 快速凍融后的水工混凝土的抗?jié)B性

試驗對經(jīng)過100次、150次、200次凍融循環(huán)后的水工混凝土試件進(jìn)行滲透性試驗，即混凝土電通量試驗，試驗結(jié)果見圖7。從圖中可知C25強(qiáng)度等級的混凝土，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，粉煤灰摻量為20%的電通量最高，密實(shí)性破壞程度最高；C30強(qiáng)度等級的混凝土，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，粉煤灰摻量為30%的電通量最高，密實(shí)性破壞程度最高，粉煤灰摻量為0、40%，電通量最低，密實(shí)性最好；C40強(qiáng)度等級的混凝土，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，粉煤灰摻量為0、40%的電通量最高，密實(shí)性破壞程度最高，粉煤灰摻量為20%、30%，電通量最低，密實(shí)性較好。

圖7 水工混凝土凍融前后電通量試驗結(jié)果

圖8是不同強(qiáng)度等級的水工混凝土試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)，電通量的變化過程。由圖中曲線可看出，寒區(qū)水工混凝土試件的電通量隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加明顯增大，混凝土的密實(shí)性降低。C25、C30水工混凝土試件在粉煤灰摻量為40%的時候，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加電通量降低程度最小，密實(shí)性破壞程度最輕。

圖8 凍融循環(huán)次數(shù)與電通量的關(guān)系

2.4 混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)對混凝土滲透性的影響

在進(jìn)行了凍融與滲透性試驗后，又對混凝土進(jìn)行了壓汞試驗。試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 試件孔結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

對經(jīng)過0次、100次、150次和200次凍融循環(huán)后，編號為C30F40的水工混凝土試件進(jìn)行壓汞試驗。從表中可知，混凝土的內(nèi)部孔隙聚集在5～100 nm之間，而最可幾孔徑均集中在5～25 nm之間。這說明了隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土的最可幾孔徑逐漸增大，其中200次凍融循環(huán)后的混凝土最可幾孔徑為未凍融混凝土最可幾孔徑的3倍多，說明凍融循環(huán)過程破壞了混凝土的基礎(chǔ)孔結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

本試驗主要研究了粉煤灰對寒區(qū)水工混凝土的耐久性中的抗?jié)B性和抗凍性的影響。并在已有理論基礎(chǔ)上，從雙因素角度考慮研究寒區(qū)水工混凝土的耐久性。綜合試驗數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

(1)粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)隨著增加混凝土滲透性降低。粉煤灰的摻量對混凝土的抗凍性影響規(guī)律存在最佳摻量，不同強(qiáng)度等級的混凝土最佳摻量不同，對于C25水工混凝土而言最佳摻量為30%，而對于C30和C40的水工混凝土的最佳摻量為40%。在一定范圍內(nèi)，含氣量增加，混凝土的抗?jié)B性能得到較大的提高。

(2)混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后滲透性降低，但是總體趨勢未發(fā)生改變，粉煤灰的摻量對混凝土凍融循環(huán)后的抗?jié)B性影響規(guī)律與混凝土滲透性試驗結(jié)論相同，混凝土的抗?jié)B性對混凝土抗凍性有一定的影響，但并非主要影響因素。