粉煤灰摻量對船閘混凝土關鍵工程性能的綜合影響

饒志剛，韓雪松，葛津宇，嵇旭紅，虞冬冬

（1.常州市港航事業發展中心，江蘇 常州 213200；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

船閘鋼筋混凝土，尤其是局部大體積混凝土結構，在施工過程中包括裂縫超限[1,2]，外觀質量缺陷等問題的質量通病顯得尤為突出，船閘閘室墻大體積混凝土是其中的典型代表。船閘閘室墻由于混凝土設計強度低，耐久性問題較為突出，一般在投入使用2～3 年后均出現不同程度的磨損破壞[3]。閘室墻混凝土需具備抵抗船行波的沖刷和船體碰撞摩擦作用的能力，其中對抵抗外在荷載的碰撞摩擦作用提出了較高的要求，因而混凝土的設計、制備和后續使用過程中要盡量減少混凝土表面的裂縫的產生，從而提高船閘結構的耐久性。

為改善閘室墻混凝土外觀質量以及抗裂、抗沖磨耐久性能，在不改變工程設計的前提下，優化混凝土配合比配置不失為一種選擇[4]。粉煤灰是一種具有火山灰活性的材料，在混凝土工程，尤其是大體積水工混凝土工程中應用極為普遍，是混凝土原料中用量最大的礦物摻合料，能夠有效改善混凝土的工作性和耐久性[5]。在混凝土加入粉煤灰對于混凝土的強度、抗滲性、耐磨性、塌落度、抗侵蝕性能都有所提升[6-9]。因此本試驗在保證混凝土強度C25 的前提下，調整粉煤灰摻量，同時設計一組配合比摻減縮劑，開展平行對比試驗，研究不同粉煤灰摻量對船閘混凝土各項性能的影響規律，為船閘混凝土摻用粉煤灰方案提供依據。

1 船閘混凝土配合比優化設計

使用粉煤灰代替水泥用量對于環境和經濟都有良好作用，粉煤灰混凝土近些年應用更加普遍。通過改變水膠比和粉煤灰摻入量，對船閘混凝土的各項性能進行研究。

1.1 原材料與配合比

設計船閘混凝土強度等級為C25，混凝土中粉煤灰摻量分別為膠凝材料總量的8%、15%、25%，同時設計一組摻減縮劑配合比，以等強度設計配比，開展平行對比試驗。船閘混凝土配合比見表 1：

1.2 試驗方法

本試驗對船閘混凝土的配合比優化，在保持混凝土強度等級為C25 的前提下調整配合比中粉煤灰摻量，同時設計一組摻減縮劑配合比進行平行試驗。綜合研究不同粉煤灰摻量的船閘混凝土工作性與施工質量相關性、力學性能、體積穩定性的發展規律，以評價強度等級C25 的船閘混凝土的抗裂、抗沖磨耐久性能。

2 試驗結果分析

2.1 混凝土力學性能

船閘混凝土在不同配合比中7d、28d 和60d 的混凝土抗壓強度結果如圖1 所示。結果顯示，通過調整水膠比，各配合比28d 抗壓強度均能滿足C25 設計要求。粉煤灰摻量較高的試驗組YF15 和YF25，混凝土60d 強度更高。混凝土中粉煤灰摻量從8%增加至25%的過程中，混凝土抗壓強度整體呈現上升的趨勢，粉煤灰摻量在25%時，其28d 與60d 的抗壓強度均為最高強度。

圖1 各齡期下立方體抗壓強度

圖1 給出的粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響規律可以看出，隨著粉煤灰取代量的增加，混凝土早期強度逐漸減小，此結果與董振平等人[11]的研究結果具有一致性。粉煤灰取代水泥，降低了膠凝材料中水泥的比例，導致早期水化速率變慢，水化產物減少。

粉煤灰對混凝土后期抗壓強度的發展具有積極作用，從YF15 組可以看出在15%粉煤灰摻量配合比下對混凝土28d 齡期和60d 齡期的抗壓強度具有明顯的促進作用。混凝土60d 齡期的抗壓強度YF25＞ YF15＞YF08。該Ⅱ級粉煤灰比水泥擁有更大的比表面積，且含有高含量的無定形活性硅，能夠發生火山灰反應，提高混凝土的抗壓強度[11]。

2.2 混凝土體積穩定性

混凝土干縮試驗分為標準試驗方法和14d 濕養護方法兩種方式，后一種方式與現場施工條件更為相似，試驗結果更具有參考價值。不同粉煤灰摻量C25 船閘混凝土的干縮變形試驗結果（標準試驗方式和14d 濕養護方式）見圖 2。圖中數據顯示。

圖2 各配合比混凝土干縮率發展（圖中虛線為“濕養”條件）

從圖 3 中YF08、YF15 和YF25 三組反映的粉煤灰摻量對混凝土干縮的影響規律發現，各組試驗混凝土的干縮與齡期具有近似冪函數關系，隨著齡期的延長，試驗組干縮均呈收斂趨勢變化。影響混凝土的干縮主要因素有水膠比，漿體數量和水化速率[5]。粉煤灰取代水泥后減少了膠材中水泥熟料數量，從而降低了水化反應的速度和程度，另外，粉煤灰的火山灰效應需要水泥的水化產物才能夠激發，粉煤灰摻量增大，可以起到限制水泥漿體收縮的作用，因此增加粉煤灰的摻量能有效降低混凝土的收縮，提高混凝土的體積穩定性。

圖3 中可以看出，相較于標準試驗方法，在14d 濕養護方法中，各配合比混凝土14d 前混凝土表現為一定量的膨脹，原因是試件在發生水化反應的過程中，外部水分浸入骨料內，使得骨料水分增加，宏觀上表現為試件體積的增大。因此，在實際施工過程中，加強混凝土早期的養護能夠有效降低混凝土的干縮。

圖3 各配合比混凝土的自生體積變形

在試驗過程中，測得各配合比混凝土的自生體積變形試驗結果見圖 4。從圖中數據可以看出，各個配合比的混凝土早期呈現少量的膨脹趨勢，在中后期均呈現收縮趨勢。且隨著粉煤灰摻量的提升，混凝土后期的收縮趨勢更為顯著。

混凝土的自身體積變形主要發生在混凝土成型后的早期，圖 3 顯示，不同粉煤灰摻量的混凝土3d 前有均有少量的膨脹，且齡期到90d 時，自生體積變形均呈現略微收縮性。在8%～15%的粉煤灰摻量范圍內，不同粉煤灰摻量對混凝土自生體積變形的影響不明顯；在25%粉煤灰摻量時，試驗組YF25 其自生體積變化與較低粉煤灰摻量的YF08 和YF15 試驗組相比，自生體積變化顯著增大。

3 結論

（1）提高粉煤灰摻量給混凝土強度帶來的負面影響可通過適當降低水膠比來調整。在8%～15%范圍內，提高C25 混凝土中粉煤灰摻量可以有效提升混凝土各項性能以及耐久性，對大體積船閘混凝土的抗裂和抗沖磨耐久性能有積極作用.

（2）加入粉煤灰使混凝土早期和后期干縮率略有下降。標準養護下混凝土的干縮與齡期具有近似冪函數關系，前60d 粉煤灰對水化的抑制作用更加明顯，達到90d 齡期干縮率的95%以上，能有效地抑制混凝土的干縮。增加粉煤灰的摻量能有效降低混凝土的收縮，提高混凝土的體積穩定性。

（3）采用14d 濕養護后再采用標準試驗方法養護的方式，14d 前混凝土表現為一定量的膨脹，隨后開始收縮，28d 前的干縮率較標準試驗方法有明顯降低，平均下降27.9%，90d 后干縮率與標準試驗方法相比減少近10%。加強混凝土早期的養護可有效降低混凝土的干縮，防止混凝土塑性開裂。