粉煤灰對橋梁混凝土的影響及其抗滲性能研究

摘要 要想有效應用粉煤灰，改善橋梁混凝土整體性能，則應明確粉煤灰摻入量對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律，嚴格控制橋梁混凝土中粉煤灰和其他材料的配比。因此，文章結合粉煤灰的基本性質，分析了粉煤灰對橋梁混凝土的影響，深入研究了粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律。通過研究可知，粉煤灰摻入量控制在29%～31%時，橋梁混凝土抗滲性能會達到最佳狀態。

關鍵詞 粉煤灰；橋梁混凝土；抗滲性能；摻入量

中圖分類號 TU528 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0082-03

0 引言

近年來，混凝土在新時期公路橋梁建設中得到廣泛應用，而粉煤灰是混凝土混合料的關鍵材料，其摻入量會直接影響混凝土的整體性能，繼而影響橋梁工程的安全性、穩定性。為合理控制橋梁混凝土中的粉煤灰摻入量，應結合粉煤灰對橋梁混凝土的影響情況，優化橋梁混凝土的材料配置，保障橋梁混凝土應用效果，提升橋梁工程建設質量。

1 粉煤灰性質分析

粉煤灰多產生于火力發電活動，是煤炭燃燒后產生的固體廢渣。1935年后，相關學者嘗試將其應用在混凝土中，研究發現粉煤灰能夠改善混凝土性能，減少混凝土中水泥摻入量，有助于控制混凝土使用成本[1]。粉煤灰類似于飛灰，可從煤炭燃燒煙氣中采集，其外部特征類似于水泥，顏色為黑灰偏白色，平均直徑一般為2.5 μm，具體的物理性質如表1所示。

粉煤灰中的化學物質較多，但對于來源不同的粉煤灰，其內部化學物質含量會明顯不同。主要含有的氧化物有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO，其中，SiO2、Al2O3含量較高，表示粉煤灰的水化活性比較好。

2 粉煤灰對橋梁混凝土的影響

2.1 基本性能

粉煤灰可以使橋梁混凝土具有流動性、黏結性，有助于控制混凝土中的水膠比，使混凝土保持良好的工作性能。

2.2 抗裂性能

粉煤灰可減少混凝土材料中水泥、水的摻入量，并且在混凝土材料中摻入粉煤灰后，混凝土熱膨脹系數變小，可避免溫度升高后混凝土材料發生水熱化反應，進而預防混凝土裂縫，使橋梁混凝土抗荷載、抗裂能力符合要求。另外，粉煤灰能夠抑制混凝土材料性質，延緩其骨料反應、自收縮速度，減少橋梁工程中混凝土結構的裂縫風險。

2.3 早期強度

橋梁混凝土中摻入大量粉煤灰后，其早期強度會明顯減少。主要原理是粉煤灰摻入后混凝土內水泥、水數量變少，混凝土水化速度變緩，凝固時間變長，早期強度較弱。因此，應用粉煤灰時，還應嚴格控制粉煤灰摻入量，優化橋梁混凝土配合比。必要時可摻入適量外加劑、激發劑、其他摻料，如礦渣、硅灰，借此彌補粉煤灰的性能缺陷，提升混凝土早期強度[2]。

2.4 抗碳化性能

粉煤灰可通過水化反應，使混凝土材料中Ca（OH）2數量變少，以改變材料的pH值，提升其抗碳化性能。為改善橋梁混凝土抗碳化能力，需要通過粉煤灰摻入量的控制，增加混凝土材料的堿性強度、抗滲性能。另外，研究表明，混凝土澆筑、振搗結束后的養護效果會改變粉煤灰摻入后材料的抗碳化能力。施工結束后，應適當加長養護時間，或灑水養護，浸潤混凝土，降低其碳化深度。

2.5 耐久性

粉煤灰摻入后，橋梁混凝土內材料系數改變，水泥孔隙比降低，材料密實度提高。二次水化反應后，粉煤灰與水泥反應后的產生物會封堵材料空隙，提升混凝土結構抗滲性能，避免雜物、有害介質落入，有助于預防鋼筋銹蝕，減少混凝土裂縫、表皮脫落風險，使橋梁混凝土結構的耐久性符合工程建設要求。

2.6 密實度

粉煤灰摻入后，其分子結構不會立即改變，會長期處于原始狀態，材料表面粗糙、不規則，具有較強粘連性。但制作“粉煤灰混凝土”時，會通過球磨機預先處理粉煤灰，使粉煤灰分子排列方式改變，內部顆粒重新組合排列后有助于粉煤灰混凝土的水化反應。并且粉煤灰和氧氣接觸后，內部未燃燒部分會與水泥進行水化反應，產生堿含量較低的凝膠，該類物質濃度較高，可填充粉煤灰混凝土結構，提升混凝土密實度。

3 粉煤灰對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律

3.1 抗滲性能測試方法

首先，制作不同摻入量的橋梁混凝土。主要材料有碎石、細砂、粉煤灰、水泥、減水劑、自來水，具體配比如表2所示。配置完成后，分別取不同摻入量、養護時間的混凝土材料進行抗滲性能測試。

其次，采用“立方體單軸壓縮試驗”“逐級加載法”進行混凝土材料抗壓強度測試和抗滲性能測試。測試過程中的密封材料為石蠟、松香，樣品數量為5個，每次測試時逐級設置的壓力為0.1 MPa，樣品被水穿透后需記錄試驗活動中的水壓力、試件滲水高度。最大抗滲水壓力的計算公式為：

A0=A1?0.1 （1）

式中，A——混凝土最大抗滲水壓力（MPa）；A1——混凝土樣品被水滲透時的水壓力（MPa）。

最后，通過壓痕試驗、氯離子擴散系數快速測定法測試混凝土孔隙結構和抗氯離子滲透性能，分析摻入粉煤灰的橋梁混凝土的抗滲性能。其中，壓汞試驗可測的混凝土材料孔喉直徑分別為小于20 nm、20～100 nm、100～1 000 nm、大于1 000 nm的混凝土樣品[3]。

3.2 抗滲性能影響規律分析

橋梁混凝土抗滲性能指標較多，抗壓強度、孔隙率、孔徑大小及其占比屬于間接抗滲指標，而混凝土滲水高度和最大抗滲水壓力、抗氯離子滲透性能會直接反映混凝土抗滲性能。為掌握粉煤灰對混凝土抗滲性能的影響規律，需全面分析各項抗滲性能指標的變化規律。

3.2.1 抗壓強度

試驗表明，橋梁混凝土養護時間為7 d時，粉煤灰摻入量越大，橋梁混凝土抗壓強度越低。因此，在橋梁混凝土成形早期，其抗強度和粉煤灰摻入量成反比關系。但在橋梁混凝土養護時間大于28 d時，粉煤灰摻量增多后，橋梁混凝土抗壓強度會呈現出“先增大、后減小”的基本趨勢。粉煤灰摻入量調整為30%時，橋梁混凝土結構抗壓強度變大。造成該現象的原因是橋梁混凝土中粉煤灰早期的活性低，替代水泥量越多，混凝土水化速度會變慢，產生的水化物較少。但養護時間超過28 d后，粉煤灰表面玻璃化物質、覆蓋物會溶解，粉煤灰會和水泥反應，生成C-S-H凝膠，提升橋梁混凝土黏結性，使橋梁混凝土的抗壓強度變大。

3.2.2 孔隙率

橋梁混凝土養護周期短時，粉煤灰摻入量和材料孔隙率成正比。摻量越大，材料水化產物變少，孔隙率變大，密實度減損。橋梁混凝土養護時間增加后，可利用粉煤灰活性效應，在水泥水化反應后會生成大量的水化產物，直接將混凝土材料中的孔隙填充掉，有助于減少橋梁混凝土內部孔隙率。但是粉煤灰在橋梁混凝土內的占比小于30%時，粉煤灰摻入量逐級增加過程中橋梁混凝土孔隙率會減小。粉煤灰在橋梁混凝土內的占比大于30%時，粉煤灰和水泥比例最佳，橋梁混凝土可直接利用粉煤灰活性效應減少混凝土的孔隙率，使混凝土密實度達到最大值。比如，基于30%的粉煤灰摻入量，橋梁混凝土養護時間分別為56 d、84 d時，混凝土的孔隙率分別為25.8%、23.6%，為標準橋梁混凝土的91%、89%。因此，粉煤灰摻入后，不僅可以控制水泥用量，節約造價成本，還能有效減少橋梁混凝土孔隙率，提升其后期密實度。

3.2.3 孔徑大小

橋梁混凝土養護時間為84 d時，粉煤灰摻量不同，其內部孔隙尺寸分布會存在差異。其中，孔徑小于20 nm的混凝土材料孔隙約占比為總孔隙體積的20%～30%，孔徑在20～100 nm之間的混凝土孔隙占比為50%～55%，孔徑為100～1 000 nm的混凝土孔隙占比為10%～15%。孔徑大于1 000 nm的混凝土孔隙量較少。其中，粉煤灰摻入量小于30%，粉煤灰摻入量變多時，20 nm孔徑以下孔隙占比會持續增加，大于100 nm孔徑的孔隙變少。橋梁混凝土中20 nm以上的孔隙最多，約為混凝土總孔隙體積的123.3%。

3.2.4 滲水高度和最大抗滲水壓力

橋梁混凝土滲水高度、最大抗滲水能力是直接反映混凝土抗滲性能的重要指標。粉煤灰摻入量分別為0、10%、20%、30%、40%時，養護7～84 d的橋梁混凝土抗滲性能會有明顯差異。粉煤灰摻入量為30%時，橋梁混凝土各個時期的滲水高度為21.5 mm、11.5 mm、9.9 mm、9.2 mm，最大抗滲水壓力為0.6 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.5 MPa。

橋梁混凝土養護早期，粉煤灰摻量增大會導致混凝土孔隙率變大，使得混凝土抗滲性能減弱。但由于粉煤灰可發生微集料效應，所以在混凝土養護早期會避免材料中相鄰孔隙合二為一，避免混凝土材料內部出現較大的滲漏渠道。因此，粉煤灰摻量越大，養護一星期的混凝土滲水高度會變小，約為21.5 mm，大于不摻入粉煤灰時的22.7 mm。養護時間增加后，粉煤灰會通過活性效應將材料內部充分填滿，封堵滲水通道后，改善橋梁混凝土抗滲能力。混凝土養護時間大于15 d后，材料平均滲水高度變為13.9 mm，最大抗滲水壓力不低于1 MPa。隨著粉煤灰占比增加，橋梁混凝土抗滲能力的變化規律為“先變大、后變小”，意味著養護28 d后，摻入量為20%～30%的橋梁混凝土抗滲性能良好，混凝土結構的干結強度、密實度會達到最佳。

3.2.5 抗氯離子滲透性能

混凝土氯離子擴散系數是混凝土材料的主要影響指標，可體現出混凝土滲透性質，代表著粉煤灰摻入量對混凝土表層滲水系數、微觀結構產生的影響。粉煤灰摻量增加，系數變小，對橋梁混凝土抗滲、抗腐蝕能力影響較小。摻入量持續增加到30%時，混凝土抗腐蝕性能、抗滲性能最佳。可以認為，混凝土處于早期養護階段時，混凝土內粉煤灰的數量對其性質影響較小，幾乎不會改變混凝土抗滲、抗腐蝕能力。但隨著養護時間增加到80 d，粉煤灰摻量對混凝土的影響會持續增加。

粉煤灰摻入量分別為15%、21%、31%、41%時，橋梁混凝土的橋梁抗氯離子擴散系數（10?12 m2/s）分別為9、5.5、4.1、6.2，比標準混凝土的抗氯離子擴散系數小13.5%、37.3%、46.8%和32.3%[4]。抗氯離子擴散系數越小，表示橋梁混凝土抗滲性能越強，可預防混凝土的腐蝕、銹蝕、起水泡、龜裂等質量風險。

3.2.6 坍落度和彈性模量

（1）坍落度。在保持粉煤灰、水泥等混凝土材料配比不變的情況下，粉煤灰摻入量越多，坍落度越會受到直接的影響。配置混凝土材料時，水泥顆粒會與粉煤灰相互作用，微粒之間進行“滾動效應”，逐步填充水泥顆粒，避免水分、雜物進入，同時可置換水泥內的水分，使混凝土和易性更強，HPC密度增加，坍落度增大。但是在混凝土內粉煤灰摻入量大于15%時，材料坍落度會相應遞減，意味著粉煤灰摻量越大時，混凝土坍落度控制難度越大，為獲取最佳坍落度，應將粉煤灰摻入量控制在15%～20%之間。

（2）彈性模量。粉煤灰作用于橋梁混凝土材料時，同樣會對混凝土彈性模量造成影響。粉煤灰摻入量大于20%時，彈性模量最大值為41 GPa，彈性模量整體呈增加趨勢。但粉煤灰摻入量超過25%時，混凝土彈性模量會逐漸減小。因此，雖然粉煤灰可通過填補混凝土材料空隙的方式，加快混凝土水化反應，提升橋梁混凝土結構剛度、彈性模量。但當粉煤灰摻入量超過一定配比時，彈性模量會隨之下降。相關人員應結合粉煤灰摻入后對混凝土性能的影響規律，嚴格調配混凝土材料，合理控制粉煤灰摻入量，確保混凝土整體性能保持到最佳狀態。

4 結語

綜上所述，為探究粉煤灰摻入量對橋梁混凝土抗滲性能的影響規律，該文對不同摻入量下橋梁混凝土的抗滲性能指標展開分析，通過研究可知，混凝土養護時間為7 d、粉煤灰摻入量約為29%～31%時，橋梁混凝土的抗壓強度、密實度、抗氯離子滲透系數會達到最佳。表示橋梁混凝土配置時，粉煤灰摻入量控制在30%左右時，混凝土材料會具有良好抗滲性能，對預防橋梁滲漏、強化橋梁結構安全性能意義重大。因此，相關人員在應用粉煤灰時，應嚴格控制混凝土中粉煤灰的實際摻入量，確保施工材料配置的合理性。在此基礎上，還應積極研發高性能混凝土，持續總結粉煤灰對橋梁混凝土造成的影響，掌握混凝土內部材料的作用規律，保障混凝土產品整體質量。

參考文獻

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[3]任玉杰. 三種摻粉煤灰水工混凝土抗滲性能對比試驗研究[J]. 水利科學與寒區工程， 2021（2）： 42-45.

[4]李曉琴， 周旭， 李世華. 粉煤灰摻量對PVA-ECC性能的影響[J]. 硅酸鹽通報， 2020（12）： 3783-3790.