改性硅灰和粉煤灰對水工混凝土性能影響探究

計興旺

(喀左縣水利事務服務中心,遼寧 朝陽 122300)

水工結構長期受地下水滲透、鹽類侵蝕、堿骨料及凍融破壞等因素影響,其長效穩定安全運行面臨著嚴峻形勢,為滿足工程結構要求需要針對特殊環境配制性能更好的混凝土[1]。在建設過程中大多數水利工程都會受到不同程度的堿活性骨料影響,并且許多位于地下的構筑物容易受土壤和地下水內的侵蝕物質破壞,大大降低其耐久性,為保證水利工程長效安全穩定和整體質量,需要采取改進措施提升混凝土的抗鹽侵蝕和堿骨料反應抑制能力。針對堿骨料問題,研究學者提出利用輔助膠凝材料或廢舊輪胎橡膠粉、硅灰與粉煤灰復摻等進行控制和改善,如王逸然等探討了混凝土受不容濃度、種類鹽溶液的侵蝕損傷作用,結合試驗數據分析了損傷變量與干濕循環次數間的關系;王曉波研究了水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力受礦渣粉和粉煤灰的影響作用,并提出摻粉煤灰混凝土不宜用于干濕交替地區,要降低侵蝕破壞作用可以摻入適量礦渣粉;廖孟柯等試驗分析了鹽漬土條件下混凝土的抗侵蝕能力及其受磨細礦渣粉的影響作用[2-4]。因此,文章以改性硅灰、粉煤灰和水膠比為變量,對比分析了不同配合比混凝土的抗鹽侵蝕性、骨料堿活性、滲透性和強度,旨在為提升類似地區水工結構耐久性提供一定技術支持。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥:山水工源P·O 42.5R級普硅水泥,比表面積368m2/kg,平均密度3.11g/cm3,初、終凝時間165min和210min,3d、28d抗壓強度30.1MPa和47.2MPa。

摻合料:大連恒翔F類Ⅱ級粉煤灰,比表面積461m2/kg,密度2.25g/cm3,燒失量6.1%,細度20.4%,SO3含量1.0%,需水量比104%;大連金橋廠生產的改性硅灰,比表面積2000m2/kg。

骨料:天然松散河砂,孔隙率36%,吸水率1.2%,細度模數2.8,Ⅱ區中砂;堿硅酸活性較強的火山灰凝灰巖碎石,粒徑5～20mm,孔隙率40%,吸水率0.75%,松散堆積密度1610kg/m3,針片狀含量5%,壓碎指標2.8%。

外加劑:固含量22%的聚羧酸減水劑,減水率28%,拌和水用當地自來水。

1.2 配合比設計

根據《水工混凝土配合比設計規程》試驗設置改性硅灰(5%)+粉煤灰(45%、35%、25%)三種摻合料和三種水膠比(0.30、0.35、0.40)的配合比,如表1所示。

表1 試驗配合比設計

1.3 試驗方法

依據《水工混凝土試驗規程》進行拌和物的成型、養護及性能測試,標養環境濕度>95%,溫度(20±2)℃,待規定齡期時取出測試相應的強度、滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性和抑制堿骨料活性。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度分析

不同齡期S1～S9組試塊抗壓強度變化特征如圖1所示。

圖1 抗壓強度測試數據

由圖1可知,水膠比相同情況下試塊強度隨粉煤灰替代量的增大而減小,究其原因是粉煤灰降低了水泥量,從而減小了骨料間的黏結力和整體強度;粉煤灰摻量相同情況下試塊強度隨水膠比的增大而減小,這是因為水膠比過大會導致裂隙的形成,使得整體強度明顯下降;改性硅灰用量相同情況下,粉煤灰可以提升拌和物性能,但不利于早期強度發展,應控制粉煤灰用量處于合理范圍[5-6]。

2.2 抗滲數據分析

標養28d時S1～S9組試塊的滲水高度和電通量試驗數據如圖2所示。

圖2 滲水高度及電通量測試數據

由圖2可知,在氯離子溶液中各組試塊的電通量變化范圍為300～600C,符合<1000C的抗滲要求。因此,試驗設計的各組配合比具有較低的氯離子滲透性。另外,水膠比相同情況下電通量受粉煤灰摻量的影響較小,粉煤灰摻量相同情況下電通量隨水膠比的增加明顯增大,究其原因是水膠比越大則內部形成的連通毛細管就越多,從而使得游離水含量及其鹽水吸收能力提高,故實際工程中的水膠比不宜超過0.35。結合滲水高度可知,摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比0.35的S4組試塊滲水高度最小為16.7mm,其次是摻5%改性硅灰+35%粉煤灰、水膠比0.40的S8組試塊,該組滲水高度17.8mm,而摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比0.30組試塊的滲水高度最大為34.6mm。所以,粉煤灰和水膠比都會對康盛性造成影響,這是因為水膠比較小會增大拌和難度,因拌和不均勻導致孔隙率提高,而水膠比過高又會產生硬化裂隙,摻入粉煤灰具有一定的填充效應,有利于減少內部結構孔隙和部分用水量,從而提升整體密實度和抗滲性。然而,粉煤灰摻量過高會導致參與水化反應的膠材用量不足,不利于整體抗滲性的提升。

2.3 抑制堿骨料反應

受限于骨料生產條件,在水利工程建設中不可避免地會使用到堿活性骨料,有必要探討堿骨料反應抑制作用。不同齡期S1～S9組試件膨脹率利用快速砂漿棒法進行測定,結果見圖3。

圖3 膨脹率測試數據

由圖3可知,摻改性活粉和粉煤灰條件下,各組試件標養14d的膨脹率均<0.20%,膨脹率最大值出現在14d齡期的0.03%。依據工程實踐和相關資料,14d齡期時普通混凝土膨脹率為0.24%,可見改性硅灰與粉煤灰的摻入可以有效降低膨脹率,降低率達到75%以上[7]。究其原因是改性硅灰與粉煤灰在硬化過程中具有一定的火山灰效應,可通過消耗和吸收大量堿物質達到較好的堿骨料反應抑制作用[8]。

2.4 抗硫酸鹽侵蝕分析

各組試塊的抗硫酸鹽侵蝕性能選用“浸泡試驗法”進行測試評價,可利用下式計算抗蝕系數k以反映其抗侵蝕能力,即:

k=f侵蝕溶液/f淡水

(1)

式中:f侵蝕溶液、f淡水為侵蝕性溶液和淡水中浸泡條件下的試塊抗折強度,MPa。

不同濃度硫酸鹽溶液浸泡條件下28d齡期各組試塊的抗蝕系數如圖4所示。

圖4 耐蝕系數測試數據

由圖4可知,各組試塊在硫酸鹽濃度1g/L時相差較小,總體圍繞0.98上下波動,說明混凝土強度受低濃度硫酸鹽的影響較小;硫酸鹽濃度增大到4g/L時,抗蝕系數最大值為S1組的0.97,最小值為S3組的0.92;進一步增大硫酸鹽濃度達到10g/L時,抗蝕系數最大值為S1組的0.92,最小值為S5組的0.88;繼續增大硫酸鹽濃度達到20g/L時,抗蝕系數最大值為S1組的0.90,最小值為S6組的0.83。總體而言,混凝土抗蝕系數隨著硫酸鹽濃度的增大呈不斷下降趨勢,說明混凝土受侵蝕程度逐漸加劇。滲入的硫酸鹽經一系列化學反應會生成鈣礬石、石膏等膨脹性物質,一旦基體自身抗拉強度不足以抵抗膨脹應力就會形成裂縫,而裂縫的出現會進一步導致更多的離子滲入,由此循環往復加速混凝土破壞[9]。所以,當達到一定的硫酸鹽濃度時應盡量降低水泥基內的堿含量,即用改性硅灰和粉煤灰替代水泥有利于減少水化氯酸鈣的形成,然而粉煤灰摻量過高又會影響水化反應,降低混凝土密實度和抗侵蝕能力。依據現有研究成果,將混凝土抗侵蝕能力判定標準設定為抗蝕系數是否>0.8,結合圖4試驗數據可知,本試驗所配制的各組混凝土抗蝕系數均超過0.8,說明各組試塊的抗侵蝕能力整體較好。

2.5 配合比優化

結合以上分析結果,綜合考慮抗硫酸鹽侵蝕能力、堿骨料反應抑制效果、抗滲性和抗壓強度等因素,研究認為整體性能最優的是S1組試塊,即摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比0.30組混凝土。該條件下的抗侵蝕、抗滲透和力學強度最優,并且具有較好的堿骨料抑制作用,所以推薦該組配合比供水利工程施工單位選用[10-12]。由于可泵送性能及水量損失等因素均會在一定程度上影響混凝土的澆筑施工,可結合具體情況適當調整,最終給出優化后的配合比以備選用,如表2所示。

表2 優化配合比

3 結 論

文章通過抗硫酸鹽侵蝕、抑制堿骨料反應、滲透和強度試驗,探討了改性硅灰+粉煤灰摻量和水膠比對水工混凝土性能的影響。結果表明,在固定改性硅灰摻量條件下,粉煤灰摻量和水膠比不宜過大,摻5%改性硅灰+25%粉煤灰、水膠比為0.30組的混凝土整體性能最優,研究成果可以為水工混凝土配合比設計及其耐久性提升提供一定技術指導。