粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律研究

李益文

（四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

粉煤灰作為一種常用的混凝土摻和料，在提高混凝土性能和降低環(huán)境污染方面發(fā)揮著重要作用。因此，研究粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律，對于提高橋梁結構的耐久性和安全性至關重要。粉煤灰加入量、粒徑分布、化學成分等因素將直接影響混凝土的抗?jié)B性能。針對不同類型的橋梁混凝土，研究粉煤灰摻和后的混凝土抗?jié)B性能，可以為橋梁工程實踐提供科學的技術支撐。同時，通過深入探討粉煤灰對混凝土孔隙結構、水泥水化產物以及滲透性能的影響機理，可以為混凝土配合比設計和橋梁工程施工提供理論指導，從而促進橋梁混凝土結構的耐久性和可持續(xù)發(fā)展。

1 試驗原料與設備

1.1 試驗原料

在粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能影響的研究試驗中，試驗原材料包括水泥、粉煤灰、砂、骨料和外加劑。水泥作為混凝土的主要膠凝材料，在試驗中起著關鍵作用，其品種和用量將直接影響混凝土的抗?jié)B性能。同時，粉煤灰作為一種常用的混凝土摻和料，其細度和含量對混凝土的抗?jié)B性能有顯著影響。砂和骨料是混凝土的骨架材料，其級配及用量會影響混凝土的孔隙結構和滲透性能。

此外，添加外加劑也是影響混凝土抗?jié)B性能的重要因素，不同類型的外加劑會對混凝土的工作性能和耐久性產生不同影響。在試驗中要精確控制此類原材料的配合比和性能參數(shù)，從而準確評價粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響[1]。試驗中所用粉煤灰和水泥的參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 水泥基本參數(shù)

表2 粉煤灰基本參數(shù)

為了研究混凝土抗?jié)B性能、抗壓強度等指標受粉煤灰養(yǎng)護時間以及摻和量的具體影響和規(guī)律，分別取0%～50% 的粉煤灰摻量，7d、24d、56d 和84d 養(yǎng)護時間，其配合比情況如表3 所示。

表3 粉煤灰混凝土配合比

1.2 試驗方法

1.2.1 立方體單軸壓縮試驗法

通過立方體單軸壓縮試驗方法進行抗強度測試，可以有效研究粉煤灰對混凝土的影響規(guī)律。首先，準備符合標準要求的混凝土配合比和粉煤灰摻和比例，同時確保試驗設備完好無損，試驗環(huán)境符合要求。其次，按照預定配合比將水泥、粉煤灰、骨料等原材料進行配合，并進行充分的攪拌，以確保混凝土的均勻性和穩(wěn)定性。最后，根據(jù)試驗計劃制作立方體混凝土試件，并進行標號、記錄等必要的準備工作。在試驗過程中，需要將試件放置在試驗機上，并根據(jù)標準要求施加逐漸增大的壓力，直至試件發(fā)生破壞。在此過程中，需要實時記錄壓力值和位移數(shù)值，并觀察試件的破壞形態(tài)和過程。通過分析試驗數(shù)據(jù)，可以得出不同粉煤灰摻和比例對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，并揭示粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響機理。還可以探討不同因素對試驗結果的影響，從而為進一步優(yōu)化混凝土配合比和工程應用提供科學依據(jù)[2]。

1.2.2 逐級加載法

逐級加載法是一種常用的測試方法，通過逐漸增加水壓力來模擬混凝土受到不同水壓力時的抗?jié)B性能。選取不同摻量的粉煤灰混凝土作為研究對象，如0%、10%、20%和30%的粉煤灰摻量，以及相應配比的普通混凝土作為對照組。針對每種混凝土樣品進行逐級加載法的抗?jié)B性能測試。在測試過程中應嚴格控制水壓力的增加速度，以確保每個階段的水壓力變化均勻持續(xù)，同時模擬混凝土在實際使用中受到的不同水壓力環(huán)境。為了準確評估混凝土的抗?jié)B性能，應采用先進的水壓試驗設備，并結合數(shù)字化數(shù)據(jù)記錄和分析系統(tǒng)，實時監(jiān)測并記錄混凝土試樣在不同水壓力下的滲水情況和變化規(guī)律。通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，可以準確地評估不同摻量粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能，并揭示其與粉煤灰摻量之間的關系。

1.2.3 壓汞試驗法

采用壓汞試驗方法，可以測試粉煤灰混凝土的孔隙結構。首先，將試件置于壓汞儀器內，其次逐步增加壓力，使汞液滲入混凝土的孔隙結構中。在試驗過程中，需要記錄不同壓力下汞液的滲入量，并及時觀察壓力與滲入量之間的關系。同時，通過壓汞試驗獲得的數(shù)據(jù)，可以計算出混凝土的孔隙結構參數(shù)，如孔隙度、孔隙分布等，也可以通過公式或圖表對該參數(shù)進行具體描述和分析，從而揭示粉煤灰對混凝土孔隙結構的影響規(guī)律。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和分析結果，可以得出粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律。

2 試驗結果分析

2.1 立方體單軸抗壓強度

根據(jù)已有研究資料，了解到加入粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的抗?jié)B性能。粉煤灰內部微觀結構的特點使其具有較高的活性，當其與水泥在混凝土中發(fā)生反應時，形成更多的水化產物，能夠填充混凝土內部的微觀孔隙結構，從而提高混凝土的致密性和抗?jié)B性能。針對以上理論基礎進行立方體單軸抗壓強度試驗，得到相應的試驗結果。選取不同摻量下的粉煤灰混凝土樣品，恰當養(yǎng)護后進行立方體單軸抗壓強度試驗。圖1 為不同粉煤灰摻量時混凝土的抗壓強度。試驗結果顯示，在混凝土齡期為7d 時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。說明在早期階段，加入粉煤灰會對混凝土的抗壓強度造成一定程度的影響。當齡期大于28d 時，混凝土抗壓強度會隨粉煤灰摻量增加而呈現(xiàn)先增后減的狀態(tài)。摻量為30%時抗壓強度最大。此現(xiàn)象與之前的描述相吻合，即隨著養(yǎng)護時間的增長，粉煤灰對混凝土的抗壓強度影響逐漸顯現(xiàn)，甚至出現(xiàn)一定程度的增強效應。

圖1 混凝土的抗壓強度曲線

通過對立方體單軸抗壓強度試驗結果進行分析，可以初步推斷出粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律。在早期階段，粉煤灰的加入可能對混凝土的抗壓強度產生負面影響，但隨著養(yǎng)護時間增長，粉煤灰對混凝土的后期抗壓強度有明顯的提高作用。

2.2 內部孔隙分布

2.2.1 總孔隙率

研究結果顯示，當粉煤灰摻量不同，養(yǎng)護時間較短時，如果粉煤灰摻量增加，則水化產物會出現(xiàn)減少趨勢，混凝土孔隙率增大。當齡期增長時，粉煤灰活性效應逐漸起作用，導致水化產物逐漸增多，并將混凝土內部孔隙填充，從而使孔隙率下降。具體來看，當粉煤灰摻量小于30%時，孔隙率隨摻量增加而減小；而當粉煤灰摻量為30%時，其活性效應得到最有效的發(fā)揮，混凝土密實度達到最大值，且內部總孔隙率會顯著降低，分別為25.7%和24.6%，是基準混凝土的92%和88%。表明加入粉煤灰會改善孔隙結構，從而改善混凝土抗?jié)B性能和密實度。此外，粉煤灰的加入不僅可以節(jié)省橋梁混凝土的造價，還能提高橋梁混凝土后期的密實度，為工程施工和維護帶來積極的經(jīng)濟和環(huán)保效益。粉煤灰在橋梁混凝土中的應用具有重要意義，可以有效改善混凝土的性能并延長其使用壽命。

2.2.2 孔徑分布

根據(jù)試驗結果顯示，橋梁混凝土內部的孔隙尺寸分布受粉煤灰摻量的影響而發(fā)生變化。當養(yǎng)護時間為84d 時，不同粉煤灰摻量條件下的孔隙尺寸分布呈現(xiàn)出明顯的變化。隨著粉煤灰摻量的增加，20nm 以下孔隙體積增大，100nm 以上孔隙總體積減小，說明加入粉煤灰可以有效填充和減少較大孔隙，同時增加了較小孔隙的體積，從而均勻閉合了混凝土內部的孔隙結構。

通過對混凝土內部孔隙尺寸分布的定量進行分析，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的加入對不同尺寸孔隙的影響程度各異。當粉煤灰摻量為30%時，橋梁混凝土20nm 以上的孔隙體積是基準混凝土的124.3%，但100nm 以上的孔隙體積僅是基準混凝土的57.4%。說明粉煤灰對大孔隙的填充效果更加顯著，有利于減少混凝土內部的滲透路徑，從而提高混凝土的致密性和抗?jié)B性能。

結合以上分析結果可知，粉煤灰對橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律主要體現(xiàn)在調控混凝土內部孔隙結構上。加入粉煤灰能夠有效填充和減少較大孔隙，并增加了較小孔隙的體積，從而均勻閉合混凝土內部的孔隙結構。此作用使混凝土具有更加致密的內部結構，同時減少滲透路徑，提高混凝土的抗?jié)B性能。

2.3 滲水高度和最大抗?jié)B水壓力

根據(jù)表4 可知，橋梁混凝土7d 齡期下的情況：隨著粉煤灰摻量的增加，橋梁混凝土的孔隙率逐漸增大，一般情況下會給抗?jié)B能力產生不利影響。然而，由于粉煤灰具有微集料效應，能夠在一定程度上阻隔相鄰孔隙的連接，從而封閉混凝土內部的滲水通道。因此，雖然孔隙率有所增大，但實際在7d 齡期下，橋梁混凝土的滲水高度逐漸減小，抗?jié)B水壓力則增大。

表4 混凝土滲水高度與最大抗?jié)B水壓力情況

隨著養(yǎng)護時間延長，粉煤灰的活性效應逐漸顯現(xiàn)，并與水泥發(fā)生二次反應，生成的產物填充了混凝土內部的滲水通道，從而大大提高橋梁混凝土的抗?jié)B能力。當養(yǎng)護齡期大于28d 時，粉煤灰混凝土的滲水高度均小于14.9mm，而最大抗?jié)B水壓力則達到1MPa以上，表明橋梁混凝土的抗?jié)B能力得到了顯著提高。

隨著粉煤灰摻量的增大，橋梁混凝土的抗?jié)B能力呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。具體原因為20%～30%的粉煤灰摻量能夠使橋梁混凝土的黏結強度和密實度處于最佳狀態(tài)，并能使?jié)B水通道面積最小化，從而達到最佳的抗?jié)B效果。

2.4 抗氯離子滲透性能

圖2 為混凝土抗氯離子滲透系數(shù)與粉煤灰摻量關系圖。

圖2 混凝土抗氯離子滲透系數(shù)變化曲線

試驗結果表明，粉煤灰在不同摻量下對混凝土抗氯離子滲透性能的影響呈現(xiàn)出一定規(guī)律。首先，隨著粉煤灰摻量的增加，橋梁混凝土的抗氯離子滲透性能逐漸改善。該觀察結果與混凝土內部孔隙結構的變化密切相關，粉煤灰的細微顆粒可以填充混凝土中的微觀孔隙，從而減少氯離子在混凝土中擴散。其次，隨著養(yǎng)護時間延長，粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的提升效果逐漸顯現(xiàn)并增強。試驗數(shù)據(jù)顯示，當養(yǎng)護齡期達到84d 時，不同摻量粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數(shù)分別比基準混凝土降低了13.6%、38.3%、45.8%、33.3%，即隨著時間的推移，粉煤灰的優(yōu)化作用逐漸顯現(xiàn)，并且不同摻量下的混凝土產生了明顯的差異。粉煤灰早期對橋梁混凝土抗?jié)B和抗腐蝕能力的提升幅度明顯小于后期，表明粉煤灰對混凝土性能的改善作用會隨著時間推移而逐漸積累、提升。同時，在實際工程中，需要充分考慮混凝土養(yǎng)護時間對粉煤灰影響的持久性。

3 結語

文章旨在通過對粉煤灰摻和橋梁混凝土的抗?jié)B性能影響規(guī)律進行系統(tǒng)研究，探討不同摻和下粉煤灰對混凝土孔隙結構、水化產物形成、滲透性等性能的影響機理，并通過試驗驗證和數(shù)值模擬分析，為推廣粉煤灰在橋梁混凝土中的應用提供科學依據(jù)和技術支撐。同時，本文的研究成果對于指導工程實踐、提高橋梁結構的耐久性和安全性，具有重要的理論和實用價值。