鄭曉東，陳子寒，郭書亮

(1.河北工程大學，河北 邯鄲 056000； 2.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 408000)

1 概 述

閃電河水庫位于河北省北端的張家口市沽源縣境內(nèi),最大壩高 12 m, 壩頂長度2 836 m。水庫地處高寒地帶(海拔高程1 440 m) ,年平均氣溫為1℃～2℃ , 最冷的時候氣溫為-37℃。水庫進水塔由混凝土組成，溫差造成混凝土的凍融循環(huán)作用，對進水塔混凝土的耐久性破壞是不可逆的，甚至會嚴重影響混凝土的使用壽命。

隨著混凝土應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，導致混凝土的原材料過度消耗，對環(huán)境造成不可逆的影響。而粉煤灰和尾礦砂這兩種工業(yè)廢渣，排放量大，處理方式單一，也對環(huán)境造成嚴重影響。因此，粉煤灰和尾礦砂可以作為水泥和細骨料的替代品摻入混凝土中，既能改善混凝土性能又能對環(huán)境進行保護。

Vishal Singhal[1]用粉煤灰替代水泥后發(fā)現(xiàn)，混凝土的性能得到提升。Charith Herath[2]和Jinfeng Sun[3]均在論文中提到摻加粉煤灰后，混凝土前期強度低，后期混凝土強度會有所提升，高于普通混凝土。水膠比也會影響粉煤灰對混凝土強度影響，水膠比越高，強度越低[4]。趙丙芳[5]對粉煤灰和硅粉對寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)混凝土抗凍性能的影響進行了分析，確定了抗凍性能良好的混凝土的粉煤灰和硅粉的最優(yōu)摻量。李勇[6]研究了不同水膠比和粉煤灰摻量混凝土的耐久性能，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入比控制在0.15、水膠比控制在0.3時，混凝土抗凍融環(huán)境性能最強。王晨霞等[7]研究了粉煤灰對再生混凝土抗凍性能研究，結(jié)果表明粉煤灰摻量15%時，再生混凝土抗凍性能最好，當凍融次數(shù)達到100次以后，粉煤灰對再生混凝土促進作用開始減弱。

王雪等[8]和張肖燕[9]均對尾礦砂混凝土進行了抗凍融試驗發(fā)現(xiàn)，凍融后的強度會隨著尾礦砂的增加而得到相應(yīng)的改善。李萌等[10]對不同尾礦砂替代率的再生骨料混凝土進行立方體抗壓和軸心抗壓試驗，試驗證明不同尾礦砂取代率的混凝土強度均超過普通混凝土的強度。李天[11]對尾礦砂混凝土進行了抗拉強度試驗，試驗表明相同配合比的情況下，尾礦砂混凝土強度高于普通混凝土。姚雷等[12]發(fā)現(xiàn)C30、C40的混凝土強度隨著尾礦砂替代率增加而增加，C50的混凝土摻入尾礦砂后強度降低。

綜上所述，單摻粉煤灰或尾礦砂對混凝土抗壓強度和耐久性都有一定的影響，但是現(xiàn)有學者對兩種摻料復(fù)摻混凝土的研究較少。所以，將兩種材料復(fù)摻起來，既可以更高效地利用兩種材料，也可以改善混凝土抗凍性。所以，對復(fù)摻摻合料混凝土抗凍性機理研究是非常有必要的。本文將以進水塔混凝土為背景，進一步研究粉煤灰和尾礦砂作為摻合料對進水塔混凝土抗凍融性能的影響，對混凝土在今后工程中的應(yīng)用具有一定的指導意義。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗原材料

水泥：由河北太行水泥公司生產(chǎn)的 P.O 42.5水泥。粉煤灰：邯鄲某熱電廠Ⅱ級粉煤灰。尾礦砂：邯鄲某尾礦的尾礦砂。粗骨料：選取機制碎石作為粗骨料，20～25 mm 連續(xù)級配。細骨料：中粗砂。水。

2.2 配合比

配合比嚴格按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55-2011)進行計算，得到的配合比為水泥∶細骨料∶粗骨料∶水=438∶617∶1152∶193，W/B=0.44。然后根據(jù)不同的比例，粉煤灰替代水泥，尾礦砂替代細骨料，得到進水塔混凝土配合比。見表1。

表1 進水塔混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio of inlet tower

2.3 試驗方法

2.3.1 抗壓強度試驗

本次試驗試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，尺寸的換算系數(shù)0.95。

抗壓強度試驗采用變形控制，加載速率為0.2 mm/min。

混凝土試件抗壓強度測試，即測試加載過程中試樣所受最大應(yīng)力值，計算公式如下：

式中：σc為單軸抗壓強度，MPa；P為破壞荷載最大值，N；A為軸向承壓面積，mm2。

2.3.2 凍融循環(huán)實驗

凍融循環(huán)試驗應(yīng)用方法是快速凍融法，試驗以《普通混凝土長期性能和耐久性試驗標準》(GBT-T 50082-2009)為標準試驗。試件在(-18±2)℃和(5±2)℃內(nèi)進行凍融循環(huán)試驗。試件內(nèi)外溫差不宜超過28℃。共凍融次數(shù)為100次。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。每隔25次測量混凝土質(zhì)量變化和動彈性模量變化。

3 質(zhì)量結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度分析

3.1.1 粉煤灰混凝土抗壓強度試驗分析。

將一定量的水泥被粉煤灰替代后，抗壓強度結(jié)果見表2。

表2 粉煤灰組抗壓強度試驗結(jié)果Tab.2 Test result of compressive strength of fly ash group

由表2可知，7 d抗壓強度變化：F1>F2>F3>F4。F1組強度為36.25M Pa，F(xiàn)2組強度為24.57 MPa，F(xiàn)3組和F4組的強度為29.34和24.57 MPa。混凝土28 d強度隨著粉煤灰取代率增長而提高，F(xiàn)3組混凝土是4組中最大的抗壓強度值，強度值為48.65 MPa。

出現(xiàn)以上情況是因為在水化反應(yīng)早期粉煤灰不參與反應(yīng)，粉煤灰替代水泥后，水泥數(shù)量減小，水化反應(yīng)在早期不明顯，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠緊密，導致前期強度低。到了后期，因為粉煤灰自身活性與水泥中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，生成更致密的結(jié)構(gòu)，使混凝土后期強度得到增高[12]。28 d的強度先增長后降低，說明混凝土強度增加會隨著粉煤灰摻量增加達到一個極限值，在達到極限值以后混凝土強度會隨著摻量增加而降低。本試驗中F3組強度，就是強度的極限值。

3.1.2 尾礦砂混凝土抗壓強度分析

為了更好地分析尾礦砂對不同齡期混凝土強度的性能，用不同比例的尾礦砂來替代細骨料進行抗壓試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 尾礦砂組抗壓強度試驗結(jié)果Tab.3 Compressive strength test results of tailings sand group

由表3可知，齡期為7 d時，T1組強度為36.25 MPa，T2組的強度最高為42.86 MPa，T3和T4組的強度稍有下降，但仍高于T1組強度，強度分別為38.73和38.32 MPa。當齡期28 d時，摻有尾礦砂的混凝土強度均高于普通混凝土的強度，T3組強度最高，強度為49.61 MPa。尾礦砂形狀多為棱角狀，相對于普通砂來講，可以使砂漿部分更加堅固，所以7 d和28 d的養(yǎng)護齡期的尾礦砂混凝土高于普通混凝土。

3.1.3 復(fù)摻進水塔混凝土抗壓強度測試

根據(jù)表1的配合比制成的混凝土試件，來進行抗壓強度試驗，結(jié)果見表4。

表4 復(fù)摻進水塔混凝土抗壓強度測試結(jié)果Tab.4 Test results of compressive strength of mixed water tower concrete

由表4可知，7 d強度和28 d強度最大的均是FT2組，強度分別為40.77和51.26 MPa，后期強度變化與早期強度變化相同。結(jié)合表2和表3得到的結(jié)論可以分析出，尾礦砂比天然砂更加堅固，可以提高混凝土試塊的強度；粉煤灰早期不參加水化反應(yīng)，早期強度偏低，摻加25%尾礦砂強度最高，所以可斷定齡期7 d時，F(xiàn)T2組混凝土試件強度最高。齡期28 d時，粉煤灰參加反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，保證混凝土強度得到提升。與7 d一樣，28 d時強度最大的是FT2組。

將表4和表2的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)T2組試件的7 d強度和28 d強度比F2組的試件分別高出18.48%和12.26%；FT3組試件和F3組試件相比，7 d強度復(fù)摻混凝土相對于單摻混凝土強度降低9.16%，當齡期到28 d時，強度增加0.53%；FT4組試件7 d強度相對與F4組試件7 d強度增強7.16%，28 d時FT4組試件強度低于F4組試件強度，強度下降5.82%。

FT2組7 d強度和28 d強度增加是因為尾礦砂多棱角形狀使得混凝土變得更加堅固，使FT2組混凝土強度增加；FT3組和FT4組的強度降低是因為尾礦砂吸水性強，導致水化反應(yīng)不充分，最終導致混凝土的強度降低。

將表4和表3試驗數(shù)據(jù)進行對比，F(xiàn)T2組試件和T2組強度進行對比，7 d強度時FT2組試件強度相比于T2組的強度下降4.87%，28 d強度增加6.06%；FT3組試件相對于T3組試件來說，7 d和28 d的強度均降低了，7 d強度下降的幅度比較大，下降31.19%，28 d下降幅度較小，下降1.41%；FT4組相較于T4組，7 d和28 d強度均下降，分別下降31.29%和26.78%。

通過對比可發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻混凝土的7 d強度下降幅度大，主要因為粉煤灰前期不參加水化反應(yīng)，導致混凝土強度下降幅度大，后期適當摻加粉煤灰會生成膠凝面增加混凝土的強度，如FT2組28 d的強度是增加的，但當摻量較大時，水泥量減小，影響水化反應(yīng)，導致其強度降低。

通過上面兩組對比可以看出，F(xiàn)T2組復(fù)摻混凝土的抗壓強度最高，且強度高于同等級單摻的混凝土，當粉煤灰混凝土摻加尾礦砂混凝土中，強度變化小于尾礦砂混凝土摻加粉煤灰，復(fù)摻混凝土中FT2組的混凝土強度是最好的。

3.2 凍融循環(huán)試驗分析

3.2.1 凍融試件情況分析

由凍融試驗可知，不同配比的混凝土試件外形表現(xiàn)幾乎相同。未進行凍融的試件表面光滑，試樣結(jié)構(gòu)緊密，未發(fā)現(xiàn)損傷。25次凍融循環(huán)后，試件表面逐漸變得不光滑，有空隙出現(xiàn)，表面有砂漿脫落，結(jié)構(gòu)完整無明顯變化。試件凍融循環(huán)50次以后，表面出現(xiàn)顆粒狀砂漿，出現(xiàn)大孔徑的空隙，試件表面粗糙程度明顯增加，有粗骨料裸露出來。試件在凍融循環(huán)75次之后，表面脫落的比較嚴重，砂漿部分幾乎全部脫落，可以明顯看到粗骨料裸露出來，部分試件結(jié)構(gòu)開始遭到破壞。循環(huán)次數(shù)達到100次以后，表面砂漿全部脫落，粗骨料裸露在外，部分試件出現(xiàn)粗骨料脫落現(xiàn)象，還有一部分的試件發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)損壞嚴重。

凍融循環(huán)對混凝土造成破壞的主要原因是混凝土內(nèi)部孔隙中的水在氣溫0℃的情況下，受凍結(jié)冰，在內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力造成混凝土結(jié)構(gòu)損傷。每次循環(huán)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷不斷積累，裂縫擴展延伸直到連接成一條條的通縫，破壞也從混凝土的表面向深層發(fā)展，導致材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞[13]。見圖1。

圖1 凍融0～100次混凝土試件Fig.1 Freeze-thaw concrete specimens for 0～100 times

3.2.2 質(zhì)量損失分析

見表5和圖2。

表5 混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量變化表

圖2 凍融循環(huán)后質(zhì)量變化對比圖Fig.2 Comparison of quality changes after freeze-thaw cycles

由表5和圖2可知，在循環(huán)次數(shù)達到25次時，F(xiàn)T1組和FT3組的質(zhì)量分別減小0.11%和0.43%，F(xiàn)T2組和FT4組的質(zhì)量分別增長0.03%和0.31%；當循環(huán)次數(shù)達到50次時，除了FT2組以外，質(zhì)量損失全部增加，二組質(zhì)量增加0.15%，F(xiàn)T1組、FT3組和FT4組質(zhì)量損失分別為0.21%、0.48%和0.56%；凍融循環(huán)75次之后，F(xiàn)T1組的質(zhì)量損失0.42%，F(xiàn)T2組的質(zhì)量損失0.13%，F(xiàn)T3組和FT4組的損失最大，分別是0.81%和0.93%；凍融循環(huán)次數(shù)為100次時，F(xiàn)T1-FT4組質(zhì)量分別減小0.58%、0.17%、1.18%和1.18%。

在凍融循環(huán)的前、中期，F(xiàn)T2組和FT4組的質(zhì)量損失率都有增加，主要是因為前期的裂縫逐漸擴大，試件的含水率提高，導致質(zhì)量增長[14]。到了后期，試件受凍融作用影響，表面的砂漿和粗骨料開始脫落，這是導致質(zhì)量損失的最主要的原因之一。通過圖3可以看出，F(xiàn)T2組的質(zhì)量損失是最穩(wěn)定的，因為粉煤灰可以通過加強混凝土的強度，提高混凝土的密實度，來降低凍融作用所帶來的影響。但是當過量摻加后會影響水化反應(yīng)，導致強度降低；尾礦砂可以使試件變得堅硬，抗?jié)B性強，尾礦砂相對于粉煤灰來說對混凝土的水化反應(yīng)影響較小，進而對混凝土的質(zhì)量損失影響較小。綜合以上結(jié)果,質(zhì)量損失最小配合比的是FT2組試件。

圖3 凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率變化圖Fig.3 Change of mass loss rate after freeze-thaw cycle

3.2.3 動彈性模量分析

動彈性模量是反映混凝土內(nèi)部致密性和性能變化的重要指標之一，它可以直接反映出混凝土性能的衰減。由表6、圖4和圖5可知，F(xiàn)T1組未摻加任何摻合料的普通混凝土的動彈性模量隨著凍融次數(shù)的增加而降低，相對動彈性模量分別為86.9%、84.1%、79.98%和64.43%；FT2組下降的幅度相對于FT1組來說較緩，在75次以后還有短暫上升；FT2組在25～100次的凍融循環(huán)中的相對彈性模量分別為88%、88.1%、70.25%和76.47%；FT3組的動彈性模量變化曲線和FT2組的變化曲線大致相似，凍融次數(shù)在0～25次時下降的比較明顯，之后下降趨勢平緩，相對動彈性模量從93.7%下降至64.41%；FT4組在第100次時試件發(fā)生斷裂，試件發(fā)生的斷裂的原因是粉煤灰摻量過高，進而影響了水化反應(yīng)，導致混凝土試件強度降低，F(xiàn)T4組的凍融循環(huán)次數(shù)25～75次時的動彈性模量為85.39%、76.03%和61.97%。

圖4 凍融循環(huán)后動彈性模量變化對比圖Fig.4 Comparison chart of dynamic elastic modulus changes after freeze-thaw cycles

圖5 凍融循環(huán)后相對動彈性模量變化對比圖Fig.5 Comparison chart of relative dynamic elastic modulus changes after freeze-thaw cycles

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，水化反應(yīng)是影響混凝土試件強度的關(guān)鍵因素，水化反應(yīng)越完全，強度越高，抗凍融的效果越好，當粉煤灰摻量為10%時，少量替代水泥不會影響水化反應(yīng)，粉煤灰可以生成C-S-H膠凝使混凝土強度增高。當粉煤灰摻量達到20%和30%時，水泥替代率相對較大，影響水化反應(yīng)，前期粉煤灰不參與反應(yīng)，試件強度較低，導致動彈性模量下降較快；后期粉煤灰反應(yīng)生成膠凝，可以使混凝土的強度有所提升，致使動彈性模量下降緩慢。尾礦砂的棱角顆粒可以使混凝土變得堅固，但是吸水能力強，過量摻加也會影響水化反應(yīng)，進而使混凝土試件強度降低，應(yīng)變較快，導致動彈性模量下降。FT2組試件在凍融循環(huán)后期動彈性模量提高，參照表4可知FT2組的強度在后期因為粉煤灰形成的膠凝而提高，同樣到了循環(huán)后期，F(xiàn)T2組強度提升導致動彈性模量增高。

4 結(jié)論與展望

本文以閃電河水庫進水塔混凝土為例，對4組摻有不同比例的粉煤灰和尾礦砂混凝土進行了抗凍融試驗和抗壓強度試驗，分析了復(fù)摻摻合料進水塔混凝土抗凍融機理，提出了復(fù)摻摻合料的最優(yōu)摻量，結(jié)論如下：

1) 當混凝土只摻加粉煤灰來代替水泥時，在齡期28 d時抗壓強度在摻量為20%時最強，在養(yǎng)護早期，摻量越大，強度越低；尾礦砂混凝土強度均高于普通混凝土的強度，強度在摻量50%時強度最高；復(fù)摻混凝土粉煤灰摻量為10%、尾礦砂為25%的情況下強度最高。

2) 試件進行凍融循環(huán)試驗時，F(xiàn)T1和FT3組的試件質(zhì)量損失一直下降，F(xiàn)T2和FT4組在前期有短暫的上升，F(xiàn)T2組的質(zhì)量損失小于普通混凝土；動彈性模量方面，F(xiàn)T1組、FT3組和FT4組動彈性模量隨著凍融次數(shù)增加而降低，F(xiàn)T2組在后期有個提升。

3) 試驗結(jié)果表明，F(xiàn)T2組試件強度最優(yōu)。