摘要 要想有效應(yīng)用粉煤灰，改善橋梁混凝土整體性能，則應(yīng)明確粉煤灰摻入量對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律，嚴(yán)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(jié)合粉煤灰的基本性質(zhì)，分析了粉煤灰對(duì)橋梁混凝土的影響，深入研究了粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律。通過(guò)研究可知，粉煤灰摻入量控制在29%～31%時(shí)，橋梁混凝土抗?jié)B性能會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 粉煤灰；橋梁混凝土；抗?jié)B性能；摻入量

中圖分類號(hào) TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）07-0082-03

0 引言

近年來(lái)，混凝土在新時(shí)期公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，而粉煤灰是混凝土混合料的關(guān)鍵材料，其摻入量會(huì)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(wěn)定性。為合理控制橋梁混凝土中的粉煤灰摻入量，應(yīng)結(jié)合粉煤灰對(duì)橋梁混凝土的影響情況，優(yōu)化橋梁混凝土的材料配置，保障橋梁混凝土應(yīng)用效果，提升橋梁工程建設(shè)質(zhì)量。

1 粉煤灰性質(zhì)分析

粉煤灰多產(chǎn)生于火力發(fā)電活動(dòng)，是煤炭燃燒后產(chǎn)生的固體廢渣。1935年后，相關(guān)學(xué)者嘗試將其應(yīng)用在混凝土中，研究發(fā)現(xiàn)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(zhì)如表1所示。

粉煤灰中的化學(xué)物質(zhì)較多，但對(duì)于來(lái)源不同的粉煤灰，其內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)含量會(huì)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(duì)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(dòng)性、黏結(jié)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(shù)變小，可避免溫度升高后混凝土材料發(fā)生水熱化反應(yīng)，進(jìn)而預(yù)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(zhì)，延緩其骨料反應(yīng)、自收縮速度，減少橋梁工程中混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 早期強(qiáng)度

橋梁混凝土中摻入大量粉煤灰后，其早期強(qiáng)度會(huì)明顯減少。主要原理是粉煤灰摻入后混凝土內(nèi)水泥、水?dāng)?shù)量變少，混凝土水化速度變緩，凝固時(shí)間變長(zhǎng)，早期強(qiáng)度較弱。因此，應(yīng)用粉煤灰時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格控制粉煤灰摻入量，優(yōu)化橋梁混凝土配合比。必要時(shí)可摻入適量外加劑、激發(fā)劑、其他摻料，如礦渣、硅灰，借此彌補(bǔ)粉煤灰的性能缺陷，提升混凝土早期強(qiáng)度[2]。

2.4 抗碳化性能

粉煤灰可通過(guò)水化反應(yīng)，使混凝土材料中Ca（OH）2數(shù)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(guò)粉煤灰摻入量的控制，增加混凝土材料的堿性強(qiáng)度、抗?jié)B性能。另外，研究表明，混凝土澆筑、振搗結(jié)束后的養(yǎng)護(hù)效果會(huì)改變粉煤灰摻入后材料的抗碳化能力。施工結(jié)束后，應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)，浸潤(rùn)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(nèi)材料系數(shù)改變，水泥孔隙比降低，材料密實(shí)度提高。二次水化反應(yīng)后，粉煤灰與水泥反應(yīng)后的產(chǎn)生物會(huì)封堵材料空隙，提升混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能，避免雜物、有害介質(zhì)落入，有助于預(yù)防鋼筋銹蝕，減少混凝土裂縫、表皮脫落風(fēng)險(xiǎn)，使橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性符合工程建設(shè)要求。

2.6 密實(shí)度

粉煤灰摻入后，其分子結(jié)構(gòu)不會(huì)立即改變，會(huì)長(zhǎng)期處于原始狀態(tài)，材料表面粗糙、不規(guī)則，具有較強(qiáng)粘連性。但制作“粉煤灰混凝土”時(shí)，會(huì)通過(guò)球磨機(jī)預(yù)先處理粉煤灰，使粉煤灰分子排列方式改變，內(nèi)部顆粒重新組合排列后有助于粉煤灰混凝土的水化反應(yīng)。并且粉煤灰和氧氣接觸后，內(nèi)部未燃燒部分會(huì)與水泥進(jìn)行水化反應(yīng)，產(chǎn)生堿含量較低的凝膠，該類物質(zhì)濃度較高，可填充粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)，提升混凝土密實(shí)度。

3 粉煤灰對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律

3.1 抗?jié)B性能測(cè)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(xì)砂、粉煤灰、水泥、減水劑、自來(lái)水，具體配比如表2所示。配置完成后，分別取不同摻入量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土材料進(jìn)行抗?jié)B性能測(cè)試。

其次，采用“立方體單軸壓縮試驗(yàn)”“逐級(jí)加載法”進(jìn)行混凝土材料抗壓強(qiáng)度測(cè)試和抗?jié)B性能測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中的密封材料為石蠟、松香，樣品數(shù)量為5個(gè)，每次測(cè)試時(shí)逐級(jí)設(shè)置的壓力為0.1 MPa，樣品被水穿透后需記錄試驗(yàn)活動(dòng)中的水壓力、試件滲水高度。最大抗?jié)B水壓力的計(jì)算公式為：

A0=A1?0.1 （1）

式中，A——混凝土最大抗?jié)B水壓力（MPa）；A1——混凝土樣品被水滲透時(shí)的水壓力（MPa）。

最后，通過(guò)壓痕試驗(yàn)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定法測(cè)試混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和抗氯離子滲透性能，分析摻入粉煤灰的橋梁混凝土的抗?jié)B性能。其中，壓汞試驗(yàn)可測(cè)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?jié)B性能影響規(guī)律分析

橋梁混凝土抗?jié)B性能指標(biāo)較多，抗壓強(qiáng)度、孔隙率、孔徑大小及其占比屬于間接抗?jié)B指標(biāo)，而混凝土滲水高度和最大抗?jié)B水壓力、抗氯離子滲透性能會(huì)直接反映混凝土抗?jié)B性能。為掌握粉煤灰對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律，需全面分析各項(xiàng)抗?jié)B性能指標(biāo)的變化規(guī)律。

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)表明，橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，粉煤灰摻入量越大，橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度越低。因此，在橋梁混凝土成形早期，其抗強(qiáng)度和粉煤灰摻入量成反比關(guān)系。但在橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于28 d時(shí)，粉煤灰摻量增多后，橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出“先增大、后減小”的基本趨勢(shì)。粉煤灰摻入量調(diào)整為30%時(shí)，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度變大。造成該現(xiàn)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(huì)變慢，產(chǎn)生的水化物較少。但養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)28 d后，粉煤灰表面玻璃化物質(zhì)、覆蓋物會(huì)溶解，粉煤灰會(huì)和水泥反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，提升橋梁混凝土黏結(jié)性，使橋梁混凝土的抗壓強(qiáng)度變大。

3.2.2 孔隙率

橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)周期短時(shí)，粉煤灰摻入量和材料孔隙率成正比。摻量越大，材料水化產(chǎn)物變少，孔隙率變大，密實(shí)度減損。橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加后，可利用粉煤灰活性效應(yīng)，在水泥水化反應(yīng)后會(huì)生成大量的水化產(chǎn)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(nèi)部孔隙率。但是粉煤灰在橋梁混凝土內(nèi)的占比小于30%時(shí)，粉煤灰摻入量逐級(jí)增加過(guò)程中橋梁混凝土孔隙率會(huì)減小。粉煤灰在橋梁混凝土內(nèi)的占比大于30%時(shí)，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(yīng)減少混凝土的孔隙率，使混凝土密實(shí)度達(dá)到最大值。比如，基于30%的粉煤灰摻入量，橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為56 d、84 d時(shí)，混凝土的孔隙率分別為25.8%、23.6%，為標(biāo)準(zhǔn)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(jié)約造價(jià)成本，還能有效減少橋梁混凝土孔隙率，提升其后期密實(shí)度。

3.2.3 孔徑大小

橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為84 d時(shí)，粉煤灰摻量不同，其內(nèi)部孔隙尺寸分布會(huì)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%?？讖酱笥? 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(shí)，20 nm孔徑以下孔隙占比會(huì)持續(xù)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?jié)B水壓力

橋梁混凝土滲水高度、最大抗?jié)B水能力是直接反映混凝土抗?jié)B性能的重要指標(biāo)。粉煤灰摻入量分別為0、10%、20%、30%、40%時(shí)，養(yǎng)護(hù)7～84 d的橋梁混凝土抗?jié)B性能會(huì)有明顯差異。粉煤灰摻入量為30%時(shí)，橋梁混凝土各個(gè)時(shí)期的滲水高度為21.5 mm、11.5 mm、9.9 mm、9.2 mm，最大抗?jié)B水壓力為0.6 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.5 MPa。

橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)早期，粉煤灰摻量增大會(huì)導(dǎo)致混凝土孔隙率變大，使得混凝土抗?jié)B性能減弱。但由于粉煤灰可發(fā)生微集料效應(yīng)，所以在混凝土養(yǎng)護(hù)早期會(huì)避免材料中相鄰孔隙合二為一，避免混凝土材料內(nèi)部出現(xiàn)較大的滲漏渠道。因此，粉煤灰摻量越大，養(yǎng)護(hù)一星期的混凝土滲水高度會(huì)變小，約為21.5 mm，大于不摻入粉煤灰時(shí)的22.7 mm。養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加后，粉煤灰會(huì)通過(guò)活性效應(yīng)將材料內(nèi)部充分填滿，封堵滲水通道后，改善橋梁混凝土抗?jié)B能力。混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于15 d后，材料平均滲水高度變?yōu)?3.9 mm，最大抗?jié)B水壓力不低于1 MPa。隨著粉煤灰占比增加，橋梁混凝土抗?jié)B能力的變化規(guī)律為“先變大、后變小”，意味著養(yǎng)護(hù)28 d后，摻入量為20%～30%的橋梁混凝土抗?jié)B性能良好，混凝土結(jié)構(gòu)的干結(jié)強(qiáng)度、密實(shí)度會(huì)達(dá)到最佳。

3.2.5 抗氯離子滲透性能

混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)是混凝土材料的主要影響指標(biāo)，可體現(xiàn)出混凝土滲透性質(zhì)，代表著粉煤灰摻入量對(duì)混凝土表層滲水系數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。粉煤灰摻量增加，系數(shù)變小，對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B、抗腐蝕能力影響較小。摻入量持續(xù)增加到30%時(shí)，混凝土抗腐蝕性能、抗?jié)B性能最佳?？梢哉J(rèn)為，混凝土處于早期養(yǎng)護(hù)階段時(shí)，混凝土內(nèi)粉煤灰的數(shù)量對(duì)其性質(zhì)影響較小，幾乎不會(huì)改變混凝土抗?jié)B、抗腐蝕能力。但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加到80 d，粉煤灰摻量對(duì)混凝土的影響會(huì)持續(xù)增加。

粉煤灰摻入量分別為15%、21%、31%、41%時(shí)，橋梁混凝土的橋梁抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)（10?12 m2/s）分別為9、5.5、4.1、6.2，比標(biāo)準(zhǔn)混凝土的抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)小13.5%、37.3%、46.8%和32.3%[4]?？孤入x子擴(kuò)散系數(shù)越小，表示橋梁混凝土抗?jié)B性能越強(qiáng)，可預(yù)防混凝土的腐蝕、銹蝕、起水泡、龜裂等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)受到直接的影響。配置混凝土材料時(shí)，水泥顆粒會(huì)與粉煤灰相互作用，微粒之間進(jìn)行“滾動(dòng)效應(yīng)”，逐步填充水泥顆粒，避免水分、雜物進(jìn)入，同時(shí)可置換水泥內(nèi)的水分，使混凝土和易性更強(qiáng)，HPC密度增加，坍落度增大。但是在混凝土內(nèi)粉煤灰摻入量大于15%時(shí)，材料坍落度會(huì)相應(yīng)遞減，意味著粉煤灰摻量越大時(shí)，混凝土坍落度控制難度越大，為獲取最佳坍落度，應(yīng)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(shí)，同樣會(huì)對(duì)混凝土彈性模量造成影響。粉煤灰摻入量大于20%時(shí)，彈性模量最大值為41 GPa，彈性模量整體呈增加趨勢(shì)。但粉煤灰摻入量超過(guò)25%時(shí)，混凝土彈性模量會(huì)逐漸減小。因此，雖然粉煤灰可通過(guò)填補(bǔ)混凝土材料空隙的方式，加快混凝土水化反應(yīng)，提升橋梁混凝土結(jié)構(gòu)剛度、彈性模量。但當(dāng)粉煤灰摻入量超過(guò)一定配比時(shí)，彈性模量會(huì)隨之下降。相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合粉煤灰摻入后對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，嚴(yán)格調(diào)配混凝土材料，合理控制粉煤灰摻入量，確?；炷琳w性能保持到最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為探究粉煤灰摻入量對(duì)橋梁混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律，該文對(duì)不同摻入量下橋梁混凝土的抗?jié)B性能指標(biāo)展開分析，通過(guò)研究可知，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d、粉煤灰摻入量約為29%～31%時(shí)，橋梁混凝土的抗壓強(qiáng)度、密實(shí)度、抗氯離子滲透系數(shù)會(huì)達(dá)到最佳。表示橋梁混凝土配置時(shí)，粉煤灰摻入量控制在30%左右時(shí)，混凝土材料會(huì)具有良好抗?jié)B性能，對(duì)預(yù)防橋梁滲漏、強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)安全性能意義重大。因此，相關(guān)人員在應(yīng)用粉煤灰時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土中粉煤灰的實(shí)際摻入量，確保施工材料配置的合理性。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)積極研發(fā)高性能混凝土，持續(xù)總結(jié)粉煤灰對(duì)橋梁混凝土造成的影響，掌握混凝土內(nèi)部材料的作用規(guī)律，保障混凝土產(chǎn)品整體質(zhì)量。

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