謝 濤，曾秀娟

(贛州市水利電力勘測設(shè)計研究院，江西 贛州 341000)

1 概述

混凝土面板堆石壩是黏土心墻堆石壩的一種，其建造成本低。近年來，混凝土面板堆石壩已經(jīng)在世界上的建成多座壩體。與普通混凝土相比，堆石壩面板混凝土由于其快速的生產(chǎn)技術(shù)、良好的耐久性和低成本而被廣泛選用[1]。此外，大量輔助膠凝材料的(粉煤灰、高爐礦渣等)高效利用率也是其快速推廣的重要方面，粉煤灰等礦物摻合料不僅可以實現(xiàn)廢料的循環(huán)使用、保護環(huán)境，對混凝土性能的提升也表現(xiàn)出優(yōu)良的效果。

粉煤灰在混凝土中的廣泛應(yīng)用，提高了混凝土的坍落度，改善了混凝土的施工和易性，對降低大體積混凝土的水化熱有積極作用。粉煤灰還具有緩凝特性，這在混凝土壩應(yīng)用中尤為重要[2]。粉煤灰對混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性的優(yōu)良效果已有大量研究報道，研究指出粉煤灰除具有物理填充作用外，還與水泥水化釋放的氫氧化鈣反應(yīng)，促進生成大量水化產(chǎn)物，使得水泥基體密實性提升。侯海龍等人[3]研究了用粉煤灰部分替代水泥對大壩混凝土的抗壓、抗拉和抗剪強度的影響，研究表明大壩混凝土中粉煤灰摻量的增加對其抗壓強度產(chǎn)生不利影響；此外，延遲澆筑時間和粉煤灰替代水平，可以增加混凝土內(nèi)部漿體和骨料間界面的良好接觸，混凝土堆石壩建設(shè)中，冷縫對混凝土抗拉強度的影響大于其抗剪強度[4-5]。楊忠波等[6]研究表明混凝土試樣表現(xiàn)出較低的劈裂抗拉強度和較高的滲透性，與混凝土和漿體間界面的硬化過程有關(guān)。

關(guān)于粉煤灰與堆石壩混凝土性能間的關(guān)系研究仍存在許多問題，因此本文針對粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用，通過混凝土力學(xué)性能實驗及耐久性試驗，分析了堆石壩混凝土滲透性、摩擦性及抗凍性等方面的變化規(guī)律。獲得了粉煤灰與混凝土耐久性能的定量關(guān)系，為粉煤灰在堆石壩混凝土中的應(yīng)用提供了科學(xué)及技術(shù)支撐。

2 實驗研究

2.1 實驗原材料

實驗采用普硅酸鹽水泥，型號為42.5，比重為3.15，細度為2900cm2/g，水泥詳細參數(shù)見表1。

表1 水泥物理化學(xué)性能

細骨料為河沙，粗骨料為碎石；粉煤灰為一級灰，減水劑為聚羧酸高效減水劑；實驗用混凝土配合比見表2。

表2 大壩混凝土配合比

2.2 測試方法及過程

2.2.1 抗壓強度試驗

按照我國現(xiàn)行標準JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》，制作不同摻量粉煤灰混凝土試件，時間尺寸為100mm×100mm×100mm，試件養(yǎng)護至測試齡期(7、28、91d)，進行了抗壓強度試驗。

2.2.2 干燥收縮試驗

本文采用環(huán)約束收縮試驗法研究粉煤灰摻量對混凝土干縮性能的影響，混凝土收縮過程中，使用混凝土熱量計，并在試件成型后30min開始，每1h測量試件放熱量。圓環(huán)測試裝置及應(yīng)變片安裝位置如圖1所示。根據(jù)測定的放熱量估算混凝土水化熱引起的內(nèi)部溫度，并分析粉煤灰對混凝土絕熱溫升的影響。

圖1 圓環(huán)測試裝置及應(yīng)變片安裝位置示意圖(單位：mm)

2.2.3 氯離子滲透

氯離子滲透實驗采用快速氯離子滲透儀測定，具體測試設(shè)備及流程如圖2所示。

圖2 氯離子快速滲透試驗示意圖

2.2.4 耐磨性

本試驗對不同粉煤灰摻量混凝土進行了磨損實驗，評價粉煤灰在混凝土中的耐磨性能。修整車輪的轉(zhuǎn)速為每分鐘56轉(zhuǎn)，在暴露磨料30和60min后測量磨損深度。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 抗壓強度試驗

混凝土試件養(yǎng)護至規(guī)定實驗齡期后測試其抗壓強度，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同粉煤灰摻量混凝土抗壓強度試驗

由圖3可以看出，養(yǎng)護齡期為7d時，摻入10%粉煤灰，混凝土試件較普通試件增加12.5%，粉煤灰摻量超過15%會對混凝土試件的抗壓強度產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致其強度降低；養(yǎng)護齡期為28d時，摻入10%、15%粉煤灰可以提升混凝土抗壓強度，20%粉煤灰仍會降低混凝土抗壓強度。養(yǎng)護至90d時，不同摻量(10%、15%、20%)粉煤灰摻入混凝土中可提升混凝土抗壓強度，其中粉煤灰摻量為10%時，對混凝土抗壓強度的改善效果最顯著，較普通混凝土抗壓強度提升38.65%。

3.2 混凝土干縮行為

不同粉煤灰摻量下混凝土干縮應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 不同粉煤灰混凝土干燥收縮應(yīng)變變化規(guī)律

由圖4可以看出，隨著測試齡期的延長，混凝土收縮應(yīng)變逐漸增加，說明粉煤灰的摻入，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部濕度降低，無法滿足水泥混凝土的水化反應(yīng)。測試齡期小于10d時，摻粉煤灰混凝土干縮應(yīng)變較大，10～20d時，粉煤灰摻量為10%的混凝土收縮應(yīng)變最小。測試齡期超過40d后，3種摻量粉煤灰完全參與了水泥水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土強度增加，孔隙溶液水分降低，干縮增大。粉煤灰摻量超過15%時，混凝土的干縮過程顯著增大，收縮應(yīng)變急速增長，粉煤灰摻量為10%時，混凝土的干縮應(yīng)變與普通混凝土呈現(xiàn)相似增長規(guī)律，收縮應(yīng)變較普通混凝土略有增加。

3.3 混凝土絕熱溫升

圖5—6分別給出了不同摻量粉煤灰對混凝土水化放熱及水化速率的影響。

圖5 不同粉煤灰替代品的絕熱溫升

由圖5可以看出，粉煤灰摻入混凝土后對其內(nèi)部的溫度影響較小，但均降低了水化過程中的放熱量，其中粉煤灰摻量為10%時，水化放熱量較普通混凝土降低7.85%。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土放熱降低趨勢減弱。由圖6可以看出，粉煤灰降低了水泥水化反應(yīng)速率，粉煤灰摻量越大，反應(yīng)速率降低程度越明顯。上述結(jié)果表明，粉煤灰的摻入，可以降低水化放熱量，主要是由于粉煤灰的二次水化效應(yīng)，使得分粉煤灰在混凝土硬化后期產(chǎn)生活性，活性逐漸增大。這將導(dǎo)致水泥水化前期的放熱量不足。粉煤灰摻量增大后，混凝土內(nèi)部有充足的粉煤灰顆粒參與反應(yīng)，將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部放熱逐漸增大。

圖6 不同替代量粉煤灰的反應(yīng)速率

3.4 混凝土氯離子滲透性

利用快速氯離子擴散系數(shù)測定儀，測量不同粉煤灰摻量混凝土內(nèi)部電荷通過量，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同粉煤灰摻量混凝土內(nèi)部電荷量

由圖7可以看出，隨著粉煤灰摻入，混凝土內(nèi)部電荷量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢；養(yǎng)護齡期越長，混凝土內(nèi)部電荷量越少。其中粉煤灰摻量為15%時，養(yǎng)護28和91d的混凝土試件內(nèi)部電荷量較普通混凝土試件減小87.65%和49.58%。上述結(jié)果表明，摻入粉煤灰可以增加混凝土內(nèi)部的密實性，降低混凝土內(nèi)部的孔隙溶液中的離子通路。

3.5 混凝土耐磨性

不同粉煤灰摻量混凝土磨耗深度測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同粉煤灰混凝土磨損深度變化

由圖8可以看出，粉煤灰摻量越大，耐磨性越好。在30min的磨損時間內(nèi)，摻10%粉煤灰混凝土試樣的抗磨耗性能是普通混凝土的2倍，是摻15%粉煤灰混凝土試樣的3.3倍，是摻20%粉煤灰混凝土的3.6倍。在1h磨損時間內(nèi)，摻10%粉煤灰置換的試樣比普通混凝土的試樣高1.3倍，比摻15%粉煤灰混凝土試樣高2.8倍，比摻20%粉煤灰混凝土試樣高4.3倍。而摻15%粉煤灰混凝土與摻20%粉煤灰混凝土相比，30min的磨損量基本相同，1h后磨損量基本沒有變化，但91d齡期時，摻15%粉煤灰混凝土的耐磨性能最好，其磨損量增加較摻20%粉煤灰混凝土高。這說明，在混凝土中加入粉煤灰時，可以提升混凝土的硬度，能夠抵抗較高的磨耗過程。

3.6 混凝土耐水性

混凝土在水中浸泡前后抗壓強度的比值結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同粉煤灰摻量混凝土平均抗壓強度比

由圖9可以看出，隨著粉煤灰的摻入，混凝土飽水后的抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢。養(yǎng)護28d時，混凝土內(nèi)部粉煤灰未充分水化，導(dǎo)致混凝土強度隨粉煤灰產(chǎn)量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。其中摻10%粉煤灰混凝土抗壓強度比值較普通混凝土提高23.58%。這主要是因為粉煤灰摻量較小時，混凝土內(nèi)部水泥水化較充分，導(dǎo)致混凝土強度增長幅度較大，在飽水狀態(tài)下，混凝土強度不易降低。養(yǎng)護至91d時，混凝土飽水后抗壓強度與干燥狀態(tài)抗壓強度的比值隨粉煤灰摻量增加逐漸降低；養(yǎng)護后期，粉煤灰參與水化反應(yīng)較充分，硬化混凝土強度基本形成[7-8]。

4 結(jié)論

本文采用不同摻量粉煤灰分析了，面板混凝土的力學(xué)性能及耐久性變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)養(yǎng)護齡期為7d時，摻入10%粉煤灰，混凝土試件較普通試件增加12.5%；養(yǎng)護齡期為28d時，摻入10%、15%粉煤灰可以提升混凝土抗壓強度。養(yǎng)護至90d，粉煤灰摻量為10%時，對混凝土抗壓強度的改善效果最顯著，較普通混凝土抗壓強度提升38.65%。摻10%粉煤灰混凝土抗壓強度比值較普通混凝土提高23.58%，提高了混凝土耐水性。

(2)10～20d時，粉煤灰摻量為10%的混凝土收縮應(yīng)變最?。环勖夯覔搅繛?0%時，水化放熱量較普通混凝土降低7.85%

(3)粉煤灰摻量為15%時，養(yǎng)護28和91d的混凝土試件內(nèi)部電荷量較普通混凝土試件減小87.65%和49.58%。91d齡期時，摻15%粉煤灰混凝土的耐磨性能最好，其磨損量較摻20%粉煤灰混凝土降低。

(4)通過本文研究，適用于堆石壩面板混凝土的粉煤灰摻量文15%，其綜合性能較其它粉煤灰混凝土顯著提升。