王正環(huán)

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院, 蘭州 730000)

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蓮麓三級水電站閘墩粉煤灰混凝土配合比試驗研究

王正環(huán)

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院, 蘭州 730000)

對大體積水工混凝土來說，粉煤灰的合理使用不僅大大節(jié)約了水泥，而且能有效抑制堿骨料反應(yīng)，可以縮小混凝土內(nèi)外溫差，有利于減少混凝土表面開裂的危險。結(jié)合工程實例，對在混凝土中摻加粉煤灰后的可泵性、抗壓強度、耐久性及外加劑適應(yīng)性等方面進行試驗研究及分析。粉煤灰混凝土材源廣、性能優(yōu)、可廣泛應(yīng)用于大體積水工混凝土工程中。

粉煤灰;混凝土;耐久性;配合比

0 前 言

粉煤灰是火電廠燃煤燃燒之后產(chǎn)生的一種固體廢料。據(jù)統(tǒng)計，我國的火電廠每年產(chǎn)生的粉煤灰約1.5億t，要將這些粉煤灰排入灰場需增加占地約1 000 hm2，由此造成的經(jīng)濟損失每年將高達300億元。如果不加處理，不僅會產(chǎn)生揚塵、污染大氣，排入水系還會造成河道淤塞，而且其中的有毒有害物質(zhì)還會對生物和人體造成危害[1]。然而，粉煤灰又是火山灰性質(zhì)的活性材料，具有潛在的化學活性，在一定條件下，能與水發(fā)生化學反應(yīng)生成類似水泥膠凝體的膠凝物質(zhì)，且具有一定的強度[2]。如將粉煤灰轉(zhuǎn)化為可利用資源，所取得的正反兩方面的經(jīng)濟效益十分可觀。

在混凝土中摻加粉煤灰作為摻和料可以變廢為寶，改善混凝土的性能。在水工混凝土中摻加粉煤灰不僅能夠顯著提高混凝土的密實性和耐久性，而且還能節(jié)約水泥，增強混凝土的抗裂性、抗凍性、抗?jié)B性以及抗硫酸鹽腐蝕性；在泵送混凝土中，還能提高混凝土的可泵性[3]。因此，粉煤灰在混凝土配合比中的應(yīng)用就成為建筑工程中試驗檢測人員不斷研究探索的目標了。

下面結(jié)合工程實例，對在混凝土中摻加粉煤灰后的可泵性、抗壓強度、耐久性及外加劑適應(yīng)性等方面進行試驗研究及分析。

1 工程概況

甘肅洮河蓮麓三級水電站是洮河流域規(guī)劃“九(甸峽)～海(甸峽)”河段峽城梯級規(guī)劃所確定的蓮麓二級電站與海甸峽電站之間的插補電站。蓮麓三級水電站為一座引水式電站，由閘壩樞紐、引水系統(tǒng)(引水渠道)、電站廠房等組成。引水樞紐距上游正在建設(shè)的蓮麓二級水電站約2.3 km，距下游已完建的海甸峽水電站約13.4 km；電站以發(fā)電為主，額定水頭8.5 m，發(fā)電引水流量270 m3/s，裝機容量20 MW(2×10 MW)，屬Ⅳ等?、判凸こ?此工程中閘墩的混凝土方量為186 m3)。

受施工方的委托，對樞紐及廠房的混凝土進行配合比設(shè)計,并對不同粉煤灰摻量和外加劑摻量對混凝土強度的影響，以及混凝土的經(jīng)濟性和適用性做出試驗分析。

根據(jù)設(shè)計要求及工地原材料的實際情況，為增加混凝土的耐久性、降低水泥用量，摻加粉煤灰作為摻合料，添加引氣型木鈣作為外加劑，選擇樞紐閘墩C25W6F150的泵送混凝土進行配合比設(shè)計試驗研究。

2 混凝土配合比設(shè)計

2.1 原材料性能檢驗

對所需的原材料進行性能檢驗，結(jié)果如下：

(1) 水泥。甘肅壽鹿山水泥 P·O 42.5,R28=49.8 MPa,ρ=3.10 g/cm3。

(2) 砂。蓮麓砂石料場生產(chǎn)的天然砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)為2.70，表觀密度為2.66 g/cm3，級配良好。經(jīng)檢驗，各項指標均滿足SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》中對砂的要求。

(3) 石子。蓮麓砂石料場生產(chǎn)的5～20 mm(小石)和20～40 mm(中石)粒級的卵石。小石的表觀密度為2.68 g/cm3；中石的表觀密度為2.68 g/cm3。經(jīng)檢驗，各項指標均滿足SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》中對石子的要求[6]。石子比例按最大密度法確定[8]，選最佳比例，小石∶中石=40∶60。

(4) 摻和料。蘭州西固宏大熱電有限責任公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,細度為16.6%，需水量比為102%，燒失量為5.87%，含水量為0.22%，三氧化硫為0.032%。經(jīng)檢驗，各項指標均滿足GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對Ⅱ級粉煤灰的標準要求。

(5) 外加劑。山西奧鑫建材有限公司生產(chǎn)引氣型木鈣。

2.2 混凝土配制強度的確定

按照下式計算配置強度[7]

(1)

式中：fcu,o為混凝土配制強度，MPa；fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；t為概率度系數(shù)(當采用95%的強度保證率時，概率度系數(shù)取1.645)；σ為混凝土強度標準差(當混凝土抗壓強度標準值為20～25 MPa時，取4.0 MPa)。

依據(jù)式(1)計算得出C25W6F150的配制強度為31.6 MPa。

2.3 確定砂率

由實踐經(jīng)驗得知，原材料級配良好，摻用粉煤灰和減水劑并且有抗凍抗?jié)B要求時的混凝土，砂率宜在40%～42%之間[4]。本次配合比試驗砂率采用41%。

2.4 混凝土配合比試配

2.4.1 方法及步驟

在保證混凝土抗壓強度、抗凍性和抗?jié)B性能以及可泵性的前提下，保持坍落度(160～180 mm)不變，選擇不同水灰比、不同粉煤灰摻量和不同外加劑摻量進行混凝土配合比的試配，使之既滿足各項性能指標又能夠節(jié)約水泥。

第1步:選定不同的水灰比進行混凝土試配，根據(jù)不同齡期的抗壓強度進行線性回歸分析，并得出線性方程，根據(jù)水灰比和抗壓強度的關(guān)系曲線，選擇符合配制強度的水灰比。

第2步:用所確定的水灰比進行不同粉煤灰摻量的試配，根據(jù)粉煤灰摻量和抗壓強度的關(guān)系曲線，在曲線上選擇和易性好、可泵性好且強度有保證的粉煤灰摻量。

第3步:用確定的水灰比和粉煤灰摻量進行不同外加劑摻量的試配，根據(jù)外加劑摻量和抗壓強度的關(guān)系曲線，在曲線上選擇強度較高的外加劑摻量。

第4步:通過確定的最佳水灰比、最佳粉煤灰摻量和最佳外加劑摻量確定泵送混凝土的推薦配合比。

2.4.2 水灰比與強度的關(guān)系

有抗凍抗?jié)B要求的混凝土配合比最大水灰比不大于0.55，在設(shè)計混凝土配合比時不僅要考慮坍落度和強度等級，還要考慮對水灰比的限制因素。選擇0.45、0.50、0.55和0.60四個不同的水灰比進行試配，按照試配成果水灰比和強度關(guān)系對照表(見表1)，以不同齡期抗壓強度繪制水灰比和強度關(guān)系曲線(見圖1)，擬合關(guān)系曲線為：Y28 d=-61.20x+67.13，R2=0.996 6；Y14 d=-43.20x+49.58，R2=0.996 1；Y3 d=-24.20x+28.98，R2=0.957 2。相關(guān)系數(shù)均達到0.9以上，表明線性關(guān)系好、代表性強。

從圖1中分析看出，隨著水灰比不斷增大，混凝土3、14和28 d的抗壓強度均出現(xiàn)下降趨勢，因有抗凍抗?jié)B要求的混凝土水灰比不大于0.55，考慮坍落度的要求和添加粉煤灰取代水泥的因素，選擇水灰比為0.50。

表1 泵送混凝土水灰比與強度關(guān)系對照表

齡期/d水灰比0.450.500.550.60備注318.117.115.214.71430.028.126.023.5基準混凝土2839.836.233.530.5

圖1泵送混凝土水灰比與強度關(guān)系曲線圖(基準混凝土)

2.4.3 粉煤灰摻量與強度的關(guān)系

確定水灰比為0.50，粉煤灰等量取代水泥。選擇粉煤灰摻量為10%、15%和20%，進行配合比試配試驗，以選出最佳的粉煤灰摻量。按照試配成果粉煤灰摻量和強度關(guān)系對照表(見表2)，以不同齡期抗壓強度繪制粉煤灰摻量和強度關(guān)系曲線(見圖2)，擬合關(guān)系曲線為：Y28 d=-0.34x+36.23，R2=0.985 4；Y14 d=-0.24x+27.93，R2=0.980 8；Y3 d=-0.24x+17.01，R2=0.992 9。曲線相關(guān)系數(shù)均達到0.9以上，表明線性關(guān)系好、代表性強。

表2 泵送混凝土粉煤灰摻量與強度關(guān)系對照表

齡期/d粉煤灰摻量/%0101520備注317.114.413.612.31428.125.124.523.2水灰比0.502836.232.631.629.1

圖2 泵送混凝土水灰比與強度關(guān)系曲線圖 (水灰比：0.50)

從圖2可以分析看出，隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混凝土抗壓強度在3、14和28 d均出現(xiàn)下降趨勢。但在試拌過程中，混凝土拌和物的和易性也在相應(yīng)增加。因此，在滿足強度和和易性的前提下，選擇15%作為粉煤灰的最佳摻量。

2.4.4 外加劑摻量與強度的關(guān)系

本次配合比試驗采用引氣型木鈣作為外加劑。木鈣是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，它在混凝土中主要起高效減水劑作用。引氣型木鈣作為一種復合型外加劑，集引氣減水、緩凝、高強于一體。

確定水灰比為0.50，粉煤灰摻量為15%，選擇0.15%、0.20%、0.25%和0.30%四個不同的木鈣摻量進行混凝土配合比試配，按照試配成果木鈣摻量和強度關(guān)系對照表(見表3)，以不同齡期抗壓強度繪制木鈣摻量和強度關(guān)系曲線(見圖3)，用多項式擬合曲線為：Y28 d=-870.00x2+423.70x-21.34，R2=0.999 2；Y14 d=-410.00x2+201.50x-1.02，R2=0.998 4；Y3 d=-510.00x2+236.50x-16.88，R2=0.998 2。相關(guān)系數(shù)均達到0.9以上，表明相關(guān)性強。

表3 泵送混凝土木鈣摻量與強度關(guān)系對照表

齡期/d木鈣摻量/%0.150.200.250.30備注37.110.110.38.2水灰比0.50;1420.122.823.822.5粉煤灰2822.628.730.127.5摻量15%。

圖3 泵送混凝土木鈣與強度關(guān)系曲線圖 (粉煤灰摻量：15%、水灰比：0.50)

從圖3中可以分析看出，木鈣摻量從0.15%到0.25%階段，強度出現(xiàn)上升趨勢；從0.25%到0.30%階段，強度出現(xiàn)下降趨勢。但摻量在0.25%時,混凝土拌和物在滿足和易性和坍落度的前提下，減水率達到14%,含氣量達到4.5%,均能達到抗?jié)B性和抗凍性對混凝土拌和物的要求，且抗壓強度最高,因此選擇0.25%作為木鈣的最佳摻量。

3 混凝土配合比性能檢驗

依據(jù)確定的水灰比為0.50,粉煤灰摻量為15%,外加劑摻量為0.25%成型的混凝土試塊，做3、14和28 d齡期的混凝土抗壓強度試驗，結(jié)果顯示28 d抗壓強度值達到30.1 MPa，比試配強度31.6 MPa低1.5 MPa?？紤]到粉煤灰混凝土后期強度增長空間較大，目前有些規(guī)范已經(jīng)把粉煤灰混凝土的標準齡期定為90 d[5]。因此，該配合比的強度能夠滿足C25的設(shè)計要求；對齡期達到28 d的混凝土試塊做抗?jié)B和抗凍性能試驗，其各項指標均滿足W6F150的泵送混凝土要求,見表4。

表4 泵送混凝土配合比性能檢驗表

齡期/d檢驗項目抗壓強度/MPa抗?jié)B等級抗凍等級備注310.3--水灰比0.50;1423.8--粉煤灰摻量15%;2830.1W6F150木鈣摻量0.25%。

4 粉煤灰混凝土配合比試驗分析討論及推薦配合比

根據(jù)試驗結(jié)果，對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析：通過對比圖2中相同水灰比混凝土強度關(guān)系圖不難看出，摻加粉煤灰的混凝土強度較未摻加粉煤灰的混凝土強度要低，同時由于粉煤灰的水化速率低于水泥，因此摻加粉煤灰之后的混凝土的早期強度也低于普通混凝土，但摻加粉煤灰的混凝土在養(yǎng)護14 d之后的混凝土強度能達到養(yǎng)護28 d之后強度的75%以上(見表2)，因此摻加粉煤灰的混凝土為保證足夠的強度發(fā)展，需將混凝土養(yǎng)護至少14 d以上。同時由于摻入粉煤灰之后混凝土的早期強度偏低，對于早期強度要求較高的構(gòu)件，比如在冬季施工中就不宜采用粉煤灰混凝土配合比進行強度設(shè)計。

從圖3中可以看出，當粉煤灰摻入量為15%時，木鈣的摻入量對混凝土強度有一定影響，當木鈣摻入量為0.25%時混凝土強度值最大。因此，在滿足多方條件情況下選定粉煤灰摻量為15%。木鈣摻量可選定為0.25%，使之既有較高強度又起到一定的緩凝引氣作用。

依據(jù)以上對水灰比、粉煤灰和外加劑摻量的配合比試配試驗，選擇出最佳的水灰比、粉煤灰和外加劑的最佳摻量，試驗成果表明各項性能指標均能達到配合比的設(shè)計要求，在此基礎(chǔ)上提出C25W6F150泵送混凝土推薦配合比,見表5。

表5 蓮麓三級水電站閘墩C25W6F150泵送混凝土推薦配合比表

5 結(jié) 語

生態(tài)環(huán)保型混凝土是當代建材工業(yè)發(fā)展主要方向之一，廢物的開發(fā)利用符合國家提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。粉煤灰混凝土具有材源廣、性能優(yōu)等各方面優(yōu)勢，在水工結(jié)構(gòu)中與普通混凝土相比，工作性好、后期強度高、安全儲備大、耐久性好，起著延長結(jié)構(gòu)壽命、確保結(jié)構(gòu)安全的積極作用。對大體積混凝土來說，一方面，粉煤灰的合理使用不僅大大節(jié)約了水泥，而且能有效抑制堿骨料反應(yīng)。同時，粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，混凝土中不耐蝕成分減少，粉煤灰高性能混凝土有比基準混凝土大的耐化學腐蝕能力[9]；另一方面可以縮小混凝土內(nèi)外溫差，有利于減少混凝土表面開裂的危險。因此，粉煤灰混凝土的應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 冷發(fā)光,張仁瑜,邢鋒 .綠色建材和綠色高性能混凝土的開發(fā)和應(yīng)用[C]//中國混凝土技術(shù)交流會,2012.8.2.

[2] 呂亞楠,羅毅,湯榮平. 對混凝土中有關(guān)粉煤灰?guī)讉€重要問題的探討[J]. 西北水電,2009(06): 57-60.

[3] 黃海燕.綠色高性能商品混凝土簡述[J]. 廣西城鎮(zhèn)建設(shè),2011(02): 82-84.

[4] 張應(yīng)立.現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計手冊[M]. 北京：人民交通出版社，2002.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：GB/T50146-2014[S]. 北京：中國標準出版社， 2015.

[6] 中華人民共和國水利部.水工混凝土施工規(guī)范：SL677-2014[S]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程：JGJ55-2011[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[8] 中華人民共和國水利部.水工混凝土試驗規(guī)程：SL352-2006[S]. 北京：中國水利水電出版社，2006.

[9] 李中原.高摻量粉煤灰高性能混凝土試驗及應(yīng)用[J]. 天中學刊, 2007(05):58-59.

[10] 中國標準化委員會.用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB1596-2005[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

Study on Tests of Mix Ratio of Flyash Concrete for Piers, Lianlu 3 Hydropower Project

WANG Zhenghuan

(Gansu Water Resources and Hydropower Investigation Design Research Institute, Lanzhou 730000,China)

The reasonable application of flyash in the mass hydraulic concrete not only largely reduces cement consumption but also effectively restrains alkali aggregate reaction and benefits to avoid risks of cracks in concrete surfaces. In combination with engineering practice, studies and analysis on tests of flyash concrete are performed in terms of pumping ability, compressive strength, durability and additive adaptability. The flyash concrete featuring vast availability of raw materials and superior performance may be widely applied in the mass hydraulic concrete engineering.Key words: flyash; concrete; durability; mix ratio

1006—2610(2016)05—0086—04

2016-04-14

王正環(huán)(1973- )，女，甘肅省永靖縣人，工程師，主要從事混凝土工程和巖土工程試驗.

TV42+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.022