水利工程粉煤灰混凝土性能試驗(yàn)研究

(南豐縣水利局，江西 南豐 344500)

1 概 述

近年來，粉煤灰的利用逐漸成為水利施工中的常見現(xiàn)象。粉煤灰大量摻入混凝土中對混凝土的各性能指標(biāo)有何影響，并且與其所占比例是否有關(guān)系，是何種關(guān)系，均處于未知狀態(tài)。研究粉煤灰混凝土的相關(guān)化學(xué)及物理特性，對于今后的水利工程建設(shè)乃至其他用到粉煤灰混凝土的土木工程建設(shè)都具有理論指導(dǎo)意義。

國內(nèi)對粉煤灰混凝土的相關(guān)性能展開研究相對較晚，取得研究成果也比較少。趙慶新等人[1,3]依次就粉煤灰摻量、水膠比兩個因素對高性能混凝土的徐變性能展開研究，設(shè)計試驗(yàn)方案，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到粉煤灰摻量、水膠比與其徐變性能的關(guān)系。陳波等人[2]針對大摻量粉煤灰混凝土的干燥收縮性能進(jìn)行研究，分析其影響因素，提出相應(yīng)的防范措施。韓冰等人[4]在持續(xù)載荷條件下研究粉煤灰混凝土凍融影響機(jī)理，設(shè)計了多種試驗(yàn)樣本，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合實(shí)地工程結(jié)果得到兩者之間的關(guān)系。周萬良等人[5]主要針對摻入粉煤灰對水泥混凝土抗碳化性能的影響展開研究，最后得到粉煤灰、礦粉的摻入可以提升其抗碳化作用。胡曉鵬等人[6]研究粉煤灰混凝土早期黏結(jié)性能，設(shè)計多組試驗(yàn)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，最后得到粉煤灰的摻入可提升混凝土的早期黏結(jié)性能。李輝等人[7]從粉煤灰的粒徑大小著手，探究對砂漿及混凝土性能影響，設(shè)計試驗(yàn)樣本，通過對比分析的方法，得到其影響作用。姚文杰等人[8]就粉煤灰混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究，主要研究其抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪應(yīng)力等，借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的對比圖。上述文獻(xiàn)都就其一方面展開研究，并且試驗(yàn)樣本對比性不大，說服力不強(qiáng)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上對粉煤灰混凝土的相關(guān)性能展開研究。為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，首先對試驗(yàn)材料進(jìn)行介紹，并對其化學(xué)成分及物理性能進(jìn)行測定。在保證混凝土其他成分構(gòu)成不變的情況下，改變粉煤灰所占比例，共設(shè)計7種具有可比性的試驗(yàn)樣本進(jìn)行試驗(yàn)。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，探究粉煤灰比例與混凝土后期強(qiáng)度關(guān)系、養(yǎng)護(hù)時間與粉煤灰混凝土收縮性能的關(guān)系，并通過圖形可視化展示，直觀得到各影響因素與粉煤灰混凝土性能變化關(guān)系。

2 試驗(yàn)樣本及方案設(shè)計

為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，現(xiàn)對試驗(yàn)材料及相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行簡要介紹：粉煤灰選用電廠靜電干排一級粉煤灰；水泥選用南方水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥；攪拌及養(yǎng)護(hù)用水選用當(dāng)?shù)刈詠硭凰嗌皾{用砂選用兩種，主要包含粗骨料和細(xì)骨料：粗骨料顆粒直徑0.50～2cm，其級配應(yīng)保持連續(xù)，其表觀密度與堆積密度依次為2380kg/m3、4750kg/m3，壓碎率為8%，含泥率為0.25%。細(xì)骨料表觀密度與堆積密度依次為2600kg/m3、1500kg/m3，含泥率為1.50%，濕度為0.5%。減水劑減水率經(jīng)實(shí)際測定為25%。激發(fā)劑硫酸鹽符合型激發(fā)劑，經(jīng)過儀器測定Na2SO4與工業(yè)石膏(CaO和Ca(OH)2) 的質(zhì)量比大約為5∶1。

在進(jìn)行試驗(yàn)樣本設(shè)制前，對粉煤灰(F)的成分構(gòu)成須檢測清楚，具體情況見表1。

表1 F的化學(xué)成分構(gòu)成

同理對試驗(yàn)水泥的化學(xué)組成及礦物組成通過儀器檢測，得到各個成分的百分比，同時對其物理基本性能情況作大致了解，便于后期試驗(yàn)樣本設(shè)制，具體概況見表2～表3。

表2 試驗(yàn)水泥構(gòu)成概況

表3 試驗(yàn)水泥物理性能

設(shè)計其試驗(yàn)樣本時固定其膠凝材料總量，始終保持在500kg/m3，固定其他組成部分含量不變，僅改變粉煤灰所占比例，構(gòu)成7種試驗(yàn)樣本，具體見表4。

表4 試驗(yàn)樣本設(shè)計

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 粉煤灰比例與混凝土后期強(qiáng)度關(guān)系

經(jīng)過對試驗(yàn)樣本的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，依次對于養(yǎng)護(hù)時間節(jié)點(diǎn)為30d、90d、180d、360d的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定并記錄整理，繪制出粉煤灰比例與粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度關(guān)系變化圖(見圖1)。將齡期30d時粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度作為基準(zhǔn)數(shù)值，根據(jù)后續(xù)齡期的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)值的比值求出增長率(見圖2)。

圖1 粉煤灰比例與后期強(qiáng)度變化關(guān)系

圖2 粉煤灰比例與后期強(qiáng)度增長率關(guān)系

分析圖1不難看出，各個齡期的粉煤灰混土抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰的含量增加先增長后降低，其變化趨勢基本一致。其中在齡期為30d時，粉煤灰所占比例為0.2～0.6的區(qū)間內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度均小于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度(樣本S0，下同)；對于齡期90d、180d、360d，粉煤灰所占比例為0.4時混凝土抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度持平，粉煤灰比例為0.5、0.6時混凝土抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度。綜上所述，可以得到適量的粉煤灰摻入混凝土中可以提升其抗壓強(qiáng)度，對于高性能粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)不到理想程度。

相關(guān)研究表明[5-9]，為提升混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，可以通過外摻激發(fā)劑、礦物料的方式實(shí)現(xiàn)。選用試驗(yàn)樣本S0、S5、S6，并對試驗(yàn)樣本S5、S6加入激發(fā)劑形成試驗(yàn)樣本S5*、S6*，測定各試驗(yàn)樣本抗壓強(qiáng)度(見圖3)。

圖3 激發(fā)劑對粉煤灰混凝土后期抗壓強(qiáng)度的影響

分析圖3不難看出，在粉煤灰比例為0.5、0.6時混凝土后期(30d以后)抗壓強(qiáng)度雖有增長，但增長緩慢且與基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度相差較多；當(dāng)加入激發(fā)劑后，有效提升了混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增長速度，且其抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土后期抗壓強(qiáng)度相差不多。圖3表明激發(fā)劑可以有效提升粉煤灰混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增長率。

綜合分析圖1～圖3不難看出，適量摻入粉煤灰可以提升混凝土后期的抗壓強(qiáng)度，間接增加了混凝土的耐久性，在加入激發(fā)劑后，這種增強(qiáng)作用更加顯著。

3.2 養(yǎng)護(hù)時間與粉煤灰混凝土收縮性關(guān)系

為探究養(yǎng)護(hù)時間對粉煤灰混凝土收縮性能的影響，試驗(yàn)對各個試驗(yàn)樣本均養(yǎng)護(hù)360d，對其各個樣本的0d、10d、20d、30d、60d、90d、120d、180d、360d的各個養(yǎng)護(hù)時間節(jié)點(diǎn)的收縮值進(jìn)行測量記錄(見圖4)。

圖4 粉煤灰混凝土收縮值隨養(yǎng)護(hù)齡期變化情況

分析圖4可以看出，各試驗(yàn)樣本混凝土的收縮值隨著養(yǎng)護(hù)時間的變化其變化趨勢大致一樣，隨養(yǎng)護(hù)時間延長其收縮值增大。其收縮值變化最快的時段集中在前30d，之后混凝土收縮值增長速度減緩。對照各粉煤灰比例的混凝土各個養(yǎng)護(hù)節(jié)點(diǎn)的收縮值，不難看出隨著粉煤灰比例的增加粉煤灰混凝土收縮值依次遞減。這表明粉煤灰混凝土收縮值與養(yǎng)護(hù)時間成正相關(guān)關(guān)系，同時粉煤灰可以有效降低混凝土的收縮量。

4 結(jié) 語

本文對粉煤灰混凝土的相關(guān)性能進(jìn)行研究。介紹了試驗(yàn)材料及相關(guān)化學(xué)成分、物理性能等，在保證混凝土其他成分構(gòu)成不變的情況下，改變粉煤灰所占比例，共設(shè)計7種具有可比性的試驗(yàn)樣本進(jìn)行試驗(yàn)。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，探究粉煤灰比例與混凝土后期強(qiáng)度關(guān)系、養(yǎng)護(hù)時間與粉煤灰混凝土收縮性能的關(guān)系，通過對比分析、圖形可視化展示，得到兩個結(jié)論：適量摻入粉煤灰可以提升混凝土后期的抗壓強(qiáng)度，在加入激發(fā)劑后，其增強(qiáng)作用更加顯著；粉煤灰混凝土收縮值與養(yǎng)護(hù)時間成正相關(guān)關(guān)系，粉煤灰可以有效降低混凝土的收縮量。