礦物摻合料對(duì)水利工程高性能混凝土的影響分析

陳廣華

(朝陽(yáng)縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

水利工程大多建于地質(zhì)條件極其復(fù)雜的偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般具有后期維護(hù)難度大、環(huán)境條件惡劣、施工作業(yè)困難等特點(diǎn)，故對(duì)結(jié)構(gòu)耐久要求更高[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，為施工方便及確?；炷翉?qiáng)度，通常利用增加單方用水量和提高水泥用量的方式生產(chǎn)水工混凝土。實(shí)踐表明，該方法難以保證混凝土耐久性。由于具有優(yōu)異的耐久性能、力學(xué)性能和拌合物性能，高性能混凝土(HPC)被廣泛應(yīng)用于水庫(kù)大壩、江河堤防等工程領(lǐng)域，對(duì)于降低全壽命周期綜合成本、提高工程質(zhì)量等發(fā)揮著積極作用[2]。

在推廣應(yīng)用HPC時(shí)，應(yīng)考慮不利侵蝕因素、實(shí)際氣候條件等科學(xué)設(shè)計(jì)配合比以及選擇礦物摻合料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)探討了HPC試件的抗凍性或者抗氯離子侵蝕性受不同水膠比和礦物摻合料的影響[3-6]，但因水工結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的多樣化、原材料性能及品質(zhì)方面的差異等尚未形成統(tǒng)一的研究成果，對(duì)多重或雙重破壞因素作用下礦物摻合料對(duì)HPC耐久性的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，文章以水膠比為0.42的HPC為例，研究了HPC抗凍性能及抗氯離子滲透性受礦渣粉、粉煤灰單摻以及礦渣粉與粉煤灰復(fù)摻摻量變化的影響，探討了HPC抗凍性能及電通量與礦物摻合料產(chǎn)量之間的關(guān)系，旨在為HPC的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 研究方法

1.1 原材料性能

試驗(yàn)所用的水泥、粉煤灰、礦渣粉、減水劑、粗細(xì)骨料等原材料性能，所用水為自來(lái)水。原材料性能指標(biāo)，見表1。

表1 原材料性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以C30 HPC為例，設(shè)計(jì)塌落度160-200mm，保持水膠比0.42改變礦渣粉、粉煤灰摻量，探究礦物摻合料對(duì)HPC抗凍性能、抗氯離子滲透性能及抗壓強(qiáng)度的影響。HPC配合比設(shè)計(jì)，見表2。其中，P0為混凝土基準(zhǔn)配合比，將水泥等量取代成礦物摻合料，X、Y組為單摻粉煤灰和礦渣粉礦物摻合料，摻量為10%、20%、30%、40%；Z組為復(fù)摻礦渣粉與粉煤灰礦物摻合料，摻入比例為4∶0、3∶1、2∶2、1∶3、0∶4，總摻量40%。

表2 HPC配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)過(guò)程中所使用到的儀器有CABR-HDK9型快速凍融試驗(yàn)機(jī)、CABR-RCP9型氯離子電通量測(cè)定儀。根據(jù)普通混凝土耐久性能、長(zhǎng)期性能和力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，按照推薦的快凍法、電通量法等測(cè)試混凝土試件抗凍性、抗氯離子滲透性和抗壓強(qiáng)度，對(duì)28d抗氯離子滲透性進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對(duì)抗氯離子滲透性影響

HPC電通量受粉煤灰摻量的影響，見圖1。從圖1可以看出，28d齡期的HPC電通量隨粉煤灰摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，HPC電通量在粉煤灰摻量為20%時(shí)達(dá)到最小的751.6C，該條件下的抗氯離子滲透性最好。深入分析發(fā)現(xiàn)，早期活性較低的粉煤灰依賴水泥水化生成的Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，粉煤灰摻20%時(shí)其填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)達(dá)到最佳，并在很大程度上改善了HPC的微觀結(jié)構(gòu)，HPC內(nèi)部更加密實(shí)，所以通電量較小。摻40%粉煤灰時(shí)通電量增加至1445.0C，粉煤灰摻量的增加使得火山灰水化反應(yīng)變慢，凝膠材料水化程度下降，HPC的密實(shí)性變差并帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，HPC電通量增大降低了抗氯離子滲透性能。

圖1 HPC電通量受粉煤灰摻量的影響

84d齡期的HPC電通量隨粉煤灰摻量的增加呈先快速下降后趨于平緩的變化趨勢(shì)，HPC電通量在粉煤灰摻量為30%時(shí)達(dá)到最小的381.5C，摻30%粉煤灰的84d電通量相對(duì)于28d的減少68.4%，相對(duì)于未摻粉煤灰的減少60.5%。HPC電通量隨著齡期的增加均有所減小，其電通量在粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí)出現(xiàn)小幅度的增大。

2.2 礦渣粉對(duì)抗氯離子滲透性影響

HPC電通量受礦渣粉摻量的影響，見圖2。從圖2可以看出，28d、84d齡期的HPC電通量隨礦渣粉摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，HPC電通量在礦渣粉摻量為20%時(shí)達(dá)到最小，其28d、84d電通量分別為651.6C和405.2C，該條件下的抗氯離子滲透性最好。HPC電通量在摻40%礦渣粉時(shí)達(dá)到最大，其28d、84d通電量為1582.6C和1182.1C，與未摻礦渣粉的相比增大72.9%和47.3%。摻0%、10%、20%、30%、40%礦渣粉的84d HPC通電量均<摻相應(yīng)比例的28d通電量，并且未摻礦渣粉的84d、28dHPC通電量減小幅度均低于摻礦渣粉的；HPC電通量在摻40%礦渣粉情況下具有最明顯的下降幅度，與28d相比84d的電通量減少58.2%。

圖2 HPC電通量受礦渣粉摻量的影響

雖然礦渣粉火山灰反應(yīng)較慢但能夠改善水化產(chǎn)物組成和HPC內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，即同齡期下?lián)饺氲V渣粉的HPC強(qiáng)度和孔隙率均有所下降，并進(jìn)一步降低HPC電通量提升其抗氯離子侵蝕性能。另外，經(jīng)機(jī)械粉磨而成的礦渣粉顆粒形貌大多不規(guī)則，摻量的進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致凝膠體系密實(shí)度的下降，因此隨摻量的增加HPC通量呈現(xiàn)下降或上升的變化趨勢(shì)。礦渣粉反應(yīng)程度隨齡期的增加會(huì)相對(duì)加大，從而增大結(jié)構(gòu)密實(shí)度，故同摻量下28d電通量>84d。

2.3 礦物摻合料復(fù)摻對(duì)抗氯離子滲透性影響

保持礦物摻合料摻量及膠凝材料總量不變，改變礦渣粉與粉煤灰的比例測(cè)試其抗氯離子滲透性，HPC電通量受礦渣粉摻量的影響，見圖3。

圖3 HPC電通量受礦渣粉摻量的影響

結(jié)果表明，摻40%礦物摻合料時(shí)，HPC電通量隨粉煤灰比例的增大而逐漸減小，HPC各齡期的電通量在m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復(fù)摻比例為1∶3時(shí)最小，該條件下28d、84d電通量為631.8C和375.2C；HPC電通量在粉煤灰摻量占礦物摻合料100%時(shí)又會(huì)增大，與m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復(fù)摻比例為1∶3時(shí)相比，28d、84d的HPC電通量增加127.2%和5.6%。

深入分析可知，HPC中摻入不同比例的礦渣粉與粉煤灰，膠凝材料產(chǎn)生的疊加效應(yīng)和級(jí)配效應(yīng)不同，當(dāng)m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復(fù)摻比例為1∶3時(shí)膠凝體系級(jí)配最優(yōu)，該條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的毛細(xì)孔徑最小，密實(shí)度也最高，故HPC的電通量最小其抗氯離子滲透性最耗。

2.4 礦物摻合料對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

HPC抗壓強(qiáng)度受礦渣粉、粉煤灰的影響，HPC抗壓強(qiáng)度，見表2。在膠凝材料總量及水膠比不變的條件下，用礦渣粉或粉煤灰等量取代水泥，從0%逐漸增加礦渣粉或粉煤灰摻量至膠凝材料的40%，與基準(zhǔn)對(duì)照組P0相比，結(jié)果顯示X組、Y組HPC各齡期抗壓強(qiáng)度隨礦物摻合料產(chǎn)量的增大呈減少趨勢(shì)。深入分析可知，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2需要與礦渣粉、粉煤灰反應(yīng)才能生成凝膠性水化產(chǎn)物，而水泥水化速率高于該反應(yīng)速率。所以，將水泥采用礦渣粉、粉煤灰等量取代后會(huì)降低凝膠體系的水化速率。在礦物摻合料用量及凝膠材料總量不變的情況下，改變礦渣粉與粉煤灰比例的Z組，同一齡期內(nèi)Z1-Z5組的抗壓強(qiáng)度變幅較小，各齡期強(qiáng)度與基準(zhǔn)對(duì)照組P0相比明顯下降，這也與較大的礦物摻合料摻量降低了膠凝材料的水化速率有關(guān)。

表2 HPC抗壓強(qiáng)度

2.5 礦物摻合料對(duì)抗凍性的影響

HPC的抗凍性能利用快凍法測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)定的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率，HPC相對(duì)動(dòng)彈性模量受礦物摻合料的影響，見表3；HPC凍融循環(huán)質(zhì)量損失率受礦物摻合料的影響，見表4。其中，“/”代表相對(duì)動(dòng)彈性模量減小至60%停止試驗(yàn)。為了降低HPC抗凍性受含氣量差異的影響，試驗(yàn)過(guò)程中統(tǒng)一設(shè)定含氣量為(2.5±0.2)%，HPC的質(zhì)量及動(dòng)彈性模量按每?jī)鋈谘h(huán)25次測(cè)定一次。

從表3、表4可看出，P0的抗凍等級(jí)達(dá)到F200，該組抗凍性最好；保持其他因素不變的條件下，單摻礦渣粉或粉煤灰時(shí)，HPC抗凍性隨摻量的增加逐漸變差，HPC在礦渣粉或粉煤灰摻量為膠凝材料的40%時(shí)能夠經(jīng)受75次凍融循環(huán)，按照評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到F50抗凍等級(jí)。結(jié)合Z1-Z5組凍融循環(huán)數(shù)據(jù)，復(fù)摻礦渣粉與粉煤灰總量為膠凝材料40%時(shí)改變兩者的摻量比例HPC抗凍等級(jí)均為F50。HPC被凍融循環(huán)后表面發(fā)生水泥漿侵蝕，但整體情況良好，質(zhì)量損失率均未超過(guò)5%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此動(dòng)彈性模量下降為HPC破壞的主要形式。

表3 HPC相對(duì)動(dòng)彈性模量受礦物摻合料的影響 %

表4 HPC凍融循環(huán)質(zhì)量損失率受礦物摻合料的影響 %

3 結(jié) 論

1)保持膠凝材料總量及水膠比不變的條件下，將水泥用礦渣粉或粉煤灰等量取代時(shí)，HPC28d、84d抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加均逐漸減小。復(fù)摻礦渣粉及粉煤灰時(shí)，不同復(fù)摻比例下各齡期HPC抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組。

2)單摻情況下，HPC電通量隨粉煤灰摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，HPC電通量在粉煤灰摻量為20%時(shí)達(dá)到最小的751.6C，該條件下的抗氯離子滲透性最好。摻30%粉煤灰的84d電通量相對(duì)于28d的減少68.4%，相對(duì)于未摻粉煤灰的減少60.5%；HPC電通量隨礦渣粉摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，HPC電通量在礦渣粉摻量為20%時(shí)達(dá)到最小，該條件下的抗氯離子滲透性最好。

3)摻40%礦物摻合料時(shí)，HPC電通量隨粉煤灰比例的增大而逐漸減小，HPC各齡期的電通量在m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復(fù)摻比例為1:3時(shí)最小，該條件下的抗氯離子滲透性最好。保持水膠比和含量不變，HPC抗凍性在不摻加礦物摻合料時(shí)最好，抗凍等級(jí)達(dá)到F200；單摻礦渣粉或粉煤灰時(shí)，HPC抗凍性隨摻量的增加逐漸變差，復(fù)摻礦渣粉與粉煤灰總量為膠凝材料40%時(shí)HPC抗凍等級(jí)均為F50，改變兩者的摻入比例抗凍等級(jí)沒有變化。

4)將適量礦渣粉及粉煤灰摻入混凝土內(nèi)，可以在一定程度上改善抗氯離子滲透性能，但不利于混凝土抗凍性，對(duì)于有抗凍性要求的混凝土要通過(guò)試驗(yàn)確定礦物摻合料產(chǎn)量，為增強(qiáng)其抗凍性能可以摻入適量引氣劑。