基于不同掺合料的水工混凝土力学性能和耐久性研究

阎肖宇

(山东省水利工程局有限公司,山东 济南 250013)

1 概述

水利工程作为基础设施重要组成部分之一，在推动国民经济发展等方面发挥了重要作用，而作为水利工程重要建筑材料的水泥混凝土也被广泛认知，然而随着水利工程的应用实践，混凝土的开裂、冻融损坏及碱骨料反应等问题也凸显出来，严重影响了水工混凝土工程的耐久性，造成了巨大的损失[1- 2]。

大型水利工程建设目标一般为百年工程，对工程的耐久性极为重视。然而，根据当前建设工程用集料存在碱活性的现状及本着就地取材原则，一些碱活性集料也相继应用到建设中来，然而，如何有效抑制集料的碱活性反应，保证水工混凝土的基本力学性能和耐久性显得极为重要。针对水工混凝土当前存在问题，国内外研究学者进行了大量研究[3- 11]，研究发现，在混凝土中掺入适当粉煤灰不仅可以较好的抑制集料的碱活性反应，且对提高混凝土前期抗裂性具有促进作用，但存在后期需水量较大，无法改善混凝土后期收缩的现实；水工混凝土中掺入适当纤维材料，可以弱化混凝土开裂末端的应力集中，产生一定的阻断效应，可以减少混凝土裂缝的产生；在混凝土中加入轻烧氧化镁可以有效改善混凝土的中后期开裂，有效提升其耐久性，对于改善水工混凝土性能和耐久性虽然进行了一定研究，但大多都是单一掺合料应用研究，对于同时掺加几种或多种掺合料的混凝土的力学性能和耐久性规律影响研究相对较少。

基于此，本文为了研究多种掺合料掺配对水工混凝土力学性能和耐久性影响，通过单轴抗压强度试验、干缩变形试验和快速冻融试验，对粉煤灰、轻烧氧化镁和纤维类材料不同组合掺量的混凝土力学性能和耐久性分析，并确定三种掺合料的合理掺量范围，为后续进一步开展水工混凝土耐久性提升研究工作提供借鉴。

2 试验

2.1 原材料

2.1.1水泥

水泥选用P.O 42.5的基准水泥，其主要性能指标试验检测结果见表1。

表1 试验用水泥检测结果

2.1.2掺合料及外加剂

本文掺合料选用粉煤灰、轻烧氧化镁和聚丙烯纤维，3种掺合料的主要性能指标试验结果见表2，外加剂选用减水剂，主要技术指标检测结果见表3。

表2 试验用掺合料检测结果

表3 试验用减水剂检测结果

2.2 试验设计

骨料选用优质石料，骨料的各项指标均满足施工规范技术指标要求，混凝土具体配合比设计见表4。

表4 水工混凝土配合比设计

为了探究不同掺合料(粉煤灰、轻烧氧化镁、纤维类材料)掺配对水工混凝土力学性能和耐久性的影响，试验选用粉煤灰(A)、轻烧氧化镁(B)和聚丙烯纤维(C)3种掺合料作为正交试验3个因素，并根据试验需要每个因素设置5个水平，共计25组正交试验，其中粉煤灰设计掺量分为0%、20%、30%、40%、50%，轻烧氧化镁设计掺量分为0%、1%、3%、5%、7%，聚丙烯纤维设计掺量分为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，粉煤灰采用内掺法，而轻烧氧化镁和聚丙烯纤维均采用外掺法。

3 试验数据分析

3.1 混凝土抗压强度

按照SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》对设计水工混凝土进行单轴抗压强度试验，多种掺合料掺配的混凝土抗压强度和极差变化趋势如图1所示。

图1 不同掺合料因素水平混凝土抗压强度及极差对比

由图1数据可知，不同掺合料掺配因素对混凝土的抗压强度和极差影响程度不同；对图1(a)分析，对于(A)因素，在7d零期时，随着其掺量升高，混凝土抗压强度不断降低，而当零期高于28d后，随着粉煤掺量升高，其抗压呈现先增大后减小的变化趋势，且在粉煤灰掺量30%附近出现峰值；对于(B)和(C)因素，在28d零期内，随着掺量增加，混凝土的抗压强度变化趋势相对平缓，而当零期高于28d后，随着掺合料掺量增多，混凝土抗压强度先升高后降低，且分别在掺量2%和1.5%附近出现小峰值，表明多种掺合料合理掺量下可以有效改善水工混凝土的抗压强度；对图1(b)分析，对于掺加(B)因素和(C)因素掺合料的水工混凝土，其抗压强度极差随着零期的增长不断增大，且增长幅度不同，而掺加(A)因素掺合料的混凝土抗压强度极差随着零期增长呈现先增大后减小趋势；相同条件下，水工混凝土的抗压强度极差粉煤灰>轻烧氧化镁>聚丙烯纤维，表明(A)对混凝土抗压强度影响程度高于(B)因素高于(C)因素。

3.2 混凝土干缩变形

按照SL/T 352—2020技术要求对水工混凝土进行干缩变形试验，则多种掺合料掺配的混凝土干缩率及极差变化趋势如图2所示。

图2 不同掺合料因素水平混凝土干缩率及极差对比

由图2数据可知，不同掺合料掺配因素对混凝土的干缩率和极差影响程度也不相同；对图2(a)分析，随着(A)因素掺量增加，混凝土的干缩率不断增大，表明粉煤灰的掺入对混凝土的抗干缩性能不利；对于掺加(B)和(C)因素的水工混凝土，其干缩率随掺量增加变化趋势一致，混凝土干缩率先减小后增大，当粉煤灰掺量0%、轻烧氧化镁掺量约3%、聚丙烯纤维掺量约1%时，混凝土的干缩率约为0%，三种掺合料在此掺量下，对水工混凝土的干缩变形改善效果最佳，表明适当掺量的轻烧氧化镁和聚丙烯纤维可以有效抑制水工混凝土的干缩变形；对图2(b)分析，对于掺加(A)和(B)因素的混凝土干缩率极差随零期的增长不断升高；而掺加(C)因素的混凝土干缩率极差随零期增长先减小后增大；相同零期下，混凝土干缩率极差(B)因素高于(C)因素高于(A)因素，表明各掺合料因素对水工混凝土干缩变形影响程度轻烧氧化镁>聚丙烯纤维>粉煤灰。

3.3 混凝土抗冻性

按照SL/T 352—2020对水工混凝土进行快速冻融试验，则多种掺合料掺配组合的混凝土抗冻性变化趋势如图3—4所示。

图3 不同掺合料因素水平混凝土相对弹性模量及极差对比

图4 不同掺合料因素水平混凝土质量损失及极差对比

由图3、图4数据可知，不同掺合料掺配因素对水工混凝土的抗冻性影响不同；对图3(a)、图4(a)分析，在相同冻融循环次数下，对于(A)因素，随着掺量增加，其相对弹性模量先降低后增大，而质量损失率不断增大，间接表明粉煤灰因素对混凝土的抗冻性存在不利影响，会降低混凝土的抗冻性；对于(B)因素，随着轻烧氧化镁掺量增加，混凝土相对弹性模量先降低后升高再降低，而质量损失率变化先减少后增大，在(B)因素掺量约为3%时，混凝土的相对弹性模量值最大，质量损失率最小；对于(C)因素，随着聚丙烯纤维掺量增加，混凝土相对弹性模量先降低后增大后减小，而质量损失率变化先减少后增大，在(C)因素掺量约为1.5%时，混凝土的相对弹性模量值最大，质量损失率最小，表明合理掺量的轻烧氧化镁和聚丙烯纤维可以有效改善提升水工混凝土的抗冻性；对图3(b)、图4(b)分析，随着冻融循环次数增多，掺加3种因素的混凝土极差不断增大，但变化幅度不同，对200次冻融循环下分析，混凝土极差粉煤灰>轻烧氧化镁>聚丙烯纤维，表明(A)因素对混凝土抗冻性影响程度高于(B)因素高于(C)因素。

4 结语

(1)不同类型掺合料对水工混凝土的力学性能和耐久性的改善效果不一，粉煤灰对水工混凝土的抗压强度影响最大，轻烧氧化镁对混凝土的干缩性影响最大；不同冻融循环次数下，不同掺合料对混凝土抗冻性影响大小不一。

(2)粉煤灰掺量30%左右(20%～40%)，轻烧氧化镁掺量3%左右(1%～5%)，聚丙烯纤维掺量1%左右(0.5%～1%)，对水工对混凝土力学性能和耐久性能改善效果最佳。

(3)本次研究主要是在压应力和冻融循环耦合作用下开展的，对于扭力或拉应力作用下的多种掺合料水工混凝土的力学性能和耐久性缺乏对比，下一步可展开相关研究。