寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混凝土试验研究

秦子鹏，杜应吉，田 艳

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

1 研究背景

水利工程混凝土冻融破坏是我国北方地区水利工程建设的突出问题之一，西北地区的混凝土冻融破坏问题尤其严重［1］。西北地区大多处于干旱和半干旱地区，冬季气温低且持续时间长，昼夜温差较大，对大体积水工混凝土的工作性能非常不利;在水位变动区混凝土冬季要承受频繁的冻融循环作用后还必须具有足够的抗渗性能以满足水利工程的正常运转。因此，寒旱区水工混凝土应尽可能地降低单方用水量，采用低水胶比，并适当增加混凝土的含气量。很多学者的试验研究［2－3］表明:将粉煤灰作为一种胶凝材料掺入混凝土中取代部分水泥，不仅可以改善混凝土的工作性能、降低混凝土的单方成本，而且还可以减轻煤废料对环境的污染。因此，大掺量粉煤灰混凝土的研究工作既具有很好的经济效益，又具有良好的社会效益。

关于西北寒旱区水利工程大掺量粉煤灰混凝土工作性能的研究较少，本文试图通过试验并结合西北寒旱区水利工程建设，针对混凝土强度、抗冻和抗渗性能的实际要求，研究大掺量粉煤灰混凝土在该地区的应用，期望能为大掺量粉煤灰混凝土在西北寒旱区水利工程建设领域中的广泛应用提供一定的借鉴。

2 试验概况

2.1 试验原材料

水泥:“赛马”牌42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度和抗折强度分别为45.5 MPa和9.1 MPa;粉煤灰:宁夏大坝电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，细度为4.8%，需水量比为91%，烧失量为0.47%;细骨料:宁夏当地的粗沙，细度模数为3.3，表观密度为2.66 g/cm3，含泥量为3.7%;粗骨料:宁夏银川镇北堡碎石，堆积密度为 1 344 kg/m3，吸水率为0.5%;高效减水剂:NF－5A减水剂;引气剂:JOP引气剂。

2.2 配合比设计

试验中混凝土的配合比设计是以水胶比和粉煤灰掺量为变量，并保证各组试件的含气量基本相等。依据文献［4］，试验设计混凝土的含气量为(4.5±0.5)%，因为过低的含气量对寒旱区水工混凝土的抗冻性能不利，而过高的含气量会对混凝土的力学性能产生较大影响。编号A1—A5试件采用等强度配制，强度等级为C25，以研究同一强度等级下，混凝土的力学、抗冻融及抗渗性能随粉煤灰掺量的变化;B1—B5试件采用等水胶比配制，水胶比为0.40，以研究同一水胶比下，混凝土的力学、抗冻融及抗渗性能随粉煤灰掺量的变化。试验配合比见表1。

表1 混凝土试验配合比Table 1 Mix proportions of the concrete for the test

3 试验结果分析

3.1 力学性能

混凝土的力学性能包括抗压、抗拉、抗折强度以及弹性模量等多个方面，研究起来比较复杂。一般认为抗压强度能够较为真实地反映混凝土的整体力学性能，因此，这里采用混凝土7，28，60 d的立方体抗压强度来了解粉煤灰混凝土力学强度及其增长情况。试验结果见表2，各龄期下混凝土中粉煤灰掺量与抗压强度的关系见图1。

表2 各配合比下混凝土力学性能结果Table 2 Mechanical properties of the concrete of different mix proportions

在常温下，由于粉煤灰的水化反应非常缓慢，一般认为粉煤灰单独与水拌合后并不发生化学反应。张云升等［5］的研究表明粉煤灰掺入到水泥浆后，水泥水化程度均比同条件下的纯水泥浆高，且粉煤灰掺量越大，水泥水化程度提高也越多。Berry等［6］和Xu等［7］利用SEM观察水泥粉煤灰浆体时发现，龄期7 d时许多较细的粉煤灰颗粒表面出现了刻痕，水化产物在粉煤灰颗粒表面生成。上述表明粉煤灰掺入到水泥浆体后不仅能促进水泥水化，而且当水泥水化到一定程度后粉煤灰可以发生火山灰反应。

图1 各龄期下混凝土中粉煤灰掺量与抗压强度的关系Fig.1 Relationship between fly ash content and compressive strength of the concrete at different ages

由图1可以看出:在等水胶比(W/B=0.40)条件下，随着粉煤灰掺量的增加，7 d抗压强度降低较快，28 d和60 d抗压强度相对降低缓慢。上述现象表明粉煤灰早期和后期反应速率较慢，而中期反应速率较快。原因在于早期水泥水化产物较少，无法激活粉煤灰的火山灰效应，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以混凝土早期强度随粉煤灰掺量的增加而显著降低;随着水泥水化的进行，粉煤灰中的活性部分SiO2和A12O3开始与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，同时促进水泥水化反应进行;在后期，水泥水化产物Ca(OH)2等被大量消耗，水泥水化速率比较缓慢，此时，粉煤灰的反应速率也相应慢了下来。

在等强度(C25)配制条件下，混凝土7 d抗压强度随粉煤灰掺量的增加有所降低，但28 d和60 d抗压强度却在逐渐增加，且增幅均大于基准实验组(A1)的抗压强度。这主要是由于粉煤灰中的活性SiO2能逐渐地与游离Ca(OH)2和高碱性的水化硅酸钙(C/S≥1.5)发生二次火山灰反应生成低碱性水化硅酸钙(C/S≤1)，它的强度要比高碱性水化硅酸钙大得多，而粉煤灰中的活性成分A12O3还能与游离Ca(OH)2生成水化铝酸钙，或者活性成分SiO2和A12O3与游离Ca(OH)2生成水化铝硅酸钙，这2类水化产物也具有较高的强度，这样既消耗了大量的游离Ca(OH)2(Ca(OH)2是片状晶体，易使混凝土产生微裂隙)，减小了其不利影响，又增加了水泥石的强度［8］。在等强度配制条件下，随着粉煤灰掺量的增加，水胶比相应减小，在较低水胶比条件下，水泥浆体能提供更多的水化产物与粉煤灰中的活性物质反应，使得上述反应过程有所加强。因此，在等强度配制条件下粉煤灰混凝土的中后期强度要比普通混凝土的高。

3.2 抗冻性能

工程上常用相对动弹性模量结合质量损失率来衡量混凝土的抗冻融性。等强度和等水胶比设计时的28 d龄期混凝土试验结果见表3，不同冻融次数下混凝土中粉煤灰掺量和相对动弹模的关系见图2。等强度配制条件下，粉煤灰掺量为50%的混凝土受冻前后的微观分析见图3。

表3 混凝土冻融试验结果Table 3 Results of freeze-thaw test on the concrete

图2 不同冻融次数下混凝土中粉煤灰掺量和相对动弹性模量的关系Fig.2 Relationship between fly ash content and relative dynamic elastic modulus of the concrete at different freeze-thaw cycles

图3 粉煤灰混凝土冻融前后微观形态Fig.3 Microstructure of fly ash concrete before and after freeze-thaw cycles

根据图2，在等强度(C25)配制条件下，冻融150次，随粉煤灰掺量的增加，混凝土的相对动弹模和质量的损失没有明显变化;冻融200次后，在粉煤灰掺量达到50%后混凝土的相对动弹模的损失有所增大，但损失幅度并未超过2%，相对动弹模值基本保持在90%以上且质量损失在1.3%以内。在等水胶比(W/B=0.40)配制时，冻融150次和200次后，随粉煤灰掺量超过到50%后，粉煤灰混凝土的相对动弹模和质量的损失明显增大，参照普通混凝土抗冻试验［9－10］以及相关粉煤灰混凝土的抗冻试验［11］可以断定上述趋势在冻融循环次数增加后会更加明显。以上说明混凝土的抗冻融性与强度有很大关系，当混凝土的强度等级相同时，它们的抗冻融性并不随粉煤灰掺量的增加发生显著变化，而等水胶比配制的混凝土随粉煤灰掺量的增大，强度逐渐降低，抗冻融性也显著降低。

根据图3，粉煤灰混凝土受冻前水泥石与粗骨料的粘结面已经存在微裂缝，经过200次冻融循环后裂缝向水泥石内部扩展，气泡也出现了裂缝，随冻融循环次数的增加，裂缝会进一步扩展，从而使混凝土的整体性能下降。

为了研究粉煤灰混凝土在寒旱区遭遇轻度冻融后的自愈合能力，将在标准条件下养护至龄期28d和60d的混凝土试件分别进行冻融(循环200次)后置于自然条件下，再经过180 d的养护，然后进行抗压和劈裂抗拉强度试验，通过与冻前混凝土的力学性能进行比较，评价混凝土的冻后自愈合能力。试验结果见表4。

表4 粉煤灰混凝土冻后的自愈合能力Table 4 The self-healing properties of the fly ash concrete after freeze-thaw cycles

当混凝土的冻融损伤较轻时，经过自然条件下养护180 d后，混凝土的立方体抗压强度基本能够恢复甚至超过冻前的强度;劈裂抗拉强度则很难恢复到冻前的强度水平，与基准试验组(A1)相比，大掺量粉煤灰混凝土冻后的劈裂抗拉强度恢复有所增强，个别试验组还超过了冻前强度水平。这说明抗拉强度对冻融循环作用要比抗压强度更为敏感［12－13］，粉煤灰对混凝土抗拉强度的恢复有所帮助。粉煤灰掺量为50%的混凝土(A4)冻融循环200次自然条件下养护180 d后的微观分析见图4。

图4 粉煤灰混凝土冻融－养护180 d后的微观形态Fig.4 Microstructure of fly ash concrete after freeze-thaw and curing for 180 days

关于混凝土的冻融破坏机理还没有一个较为理想的理论来全面解释。目前，水工混凝土的破坏机理多以膨胀压力与渗透压力理论来解释［14］，该理论认为冻融破坏的主要原因是在低温度下，水结成冰产生体积膨胀，冷水迁移产生渗透压力以及混凝土表面存在温度梯度等致使混凝土内部产生拉应力，当混凝土材料某处承受的力超过其极限抗拉强度时，就会在该处产生微裂缝，微裂缝逐渐增大、扩展直至互相连通，致使混凝土的力学强度降低。

根据图4，混凝土冻融后经过180 d的自然养护，部分微裂缝通过粉煤灰的二次水化反应已经愈合并生成大量的菊花状C－S－H凝胶(见图4(a)和图4(b))，同时水泥水化作用也在缓慢进行，但还有一部分微裂缝受其周围的水泥或粉煤灰二次水化程度及养护环境的影响不能愈合(见图4(c))，这部分的微裂缝对抗拉强度的影响要远远大于对抗压强度的影响，致使抗拉强度不能像抗压强度那样恢复较好。部分粉煤灰颗粒表面仍较为光滑(见图4(d))，随养护时间的延长，二次水化反应还能发生，粉煤灰混凝土内部的微裂缝还有得到进一步修复的可能。

3.3 抗渗性能

结合水利工程对混凝土抗渗性能的要求，研究大掺量粉煤灰混凝土的抗渗系数随粉煤灰掺量的影响，将等强度和等水胶比条件下配制的混凝土进行抗渗试验。试验结果见表5。

表5 混凝土抗渗试验结果Table 5 Results of impermeability test on the concrete

由表5知，在等强度和等水胶比条件下配制的粉煤灰混凝土的抗渗性能均较好，能够满足抗渗等级为 W6(对应渗透系数为0.419×10－8cm/s)的水利工程要求。粉煤灰混凝土优良的抗渗性在于粉煤灰中活性成分SiO2和A12O3在水泥水化产物的激发下发生二次火山灰反应生成了低碱度的水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石，使Ca(OH)2显著减少，从而改善了混凝土的微观结构，减少混凝土的渗水通道，增加了混凝土的密实度，提高了混凝土的抗渗性能。当水泥与粉煤灰的配比较为合适时，如等强度配制条件下，水胶比为0.35，粉煤灰掺量在50%时，粉煤灰混凝土可以拥有更高的抗渗性能。

4 结论

(1)在等强度或等水胶比配制条件下，大掺量粉煤灰混凝土早期强度较低，中后期(尤其是中期)强度增长较快。水工混凝土结构可以考虑粉煤灰混凝土中后期强度的增长进行构件的强度设计。

(2)在等强度配制条件下，粉煤灰混凝土的抗压强度同时受粉煤灰掺量和水胶比的影响，在一定范围内(粉煤灰掺量≤50%，W/B≥0.35)，抗压强度随粉煤灰掺量的增加，水胶比的减小而增大;超过这一范围则减小。在等水胶比配制条件下，抗压强度受粉煤灰掺量的影响十分明显，随粉煤灰掺量的增加而显著降低。

(3)在等掺气量条件下，粉煤灰混凝土的抗冻融性与强度关系密切，强度越高其抗冻融越好;当冻融损伤较轻时，经过一段时间的养护，粉煤灰混凝土的抗压强度基本能够恢复到冻前水平，劈裂抗拉强度则很难恢复到冻前水平，这可能是寒旱区水工混凝土结构产生裂缝的主要原因之一。

(4)在等强度或等水胶比条件下配制的粉煤灰混凝土的抗渗性能均较好，能满足大部分水利工程的抗渗要求。

(5)在寒旱区，对抗冻融或抗渗要求较高的水工混凝土的粉煤灰掺量应控制在50%以内，这样既能保证水利工程在承受200次冻融循环作用后不发生较大的冻融破坏，还能拥有优良的抗渗性能。

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