基于不同掺合料的水利工程混凝土性能试验研究

刘 丽

( 绥中县水利事务服务中心，辽宁 绥中 125200)

混凝土作为一种被广泛应用的人造材料，在水利、道路、桥梁、房建、市政等工程领域的用量最大。水工混凝土施工既要关注工作性能，还要重点考虑透水与力学性能[1]。一般地，普通混凝土应考虑保水性、黏聚性以及流动性等工作性能，显然混凝土的成型质量与拌和物的工作性能直接相关，若流动性过大会给混凝土硬化成型带来较大影响，并且成型后会造成诸多内部缺陷[2]。因此，混凝土取得较好物理力学性能的重要条件是保证其良好的工作性能。近年来，为满足快速发展的水利事业需求混凝土用量急剧增大，并且质量需求也不断提高，这就要求各种外加剂和掺合料的合理搭配使用。掺合料主要是指工业生产的废弃物或者伴随物，在混凝土中加入适量的掺合料既可改善其工作性能，又能变害为利，节省水泥用量，其实用意义重大。我国具有非常丰富的矿粉、硅粉、粉煤灰等工业废弃物资源，对其资源化利用与转化是解决建筑材料不足等问题的重要途径，这也是推进经济高质量发展的关键。因此，文章利用室内试验法探讨了不同掺量及不同掺和方式下，硅灰、矿粉和粉煤灰掺合料对水工混凝土性能的影响规律，以期为水工混凝土中掺合料的合理使用提供一定支持。

1 试验研究

1.1 原材料准备

试验所用水泥为普通硅酸盐P·O 42.5级水泥，对水泥各项指标按照标准规范进行检验，结果表明其各项指标都符合要求可以用于试验研究。试验所用粗、细骨料为机制碎石和河沙，碎石粒径5-30mm，河沙性能符合有关规范要求。试验所用掺合料有矿粉、硅粉和粉煤灰三种，其中矿粉的主要功能是改善混凝土性能、减少用水量和降低水化热，矿粉型号S75级，所用的硅粉比表面积为20500m2/km，粉煤灰为F型Ⅱ级，经检测粉煤灰各项性能指标符合Ⅱ级灰要求。试验所用减水剂为高效萘系减水剂，膨润土为膨胀倍数为9.0的钙基膨润土，拌和水为自来水。

1.2 方案设计

以《普通混凝土配合比设计规程》为基准，通过计算与试配确定混凝土的基准配合比：砂率36%、水胶比0.45、减水剂1.2kg/m3、用水量240kg/m3。根据具体要求和实际情况，优化调整配合比有关参数，主要是考虑和易性和凝固时间调整用水量及胶凝材料用量。膨润土的掺入使得塑性混凝土的吸水率较高，所以拌和水用量较高，将水胶比从0.45增加到0.7；一般地，塑性混凝土砂率大多>50%，考虑到粗骨料的使用情况，以最低限度50%作为最终的差率；由于膨润土的吸水率较高，有必要适当调整减水剂用量，将减水剂从1.2kg/m3减少至0.9kg/m3。综上分析，确定混凝土试验配合比，即粗骨料：细骨料：膨润土：用水量、减水剂=780：720：100：350：0.9，砂率50%，水胶比0.7。有关研究认为掺合料的掺加比例≤50%，掺合料产量过大既会影响混凝土的耐久性和力学特性，还不利于其性能的改善。综合考虑经济成本和以上因素，本试验将矿粉、硅灰、粉煤灰按30%、15%、0%的掺和比例等量替代水泥，采用三掺和两两混掺的掺和方式，如表1所示。

表1 方案设计

1.3 试验方法

目前，坍落度法和维勃稠度试验是测量混凝土工作性能的两种常用方法。考虑实际情况与研究需要，拟利用《水工混凝土试验规程》推荐的方法测试扩展度和坍落度，试验过程中应用到的设备有铁板、小铲、振棒、钢尺和坍落度量筒等。试验前先湿润塌落度筒壁，擦干多余水分后放置于湿润过的钢板上，固定好塌落度筒并装入拌制好的混凝土，填充高度约为筒高1/3时用振捣棒振密实，继续装填至满；然后垂直提起塌落度筒，控制该过程不超过10s，混凝土坍落度就是圆柱体下降的高度(配套工具测量)；最后，铁板上混凝土完全铺开后测量其最小和最大铺开半径，取平均值就是扩展度。

2 结果与分析

2.1 试验结果

根据前文所述试验方法和设计方案，测试混凝土扩展度与坍落度，整理统计试验数据如表2所示。由表2可知，混凝土材料组分不同其扩展度与坍落度测试结果不同，表明混凝土工作性能受掺合料掺加方式和掺量的影响较为明显。

表2 不同方案的试验结果

2.2 掺量影响

为了深入探讨混凝土工作性能受掺合料掺量的影响，整理相关试验数据生成不同掺量下各种掺和方式的扩展度与坍落度变化曲线，如图1所示。

(a)坍落度

(b)扩展度

从1图可以看出，掺和方式为硅灰+粉煤灰时，随掺量的增加混凝土扩展度与坍落度均呈现出增大趋势；其他掺和方式下，随掺量增加混凝土的扩展度与坍落度均呈现出减小趋势，其中矿粉+硅灰的减小幅度较大，而矿粉+粉煤灰的减小幅度偏小。这是由于硅灰与矿粉都有减弱混凝土流动性的作用，两者的叠加作用使得扩展度与塌落度减小幅度更加明显，但掺量从0%提高到15%时的减小幅度明显高于从15%提高到30%的减小幅度，即硅灰与矿粉的填充效应可能随着掺量的增加趋于弱化；矿粉与硅灰掺量增大后，微粒会起到润滑作用，对硅灰与矿粉减弱混凝土流动性的作用产生一定的抵消。

2.3 掺和方式影响

为深入探讨混凝土工作性能受掺合料掺加方式的影响，整理相关试验数据生成不同掺和方式的扩展度与坍落度变化曲线，如图2所示。

(a)坍落度

(b)扩展度

从2图可以看出，掺量15%情况下，混凝土扩展度与坍落度受不同掺和方式的影响不同，其中硅灰+粉煤灰的扩展度与坍落度呈明显增加的变化特征，其他掺和方式均呈减小趋势；掺量30%情况下，混凝土扩展度与坍落度受不同掺和方式的影响特征基本类似，即硅灰+粉煤灰方案的扩展度与坍落度呈明显增加的变化特征，其他掺和方式均呈减小趋势。综上分析，硅灰+粉煤灰掺和方式能够明显增加扩展度与坍落度，同等条件下使扩展度与坍落度达到最大；矿粉+硅粉掺和方式能够明显减小扩展度与坍落度，同等条件下使扩展度与坍落度达到最小。深入分析发现，硅粉与矿粉都有减弱混凝土流动性的作用，两者的叠加作用使得扩展度与塌落度减小幅度更加明显；掺和方式为硅粉+粉煤灰时，硅灰降低扩展度与坍落度的作用明显<粉煤灰的增加作用，两者的叠加作用使得扩展度与塌落度最终有明显增大。

2.4 讨论分析

本试验以扩展度与塌落度作为混凝土工作性能分析指标，并简要介绍了试验方法和所用的仪器设备，最后探讨了试验结果，主要结论如下：不同掺量条件下，随硅粉与粉煤灰掺量的增加混凝土扩展度以及坍落度均表现出增加变化趋势，随矿粉与硅粉、粉煤灰和矿粉与硅灰、矿粉与粉煤灰掺量的增加扩展度及坍落度减小；不同掺和方式条件下，在15%和30%掺量时，矿粉与硅粉两两混掺时的扩展度和坍落度均达到最小值，硅灰与粉煤灰两两混掺时扩展度与坍落度均达到最大值。

随着混凝土应用的日趋广泛，水利工程对混凝土性能的要求也越来越高。针对相对薄弱的混凝土工作性能研究，文章利用室内试验法探讨了混凝土工作性能受不同掺和方式与掺量的影响，并提出相应的结论，为保证水利工程质量和改善水工混凝土性能提供一定指导。此外，这种能够反映水工结构实际运行环境的研究，也为推动水工材料的实际应用进程和理论研究发展提供了有益参考。

3 结 论

文章利用室内试验的方法探讨了混凝土工作性能受硅灰、矿粉、粉煤灰不同产量及掺和方式的影响，主要结论如下：

1)硅粉+粉煤灰掺和条件下，随着掺量的增加混凝土扩展度与坍落度均明显增大；矿粉+硅灰、矿粉+粉煤灰和三掺方式下，随着掺量的增加混凝土扩展度与坍落度均有所减小。其中，减小幅度较小的掺和方式是矿粉+粉煤灰，而减小幅度明显较大的掺和方式是矿粉+硅灰。

2)混凝土扩展度与坍落度受不同掺和方式的影响存在明显差异，其中硅灰+粉煤灰的扩展度与坍落度呈明显增加的变化特征，其他掺和方式呈减小的变化特征，并且矿粉+硅灰掺和方式的扩展度与塌落度最小。