摻礦粉與粉煤灰高強度水工混凝土性能研究

趙 杰

(新民市水利事務服務中心,遼寧 新民 110300)

目前,在水工混凝土中僅使用水泥這一膠凝材料,已無法保證水工結構長效安全運行要求,必須開發展其它替換或補充的輔助性膠凝材料[1]。我國工業生產灰形成礦渣、粉煤灰等大量摻合料,通過合理利用這些摻合料配制混凝土既有較好的經濟效益,還有利于推動節約型社會建設和資源的循環利用。在研制高強度混凝土時礦物摻合料和外加劑已成為兩個關鍵性材料,摻入礦物摻合料既可以實現工業廢料的充分利用,與節能減排綠色發展的理念相符,同時有利于優化水泥砂漿內部結構,改善混凝土的抗腐蝕、抗滲透性和工作性[2-3]。近年來,大體積混凝土因內外溫差過高而出現開裂的工程案例不斷增多,實踐表明雙摻礦粉與粉煤灰能夠明顯降低內部溫升,現已成為最有效、最常用的混凝土溫裂控制的常用技術。

針對摻礦粉與粉煤灰許多學者開展了廣泛研究,并認為混凝土受摻合料的影響顯著,如吳建華等認為摻量較小時粉煤灰能夠有效增強試件強度,而摻量超過25%可顯著影響早期強度發展,并且摻量越高其早期強度越低;Mesbah等利用超聲波檢測法和數值模擬法,探討了動彈性模量的早齡期變化特征以及動、靜彈性模量之間的關系,結果發現試件動彈模量隨齡期的延長而提高,并且早齡期動彈模量增幅更大;李軍等試驗探討了混凝土各齡期強度受不同礦物混合料的影響,結果發現復摻粉煤灰與礦粉條件下,試件強度隨礦粉摻配比例的增大逐漸提高,復摻總量達到20%時強度達到最高。摻合料可以減少拌和物的離析、泌水情況,有利于改善拌合物和易性、體積穩定性、后期強度以及整體耐久性,對抑制堿骨料反應與抵抗酸堿腐蝕也發揮著一定作用[4-8]。鑒于此,文章結合水利工程特點和運行環境特征,全面探討了高強度水工混凝土受礦粉與粉煤灰摻量的影響作用。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗所用原材料有海螺P·O42.5級水泥,標稠用水量27.6%,經檢測其主要性能參數見表1。

表1 水泥的主要性能指標

骨料選用粒徑5～25mm玄武巖碎石和大連地區產河砂,碎石級配連續,壓碎值8.6%,含泥量0.5%,表觀密度2780kg/m3,針片狀含量5.1%;砂的細度模數2.9,表觀密度2570kg/m3,含泥量0.7%。

試驗采用鞍山熱電廠生產的F類Ⅰ級粉煤灰和誠遠S95級磨細礦粉,粉煤灰燒失量1.05%,細度12.8%,需水量比96%,密度2.35g/cm3;礦粉密度2.85g/cm3,燒失量1.10%,比表面積450m2/kg。外加劑用蘇博特PCA-Ⅳ液態聚羧酸高效減水劑,固含量40%,拌和水用自來水。

根據《水工混凝土配合比設計規程》和以上原材料合理設計配合比,固定水膠比0.32和砂率38%不變,設計10%、20%、30%三種粉煤灰摻量和10%、20%兩種礦粉摻量,減水劑摻量0.016%,試驗配合比及拌合物坍落度見表2。結果顯示,摻入礦粉與粉煤灰可有效改善拌合物工作性,并且粉煤灰相比于礦粉的改善作用更加顯著,這是因為玻璃體的礦粉和粉煤灰顆粒發揮著一定減水作用,球形玻璃體的粉煤灰對工作性的提升作用更明顯。

表2 試驗配合比及拌合物坍落度

1.2 測試方法

1)強度測試。根據《水工混凝土試驗規程》進行不同齡期各組強度的測試,成型尺寸為150mm×150mm×150mm,拌合均勻后澆筑入模,靜置24h拆模并移入標養室養護至設計齡期,參照規范測定強度。

2)抗氯離子滲透性測試。采用NEL法測定水工混凝土中的氯離子擴散系數,其主要測試流程如下:現將養護至設計齡期的試件切割成50m×100mm×100mm的試塊,選擇除砂漿富集面的其它側面為電極接觸的兩個面,打磨光滑被測表面;然后在真空飽鹽環境中浸泡試件,并選用ENL-PD型滲透檢測系統測定飽鹽試件在低電壓條件下的擴散系數。

3)抗凍性測試。依據《水工混凝土試驗規程》進行各組試件28d齡期抗凍性能測試,成型試件為400mm×100mm×100mm的長方體。

2 試驗結果分析

2.1 對長期強度的影響

水工混凝土長期強度受礦粉和粉煤灰的影響如表3,結果發現摻礦粉與粉煤灰均可在一定程度上降低試件早期強度,并且摻合料的摻量越高所引起的早期強度降幅越大。相同摻量條件下,摻礦粉整體高于粉煤灰試件強度。

表3 水工混凝土長期強度試驗值

雖然基準對照組C1的28d強度較高達到50.50MPa,摻礦粉或粉煤灰組相對較低,但隨著時間的延長摻粉煤灰和礦粉組試件強度快速發展并超過基準對照組,養護齡期為180d時摻30%粉煤灰組C6的抗壓強度達到77.70MPa,其高于基準對照組的66.96MPa,該組的強度增長率最大為167%。礦粉優于粉煤灰的活性,摻量相同條件下礦粉組整體高于粉煤灰組的早期和后期強度,其強度增長幅度相較于粉煤灰組略低。另外,摻礦粉和粉煤灰組相較于基準對照組的后期強度增幅明顯較高。

2.2 對抗氯離子滲透性的影響

氯離子擴散系數是衡量水工混凝土耐久性較為常用的參數因子,試驗測定摻不同礦粉和粉煤灰用量各組試件的氯離子擴散系數如表4,通過數據分析揭示礦粉與粉煤灰改善抗氯離子滲透性的作用效應[9]。

表4 抗氯離子滲透系數值

從表4可以看出,C1～C6組試件的氯離子擴散系數均處于3E-08cm2/s以內,其中摻10%、20%、30%粉煤灰組均低于基準對照組的氯離子擴散系數,并且增大粉煤灰摻量有利于降低擴散系數,說明摻入粉煤灰明顯提高了基體的抗滲透性。究其原因是粉煤灰參與二次水化對水泥石內部孔隙具有填充作用,試件的整體密實度提高;另外,粉煤灰中含有的鐵離子可以抑制氯離子的擴散,在一定程度上降低離子侵蝕速度,并且水泥砂漿由于含有粉煤灰其內部通道變得更加復雜,相較于基準組使得氯離子侵蝕難度明顯增大。

通過對比分析摻礦粉和粉煤灰組擴散系數可知,摻量相同條件下摻礦粉相比于摻粉煤灰試件的氯離子擴散系數耕地,如摻10%礦粉組C4低于摻10%粉煤灰組C2的擴散系數,摻20%礦粉組C5低于摻20%粉煤灰組C3的擴散系數,說明礦粉對于提高混凝土抗氯離子滲透性的作用效應更顯著。這主要與以下因素有關:①礦粉有利于改善水泥石內部孔隙的幾何形狀和孔徑分布;②水化過程中礦粉可以生成更多的C-S-H凝膠,其對氯化物的吸附作用更強,可以更好地堵塞孔隙通道,從而大大降低氯離子擴散系數;③摻入礦粉會增大基體通道彎曲程度,使得離子擴散阻力增大;④氯離子滲透到混凝土內部后可以被礦粉中的C3A等礦物成分捕捉生成C3A·CaCl2·10H2O(Friedel鹽)[10]。

2.3 對抗凍性的影響

研究選用相對動彈模量反映混凝土的抗凍性能,凍融循環50、100、150、200、250、300次時,摻不同礦粉和粉煤灰摻量時試件的相對動彈模量見表5。

表5 抗氯離子滲透系數值

由表5可知,水工混凝土抗凍性受礦物摻合料的影響較小,凍融循環300次時C1～C6組試件的相對動彈模量均>80%,按照評定標準各組試件均達到F300抗凍等級。具體而言,摻礦粉組相較于粉煤灰組的抗凍性略好,相對動彈模量隨著摻合料用量的增多均表現出小幅下降趨勢,其中摻10%和20%礦粉或粉煤灰組的相對動彈模量降幅不明顯,只有摻30%粉煤灰組的相對動彈模量降幅相對較大[11]。這是因為試驗配制的試件強度較高,整體致密性和抗凍性較好。摻入摻合料會起到一定的二次水化作用,從而增大水泥石的致密度,C2～C6組的28d強度與基準組相近,該條件使得抗凍性較高;若進一步增大粉煤灰摻量至30%,由于摻量過高使得參與水化的水泥不足,試件的28d強度和抗凍性相較于其它組略低。

3 結 論

在水工混凝土中摻入適量礦粉與粉煤灰有利于促進后期強度的發展,并且礦粉相比于粉煤灰的促進作用更明顯,但粉煤灰尤其是大摻量條件下對后期強度的促進作用高于礦粉。水工混凝土抗氯離子滲透性隨著礦粉與粉煤灰摻量的增加而提高,且礦粉對氯離子滲透性的改善作用優于粉煤灰。礦粉與粉煤灰摻量不超過20%時抗凍性的影響較低,進一步提高粉煤灰摻量至30%時使得混凝土強度和抗凍性有所降低。