基于不同粉煤灰品质的水工混凝土性能试验研究

李亚楠

(朝阳县水务局，辽宁 朝阳 122000)

粉煤灰是混凝土原料中用量最大的一种具有火山灰活性的材料，这种矿物掺合料能有效改善混凝土的和易性及其耐久性，现已广泛应用于混凝土特别是大体积水工混凝土工程[1-2]。粉煤灰作为燃煤火力发电厂生产的工业废料，其化学和物理组成尤其是物理性质具有明显的差异，即使同一电厂不同时段因电力负荷增减、煤种变化等因素导致的燃烧条件发生变化，也会较大的影响粉煤灰的形貌和结构[3]。现行技术规范将粉煤灰按品质标准划分成3个等级，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，并明确了不同等级的技术指标。混凝土性能受不同等级粉煤灰的影响有所差异，其中Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰多用于永久建筑物水工混凝土[4]。鉴于此，文章利用化学成分和物理结构不同的Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰，探讨了混凝土抗冲磨性能受不同等级粉煤灰的影响，为为改善混凝土性能以及掺粉煤灰方案设计提供数据支持。

1 配合比设计

1.1 原材料准备

本试验选用P·O 42.5级“海螺牌”中热硅酸盐水泥作为胶凝材料，经检测其性能指标符合相关技术要求。水泥的物理性能，见表1。

粗骨料选用人工碎石，细骨料选用人工砂，粗细骨料的性能，见表2。结果显示，粗骨料和人工砂的性能指标均符合施工规范有关要求。外加剂选用苏博特生产的GYQ®-Ⅰ高效引气剂和马贝流态X404高效缓凝减水剂。

表2 粗细骨料的性能

粉煤灰选用Ⅰ、Ⅱ级两个等级，物理品质和化学分析，粉煤灰的性能，见表3。结果显示，两种粉煤灰均符合粉煤灰技术规范相关要求。

表3 粉煤灰的性能

1.2 配合比设计

试验选用苏博特GYQ®-Ⅰ高效引气剂、马贝流态X404高效缓凝减水剂、花岗岩人工骨料、海螺中热硅酸盐水泥、Ⅰ和Ⅱ级两种品质粉煤灰，以粉煤灰替代20%水泥讨其对水工混凝土性能的影响。掺加Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的常态混凝土成型四种强度试件，试验配合比，见表4。

表4 试验配合比

(a)抗压强度

(b)劈裂强度

2 试验结果

2.1 力学性能

混凝土掺Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的劈裂强度、抗压强度及进行比，混凝土强度对比图，见图1；抗压弹模、极限拉伸值、轴拉强度试验结果进行其对比，混凝土强度增长率和力学性能，见表5。然后以28d强度为基准计算7d、90d混凝土强度增长率，混凝土强度增长率和力学性能，见表5。

表5 混凝土强度增长率和力学性能

以龄期28d的试验数据为基准，混凝土掺Ⅰ级粉煤灰的7d和90d抗压强度增长率处于68-75%、120-131%之间，7d和90d劈裂强度增长率处于69%-74%、120%-133%范围，各水胶比试样的抗压强度均符合C50、C40、C9050、C9040设计要求。此外，混凝土掺Ⅰ级粉煤灰略高于掺Ⅱ级粉煤灰的力学性能，这是由于Ⅰ级粉煤灰的颗粒更细、细度更小，较大的比表面积可以更好地参与活化反应，对于提高混凝土的后期力学性能发挥着更加明显的作用[5]。

通过对比C9040、C9050试验结果发现，90d龄期时掺Ⅰ级粉煤灰的混凝土极限拉伸值和轴拉强度均高于掺Ⅱ级粉煤灰的，抗压弹模变化不明显。一般地，砂石料性质相同的条件下，水泥浆体积越大则混凝土的极限拉伸值越高；粉煤灰的掺入会降低早期强度，在一定程度上减少早期极限拉伸值，但粉煤灰能够有效控制水泥的水化温升[6-7]。因此，将粉煤灰掺入混凝土中可以抵抗温度裂缝，但混凝土强度和极限拉伸值受不同粉煤灰等级的影响存在一定差异，由于Ⅰ级粉煤灰的颗粒更细、细度更小，较大的比表面积可以更好地参与活化反应，对提高后期抗拉强度和极限拉伸值具有更加显著的作用。

2.2 干缩率

随龄期变化掺Ⅰ级粉煤灰的干缩率试验结果，不同龄期的干缩率变化曲线，见图2，不同粉煤灰品质、相同强度等级的干缩率试验结果，不同粉煤灰品质的干缩率变化曲线，见图3。

图2 不同龄期的干缩率变化曲线

(a)C9040强度等级

(b)C9050强度等级

试验表明，设计龄期内掺Ⅰ级粉煤灰的干缩率相对较低，将粉煤灰掺入到混凝土中能够减少拌合水用量，既能将大毛细孔变小还可减少内部毛细孔数量，对于控制毛细孔中的水分蒸发以及混凝土干缩变形具有积极作用[8]。掺Ⅰ级粉煤灰优于掺Ⅱ级粉煤灰的减水效果，因其细度更小可以更好地控制混凝土毛细孔水蒸发及其干缩变形。

2.3 抗冻抗渗性

设计龄期内掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰的抗冻和抗渗性能，混凝土抗冻、抗渗性能，见表6。试验表明，强度等级相同的情况下，掺Ⅰ级粉煤灰略高于掺Ⅱ级粉煤灰的抗渗性，并且随着水灰比的增大混凝土掺粉煤灰的抗渗性能逐渐下降。一般地，混凝土渗透的水分是内部气泡空隙、泌水形成的毛细孔和界面过渡区之间的裂缝渗透而来[9]，Ⅰ级粉煤灰的掺入可以改善混凝土内部孔隙，减少毛细孔通道，所以对于改善混凝土抗渗性Ⅰ级粉煤灰的效果更优。

表6 混凝土抗冻、抗渗性能

由表6可知，强度等级相同的情况下，混凝土掺Ⅱ级粉煤灰的相对动弹模量和质量损失率均优于掺Ⅰ级粉煤灰。从冻融破坏机理的角度上，混凝土内部孔结构在很大程度上决定了其抗冻性能，Ⅰ级粉煤灰减少内部气泡的效果要优于Ⅱ级粉煤灰，而结冰时产生的膨胀应力被更多的孔隙切断，所以混凝土掺Ⅰ级粉煤灰的抗冻性能不如掺Ⅱ级粉煤灰[11]。

2.4 抗冲磨性能

掺Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的混凝土抗冲磨性能利用圆环法、水下钢球法测定，混凝土的抗冲磨强度，见表7。试验表明，水胶比和强度等级相同的情况下，混凝土掺Ⅰ级粉煤灰略高于掺Ⅱ级粉煤灰的抗冲磨强度。实际上，混凝土的强度与其抗冲耐磨性能存在正相关关系，Ⅰ级粉煤灰的颗粒更细、细度更小，其较大的比表面积可以更好地参与活化反应，明显提高混凝土后期强度，所以掺Ⅰ级粉煤灰优于掺Ⅱ级粉煤灰的抗冲耐磨性能[12-16]。

表7 混凝土的抗冲磨强度

3 结 论

1)混凝土和易性相同时，混凝土掺Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的用水量、砂率相当，不同水胶比下混凝土掺Ⅰ级粉煤灰的C50、C40、C9050、C9040强度均符合设计要求。

2)水胶比相同时，混凝土掺Ⅰ级粉煤灰略高于掺Ⅱ级粉煤灰的极限拉伸值、轴拉强度和抗压强度，但抗压弹模变化不明显，掺Ⅰ级粉煤灰的干缩率相对更低。

3)强度等级相同时，混凝土掺Ⅰ级粉煤灰的抗渗性能略优于掺Ⅱ级粉煤灰，但其抗冻性能不如掺Ⅱ级粉煤灰；水胶比和强度等级相同时，混凝土掺Ⅰ级粉煤灰优于掺Ⅱ级粉煤灰的抗冲耐磨性能。