掺矿粉与粉煤灰高强度水工混凝土性能研究

赵 杰

(新民市水利事务服务中心,辽宁 新民 110300)

目前,在水工混凝土中仅使用水泥这一胶凝材料,已无法保证水工结构长效安全运行要求,必须开发展其它替换或补充的辅助性胶凝材料[1]。我国工业生产灰形成矿渣、粉煤灰等大量掺合料,通过合理利用这些掺合料配制混凝土既有较好的经济效益,还有利于推动节约型社会建设和资源的循环利用。在研制高强度混凝土时矿物掺合料和外加剂已成为两个关键性材料,掺入矿物掺合料既可以实现工业废料的充分利用,与节能减排绿色发展的理念相符,同时有利于优化水泥砂浆内部结构,改善混凝土的抗腐蚀、抗渗透性和工作性[2-3]。近年来,大体积混凝土因内外温差过高而出现开裂的工程案例不断增多,实践表明双掺矿粉与粉煤灰能够明显降低内部温升,现已成为最有效、最常用的混凝土温裂控制的常用技术。

针对掺矿粉与粉煤灰许多学者开展了广泛研究,并认为混凝土受掺合料的影响显著,如吴建华等认为掺量较小时粉煤灰能够有效增强试件强度,而掺量超过25%可显著影响早期强度发展,并且掺量越高其早期强度越低;Mesbah等利用超声波检测法和数值模拟法,探讨了动弹性模量的早龄期变化特征以及动、静弹性模量之间的关系,结果发现试件动弹模量随龄期的延长而提高,并且早龄期动弹模量增幅更大;李军等试验探讨了混凝土各龄期强度受不同矿物混合料的影响,结果发现复掺粉煤灰与矿粉条件下,试件强度随矿粉掺配比例的增大逐渐提高,复掺总量达到20%时强度达到最高。掺合料可以减少拌和物的离析、泌水情况,有利于改善拌合物和易性、体积稳定性、后期强度以及整体耐久性,对抑制碱骨料反应与抵抗酸碱腐蚀也发挥着一定作用[4-8]。鉴于此,文章结合水利工程特点和运行环境特征,全面探讨了高强度水工混凝土受矿粉与粉煤灰掺量的影响作用。

1 试验方法

1.1 原材料

试验所用原材料有海螺P·O42.5级水泥,标稠用水量27.6%,经检测其主要性能参数见表1。

表1 水泥的主要性能指标

骨料选用粒径5～25mm玄武岩碎石和大连地区产河砂,碎石级配连续,压碎值8.6%,含泥量0.5%,表观密度2780kg/m3,针片状含量5.1%;砂的细度模数2.9,表观密度2570kg/m3,含泥量0.7%。

试验采用鞍山热电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰和诚远S95级磨细矿粉,粉煤灰烧失量1.05%,细度12.8%,需水量比96%,密度2.35g/cm3;矿粉密度2.85g/cm3,烧失量1.10%,比表面积450m2/kg。外加剂用苏博特PCA-Ⅳ液态聚羧酸高效减水剂,固含量40%,拌和水用自来水。

根据《水工混凝土配合比设计规程》和以上原材料合理设计配合比,固定水胶比0.32和砂率38%不变,设计10%、20%、30%三种粉煤灰掺量和10%、20%两种矿粉掺量,减水剂掺量0.016%,试验配合比及拌合物坍落度见表2。结果显示,掺入矿粉与粉煤灰可有效改善拌合物工作性,并且粉煤灰相比于矿粉的改善作用更加显著,这是因为玻璃体的矿粉和粉煤灰颗粒发挥着一定减水作用,球形玻璃体的粉煤灰对工作性的提升作用更明显。

表2 试验配合比及拌合物坍落度

1.2 测试方法

1)强度测试。根据《水工混凝土试验规程》进行不同龄期各组强度的测试,成型尺寸为150mm×150mm×150mm,拌合均匀后浇筑入模,静置24h拆模并移入标养室养护至设计龄期,参照规范测定强度。

2)抗氯离子渗透性测试。采用NEL法测定水工混凝土中的氯离子扩散系数,其主要测试流程如下:现将养护至设计龄期的试件切割成50m×100mm×100mm的试块,选择除砂浆富集面的其它侧面为电极接触的两个面,打磨光滑被测表面;然后在真空饱盐环境中浸泡试件,并选用ENL-PD型渗透检测系统测定饱盐试件在低电压条件下的扩散系数。

3)抗冻性测试。依据《水工混凝土试验规程》进行各组试件28d龄期抗冻性能测试,成型试件为400mm×100mm×100mm的长方体。

2 试验结果分析

2.1 对长期强度的影响

水工混凝土长期强度受矿粉和粉煤灰的影响如表3,结果发现掺矿粉与粉煤灰均可在一定程度上降低试件早期强度,并且掺合料的掺量越高所引起的早期强度降幅越大。相同掺量条件下,掺矿粉整体高于粉煤灰试件强度。

表3 水工混凝土长期强度试验值

虽然基准对照组C1的28d强度较高达到50.50MPa,掺矿粉或粉煤灰组相对较低,但随着时间的延长掺粉煤灰和矿粉组试件强度快速发展并超过基准对照组,养护龄期为180d时掺30%粉煤灰组C6的抗压强度达到77.70MPa,其高于基准对照组的66.96MPa,该组的强度增长率最大为167%。矿粉优于粉煤灰的活性,掺量相同条件下矿粉组整体高于粉煤灰组的早期和后期强度,其强度增长幅度相较于粉煤灰组略低。另外,掺矿粉和粉煤灰组相较于基准对照组的后期强度增幅明显较高。

2.2 对抗氯离子渗透性的影响

氯离子扩散系数是衡量水工混凝土耐久性较为常用的参数因子,试验测定掺不同矿粉和粉煤灰用量各组试件的氯离子扩散系数如表4,通过数据分析揭示矿粉与粉煤灰改善抗氯离子渗透性的作用效应[9]。

表4 抗氯离子渗透系数值

从表4可以看出,C1～C6组试件的氯离子扩散系数均处于3E-08cm2/s以内,其中掺10%、20%、30%粉煤灰组均低于基准对照组的氯离子扩散系数,并且增大粉煤灰掺量有利于降低扩散系数,说明掺入粉煤灰明显提高了基体的抗渗透性。究其原因是粉煤灰参与二次水化对水泥石内部孔隙具有填充作用,试件的整体密实度提高;另外,粉煤灰中含有的铁离子可以抑制氯离子的扩散,在一定程度上降低离子侵蚀速度,并且水泥砂浆由于含有粉煤灰其内部通道变得更加复杂,相较于基准组使得氯离子侵蚀难度明显增大。

通过对比分析掺矿粉和粉煤灰组扩散系数可知,掺量相同条件下掺矿粉相比于掺粉煤灰试件的氯离子扩散系数耕地,如掺10%矿粉组C4低于掺10%粉煤灰组C2的扩散系数,掺20%矿粉组C5低于掺20%粉煤灰组C3的扩散系数,说明矿粉对于提高混凝土抗氯离子渗透性的作用效应更显著。这主要与以下因素有关:①矿粉有利于改善水泥石内部孔隙的几何形状和孔径分布;②水化过程中矿粉可以生成更多的C-S-H凝胶,其对氯化物的吸附作用更强,可以更好地堵塞孔隙通道,从而大大降低氯离子扩散系数;③掺入矿粉会增大基体通道弯曲程度,使得离子扩散阻力增大;④氯离子渗透到混凝土内部后可以被矿粉中的C3A等矿物成分捕捉生成C3A·CaCl2·10H2O(Friedel盐)[10]。

2.3 对抗冻性的影响

研究选用相对动弹模量反映混凝土的抗冻性能,冻融循环50、100、150、200、250、300次时,掺不同矿粉和粉煤灰掺量时试件的相对动弹模量见表5。

表5 抗氯离子渗透系数值

由表5可知,水工混凝土抗冻性受矿物掺合料的影响较小,冻融循环300次时C1～C6组试件的相对动弹模量均>80%,按照评定标准各组试件均达到F300抗冻等级。具体而言,掺矿粉组相较于粉煤灰组的抗冻性略好,相对动弹模量随着掺合料用量的增多均表现出小幅下降趋势,其中掺10%和20%矿粉或粉煤灰组的相对动弹模量降幅不明显,只有掺30%粉煤灰组的相对动弹模量降幅相对较大[11]。这是因为试验配制的试件强度较高,整体致密性和抗冻性较好。掺入掺合料会起到一定的二次水化作用,从而增大水泥石的致密度,C2～C6组的28d强度与基准组相近,该条件使得抗冻性较高;若进一步增大粉煤灰掺量至30%,由于掺量过高使得参与水化的水泥不足,试件的28d强度和抗冻性相较于其它组略低。

3 结 论

在水工混凝土中掺入适量矿粉与粉煤灰有利于促进后期强度的发展,并且矿粉相比于粉煤灰的促进作用更明显,但粉煤灰尤其是大掺量条件下对后期强度的促进作用高于矿粉。水工混凝土抗氯离子渗透性随着矿粉与粉煤灰掺量的增加而提高,且矿粉对氯离子渗透性的改善作用优于粉煤灰。矿粉与粉煤灰掺量不超过20%时抗冻性的影响较低,进一步提高粉煤灰掺量至30%时使得混凝土强度和抗冻性有所降低。