高粉煤灰掺量碾压混凝土的性能研究

2012-10-22刘冬梅

三峡大学学报(自然科学版) 2012年4期

刘冬梅

（三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002）

碾压混凝土与常态混凝土相比，具有骨料用量多，水泥用量少，掺用较大比例的掺合料，混凝土拌合物不具有流动性，坍落度为零，粘聚性小等特点.由于采用碾压混凝土修筑大坝，具有造价低，建设速度快的优点，目前在我国碾压混凝土已经被广泛的用于修建各种中型和大型的混凝土大坝［1－2］.为了提高碾压混凝土的温度抗裂性，我国常用的碾压混凝土中均掺有大量的粉煤灰.本文将对高粉煤灰掺量碾压混凝土的力学性能、变形性能以及耐久性能进行研究.

1 试验原材料及试验内容

1.1 试验原材料

为了尽可能多掺粉煤灰以降低碾压混凝土的绝热温升，试验采用42.5普通硅酸盐水泥.水泥的化学组成和力学性能见表1.粉煤灰为安徽平圩电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰颜色灰白，部分形成松散的小球，其物理性能和化学成分测试结果见表2.从表2可以看出，该粉煤灰的SiO2和Al2O3之和高达92%，28d抗压强度比为82.3%，说明其具有较高的潜在活性.该粉煤灰需水量比很低，筛余量很小，说明这些粉煤灰颗粒极细且多数颗粒为球形.配制混凝土所用的细骨料为河砂，中砂.粗骨料为碎石，最大粒径为40mm和80mm.混凝土中掺用了0.5%的ZB－1缓凝型高效减水剂和ZB－2引气剂.

表1 水泥的力学性能和化学组成

表2 粉煤灰的物理性能和化学成分

1.2 混凝土配合比

试验分别成型了高掺粉煤灰的二级配碾压混凝土和三级配碾压混凝土，混凝土的强度等级为C20，强度设计龄期为90d，混凝土的配比见表3.

表3 碾压混凝土配合比

1.3 试验方法

根据SL352－2006水工混凝土试验规程中规定的方法对混凝土的力学性能、变形性能、耐久性能进行了测定.

2 试验结果以及分析

2.1 碾压混凝土的力学性能

高粉煤灰掺量碾压混凝土的测试结果如图1所示.碾压混凝土的成型方法以及配合比选择都与普通混凝土有较大的差别，因此，碾压混凝土的力学性能影响因素比常态混凝土更为复杂，主要包括密实度、水胶比、粗骨料的级配与品质、粉煤灰品质与掺量、龄期等.混凝土的密实度一般以表观密度来表示，本研究中，1、2、3号混凝土的表观密度测定值分别为2296、2356、2470kg／m3，结合图1的强度测定结果可知，高粉煤灰掺量碾压混凝土各龄期的强度值均随混凝土表观密度的增加而增大.

图1 高粉煤灰掺量碾压混凝土的力学性能

当混凝土的水胶比降低时，尽管砂率、粉煤灰掺量、粗骨料的级配不一致，高粉煤灰掺量碾压混凝土各龄期的强度值均随水胶比的降低而增加.可见，水胶比仍然是影响高粉煤灰掺量碾压混凝土强度的最主要因素.

对比1、2号混凝土的配比及强度值可知，保持混凝土水泥用量和用水量基本相同的情况下，增大粉煤灰用量，混凝土各龄期的强度值均随之增加.这是因为增大粉煤灰用量时，混凝土中的胶凝材料用量增加，混凝土的孔隙率减小，强度增加.此外，本试验所用粉煤灰为一级粉煤灰，颗粒较细，具有较高的火山灰活性，对混凝土的强度增长有很大的贡献.

对比2、3号混凝土的配比和强度可知，保持碾压混凝土的VC值、粉煤灰掺量相同的情况下，增大粗骨料最大粒径，拌合用水量显著降低，混凝土各龄期的强度则相应增加.对比1、3号混凝土的配比和强度可知，保持水泥用量基本不变的情况下，同时增大粗骨料最大粒径和粉煤灰掺量，用水量显著减少而胶凝材料的用量显著增加，各龄期的强度也显著提高.这表明，配制低强度等级碾压混凝土时，可采用低水泥用量高粉煤灰掺量和增大粗骨料最大粒径等措施提高碾压混凝土各龄期的强度.

从图1可知，高粉煤灰掺量碾压混凝土的强度随龄期的延长而增大.保持水泥用量和用水量基本相同的情况下，混凝土各龄期的强度增长率随粉煤灰掺量的增加而增大.粉煤灰掺量相同时，三级配碾压混凝土各龄期的强度增长率高于二级配碾压混凝土，90d和190d时，轴拉强度和劈拉强度的增长尤其显著.

2.2 碾压混凝土的变形性能

碾压混凝土的变形性能包括包括荷载作用下的变形和非荷载作用下的变形.荷载作用下的变形包括弹性模量和极限拉伸，非荷载作用下的变形包括干缩变形和自身体积变形.图2为高粉煤灰掺量碾压混凝土在荷载作用下的变形.

图2 高粉煤灰掺量碾压混凝土的变形性能

碾压混凝土的弹性模量、极限拉伸受胶凝材料用量、混凝土强度及龄期的影响.从图2可知，高粉煤灰掺量碾压混凝土的抗压弹模、抗拉弹模随混凝土抗压强度和抗拉强度的增大而增大.对比1、2号混凝土的配比和极限拉伸值可知，保持水泥用量不变增大混凝土中粉煤灰用量，混凝土的极限拉伸值得到改善，且拉伸值随龄期增长较快.高掺粉煤灰同时增大粗骨料最大粒径，碾压混凝土用水量降低，极限拉伸值略有增加.

图3为高粉煤灰掺量碾压混凝土在非荷载作用下的干缩变形.高粉煤灰掺量碾压混凝土的干缩率随水胶比的减小而降低.保持用水量和水泥用量不变，增大粉煤灰掺量，碾压混凝土的干缩率随之降低.高掺粉煤灰同时增大粗骨料最大粒径，可以显著降低碾压混凝土的干缩率.采用双曲线函数模拟高粉煤灰掺量碾压混凝土的干缩变形，可得如下公式:

从式（1）～（3）可以推出，1、2、3号高粉煤灰掺量碾压混凝土的极限收缩值分别为363×10－6、301×10－6、300×10－6.采用上述公式计算的混凝土干缩变形也列于了图3中，3号混凝土的干缩变形计算值与实际变形值基本相同，1号和2号混凝土的计算值则略低于实际变形值.

图3 高粉煤灰掺量碾压混凝土的干缩率

2.3 碾压混凝土的耐久性能

表4为高粉煤灰掺量碾压混凝土的抗渗和抗冻测试结果.试验结果表明，1、2、3号混凝土90d的抗渗等级均大于 W8.说明粉煤灰掺量高达60%时，碾压混凝土仍然具有很高的抗渗性，可以抵抗8MPa的压力水作用而不发生渗漏.1、2混凝土的抗冻等级均大于F50，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量损失逐渐增加，相对动弹性模量逐渐减小.冻融次数相同的情况下，2号混凝土的质量损失较1号混凝土的小，而相对动弹性模量则大于1号混凝土.这是因为，混凝土水泥用量和用水量保持不变的情况下，增大粉煤灰用量，水胶比减小，混凝土的密实度（表观密度）增大，各龄期的强度值随之增大，抵抗冰冻破坏作用的能力也随之增强.