三种掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能对比试验研究

任玉杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

碳化的本质是CO2向水工混凝土内部渗透，迫使水分向吸水饱和度较小的区域渗透的过程[1]。因此，要获得高耐久性与长寿命的水工混凝土，关键是提高其抗渗性能[2]。粉煤灰作为一种胶凝材料来替代部分水泥，可以产生形态效应、微集料效应、即活性效应等粉煤灰效应[3]。粉煤灰的加入不仅能够减少水化热、延缓水化速度、缓解混凝土内部因水化热引起的升温，对避免混凝土产生温度裂缝也很有利[4]，还能降低混凝土的成本、降低渗透性和孔隙率以及抑制碱集料反应，有利于水工混凝土后期强度的稳定提升[5]，大幅提高了水工混凝土的使用寿命[6]。

然而，目前研究学者对水工混凝土抗压强度及其他力学性能较为重视，而对水工混凝土的长期性能和耐久性方面的要求研究还不够深入[7-8]，单一的强度标准不能针对性地满足各项目由于地理、环境、成本等因素产生的对水工混凝土的特殊要求[9]。基于上述研究背景，开展掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能对比试验研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 粉煤灰

取三种F类Ⅰ级粉煤灰6 kg开展检测试验。检测方法按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)、《水泥化学分析方法》(GB/T 176—2017)、《水泥细度检验方法—筛析法》(GB/T 1345—2005)等执行。主要仪器设备：SF-150型水泥细度负压筛析仪、NLD-3型水泥胶砂流动度测定仪、SQP/QUINTIX224-1CN型电子天平、SQP/QUINTIX2102-1CN型电子天平、SRJX-4-13型高温箱式电阻炉。试验结果见表1。

表1 3种粉煤灰材料检测结果

由表1可知，本组所取三种F类Ⅰ级粉煤灰的单项判定均达标，可以开展掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能试验。

1.2 三种掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能试验

本次试验粉煤灰取三种均达标的粉煤灰，水泥选用新疆本地生产的标号42.5级普通硅酸盐水泥，颜色呈青灰色。粗骨料选用本地建材供应市场提供的石灰岩碎石，5～25 mm连续粒级，颜色呈青灰色，气干状态。细骨料选用本地生产的中砂，细度模数为2.5，颜色呈黄色，气干状态。外加剂选用网购XY-5型脂肪族高效减水剂，适宜掺量一般为胶凝材料用量的1.0%～2.0%。拌合水采用日常自来水。通过逐级施加水压力来测定水工混凝土抗水渗透性能。

1.2.1 试验仪器设备

TCS-1型混凝土抗渗仪(0～4.0 MPa)、圆台体试模、钢丝刷、石蜡、松香、烘箱、加压器、钢直尺，以及钟表等。

1.2.2 试验设计

(1)试件制备。①混凝土拌合。②采用上、下口内径为175 mm、185 mm及高度为150 mm的圆台体钢试模，6个试件为一组，每种粉煤灰掺量的混凝土各成型3组。③拆模后，应用钢丝刷刷去上、下两面的水泥浆膜，并立即送进标准养护室，标准养护至28 d后在模拟的水工建筑物自然环境中进行养护。④在28 d、56 d、90 d龄期时，分别进行试验。

(2)试件密封。在达到试验龄期的前一天，从标准养护室取出试件并擦干，待试件表面晾干后，在其侧面裹涂一层熔化的、内加少量松香的石蜡。然后使用螺旋加压器将试件压入经过烘箱或电炉预热过的钢试模中，使试件与试模底部平齐，并应在试模变冷后解除压力。试模的预热温度，应以石蜡接触试模，即缓慢熔化但不流淌滴落为准。

(3)试件安装。启动抗渗仪，并开通所有6个试位下的阀门，关闭中间的总控泄水阀门，使水从试位中心的小孔中渗出，待水充满6个试位坑之后，关闭所有阀门并将密封好的试件安装在抗渗仪上，用螺帽固定好。

(4)逐级加压。试件安装好后，立即开通6个试位下的阀门，并确认中间的总控泄水阀门处于紧闭状态，以免漏压。将初始水压调整为0.1 MPa，随后每过8 h增加0.1 MPa的水压，并应随时观察试件端面是否渗水。当6个试件中有3个试件上表面出现渗水时，停止试验并记录此时水压。在试验过程中，若发生水从试件周边渗出的情况，卸下该试件待晾干后重新进行密封。

(5)数据处理。水工混凝土的抗渗等级应以每组6个试件中有2个试件出现渗水时的最大水压乘以10来确定，具体应按式(1)计算：

W=10H

(1)

式中：W为水工混凝土抗渗等级，MPa；H为6个水工混凝土试件中有2个试件渗水时的最大水压力，MPa。

2 掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能研究

水工混凝土中的渗流指的是流体(液体、气体)在水工混凝土内部孔隙介质中的流动，渗透系数是渗流的主要指标[10]。在水环境中的混凝土结构，其内部携带有微裂纹、微孔隙等内部劣化因子，在外围水压和内部孔隙水压等作用下，会使水向混凝土内部迁移，水工混凝土力学性能发生劣化，最终导致水工混凝土结构的服役性能下降，甚至结构失稳破坏[11]。而水工混凝土抵抗这种渗透作用的能力，即称为水工混凝土的抗渗性能。

2.1 掺粉煤灰水工混凝土渗透破坏机理

在水压力作用下的水工混凝土耐久性能，本质上取决于其胶凝材料和粗细骨料力学性能，以及两者胶结情况(胶结面的微裂纹、微孔隙等)。

由于骨料本身的渗透性弱于水泥石的渗透性，可知水工混凝土的渗透性主要取决于水泥石的渗透性。而水胶比直接影响了水泥石的渗透性，水胶比较大的水工混凝土，孔隙率较高，水泥石中相互连通的毛细孔体系亦会增加，导致水工混凝土的抗渗性能变差。

水工混凝土浇筑成型时振捣不密实、硬化后由于干缩和热胀等变形产生的裂缝，亦会导致水工混凝土抗渗性能变差；此外，水工混凝土服役时所处的外围环境也会对其抗渗性能有所影响，如：外载荷的大小和分布,温度场,以及是否有侵蚀性气体、液体等。本次试验在振捣、养护、外界环境这些因素都相同的条件下，仅探讨不同粉煤灰掺量对混凝土抗渗性能的影响。

抗水渗透试验方法一般有逐级加压法、渗水高度法和相对渗透系数法。(1)逐级加压法的特点是水压从0.1 MPa开始，每隔8 h增加0.1 MPa，直到同组6个试件中的2个出现渗水现象，则停止试验，即可得到混凝土的抗渗等级。(2)渗水高度法是将渗透水压24 h内恒定控制在1.2 MPa，试验结束时以6个试件渗水高度的算术平均值作为评定混凝土抗水渗透性的标准。(3)相对渗透系数法反映混凝土吸收和渗透水的能力，通过渗水量及时间来计算渗透系数，以一组6个试件的渗透系数算术平均值作为试验结果。

渗水高度法与相对渗透系数法在混凝土本身抗渗性能不理想的情况下不能较好地反映各类试件抗渗性能的优劣。例如渗水高度法可能在24 h恒定1.2 MPa的高水压下，试验试件均发生了完全渗透。基于上述分析，本次试验选用了相对常规的逐级加压法。

2.2 掺粉煤灰水工混凝土试验结果及分析

本组所取三种F类Ⅰ级粉煤灰对水工混凝土抗渗性能试验影响差别较小，几乎不计。选取粉煤灰1抗渗试验结果绘图，不同龄期和不同掺量下的粉煤灰1混凝土抗渗水压变化规律见图1、图2。

图1 不同龄期下的抗渗水压

图2 不同掺量下的抗渗水压

从图1和图2中可以看出：

(1)在试件标准养护至28 d时，30%粉煤灰1掺量的混凝土试件抗渗性能最佳，抗渗水压达到了1.1 MPa；其次是25%粉煤灰掺量的试件，抗渗水压达到了1.0 MPa；抗渗性能最差的是20%和35%掺量的试件，抗渗水压约为0.9 MPa。

(2)在试件自然养护至56 d时，各组试件的抗渗性能都有不同程度的提升，其中，抗渗性能最佳的仍然是30%粉煤灰1掺量的试件，抗渗水压为1.5 MPa；而35%粉煤灰1掺量的试件抗渗性能提升较大，抗渗水压相较于28 d时增加了0.5 MPa，达到了1.4 MPa，超过25%粉煤灰1掺量的试件，位于第二，抗渗性能最差的为30%粉煤灰1掺量的试件。

(3)本组试件自然养护至90 d时，粉煤灰1掺量越大，抗渗性能越好，在本次试验中，35%粉煤灰1掺量的试件抗渗水压最高达到了1.65 MPa。

通过对水工混凝土及掺加粉煤灰1的混凝土抗渗性能的研究可知，随着水工混凝土强度等级的提高，水工混凝土渗水高度呈现降低趋势，其抗渗等级逐渐增加，反映了水工混凝土的抗水渗透性能随着强度的增加而提高；而对于掺加粉煤灰1的水工混凝土存在最佳掺量，即在某一掺量之前，随着粉煤灰1掺量的增加，抗水渗透性能提高，说明粉煤灰1充分发挥了微集料效应和活性效应，但超过该最佳掺量后，抗水渗透性能却趋于下降。

粉煤灰1掺加到水工混凝土中，一方面，降低了水工混凝土的早期强度，使水工混凝土抵抗孔隙水应力的能力变差；另一方面，在一定程度上改善了水工混凝土内部的曲孔结构，使孔径更加蜿蜒细长，水化产物C-S-H胶凝材料填塞了水泥石中的部分毛细孔隙，减少了渗透通道，大大增加了水工混凝土的密实度，有利于增强水工混凝土的抗渗性能。掺粉煤灰1水工混凝土的水压渗透过程就是在这两方面因素的综合影响下进行的。

结合实际工程，若上述两方面因素中第一方面因素起主导作用，则水工混凝土的抗渗能力是降低的；若第二方面因素起主导作用，则水工混凝土抗渗能力是提高的。因此，得出粉煤灰1的最佳掺量，使之更好地发挥第二方面的作用是十分必要的。

3 结 论

(1)通过检测结果可知，本组所取三种F类Ⅰ级粉煤灰的单项判定均达标，可以开展掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能试验。三种F类Ⅰ级粉煤灰对水工混凝土抗渗性能试验影响差别较小，几乎不计。

(2)得到了龄期和粉煤灰1掺量与水工混凝土抗水渗透性能之间的关系。在试件标准养护至28 d与56 d时，抗渗性能随着粉煤灰1掺量的增加呈先上升后下降的规律，粉煤灰1掺量为30%时最佳；当龄期足够长时，水工混凝土的抗渗性能随着粉煤灰1掺量的增加呈递增趋势。根据实验结果，并结合实际工程应用，水工混凝土中粉煤灰1掺量应以35%为宜。