粉煤灰对大坝湿筛二级配混凝土性能的影响

王希鸿

（甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 景泰 730400）

0 引言

水利工程大坝建设是水利水电发展的重要标志，对水资源的开发利用发挥着重要作用。 大坝混凝土作为大坝的主体材料，具有强度、抗渗、抗冻等技术要求， 而混凝土特性很大程度上是由原材料性质及配合比决定， 因此对大坝混凝土配合比及性能进行试验研究对工程应用具有重要意义。

1 原材料及配合比

试验所用水泥为 P·LH 42.5， 粉煤灰为 I 级灰，砂为人工砂，碎石为5~20 mm、20~40 mm、40~80 mm、80~120 mm 四种粒径的人工碎石， 外加剂为萘系高效减水剂 （JM-II） 和混凝土高效引气剂（GYQ-I），水为生活用水。

采用X 射线衍射分析 （XRD） 测试水泥矿物组成，如表1 所示，测试结果表明，水泥中C3A 含量极少、C2S 含量超过40%，满足低热水泥规范要求；采用X 射线荧光分析测试水泥化学成分， 结果如表2 所示。

表1 水泥物相组成 %

试验所用粉煤灰SEM 扫描电镜检测的外观形貌如图1 所示。 检测结果表明，粉煤灰颗粒级配合理、 杂质较好， 通过试验测得粉煤灰需水量比为93%，烧失量为4.2%。

图1 粉煤灰SEM 图像

表2 中热水泥、煤粉灰、硅粉化学组成 %

选取某工程大坝混凝土进行配合比试验研究，该混凝土强度设计等级为C18030，抗渗性设计等级为W12，抗冻性设计等级为F200，试验研究了不同粉煤灰掺量对大坝混凝土的影响，配合比如表3 所示，外加剂用量根据混凝土工作性进行调整。混凝土采用自落式搅拌机进行搅拌成型，新拌混凝土搅拌完成后， 用润湿的40 mm 方孔筛筛除大石和特大石再进行试块成型， 即湿筛二级配混凝土成型。

表3 大坝混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 混凝土工作性

随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土坍落度也随之增大，相同坍落度情况下，粉煤灰掺量越多，减水剂用量越小，由此可知，粉煤灰能够改善大坝混凝土工作性能，主要原因是粉煤灰的形态效应，试验所选用粉煤灰中含有大量的玻璃微珠 （图1 中球形颗粒），微珠能使水泥砂浆黏度和颗粒之间的摩擦力降低，使水泥颗粒均匀分散，在相同稠度条件下减小用水量，改善混凝土和易性能[1]。

2.2 混凝土力学性能

对大坝混凝土进行力学性能测试，包括抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量等，试验参照SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行，抗压强度、劈拉强度试块大小为150 mm×150 mm×150 mm， 弹性模量试块大小为 150 mm×150 mm×300 mm。 大坝混凝土抗压强度及劈拉强度如表4 所示。

表4 大坝混凝土力学性能试验结果

由表4 可知，随着粉煤灰掺量的增加，大坝混凝土抗压强度和劈拉强度降低，尤其是早期强度降低幅度明显；180 d 时35%粉煤灰掺量较25%掺量的强度基本相当， 甚至略高， 而45%粉煤灰掺量时，混凝土早后期强度均低于25%掺量时；不同粉煤灰掺量的混凝土弹性模量试验结果也有类似规律。 其原因是粉煤灰具有微集料效应，能够改善胶凝材料的颗粒级配，填充混凝土的细小孔隙，使混凝土结构更加致密；同时，由于粉煤灰的火山灰效应，粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3等与石灰或水泥水化产物在有水存在的情况下发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等物质，有利于混凝土强度的提高。 但粉煤灰由于自身活性较低，火山灰反应缓慢，水泥水化活性远远高于粉煤灰，粉煤灰掺量高时水泥用量就会降低，因此低粉煤灰掺量混凝土早期强度降低，后期会有所提高，而粉煤灰掺量过高则会造成混凝土早后期强度均明显降低。

2.3 混凝土耐久性

（1）抗水渗透性能

采用逐级加压法测试大坝湿筛二级配混凝土抗渗等级，参照SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行。 粉煤灰掺量为25%时，水压加至1.3 MPa时出现2 个试件表面渗水； 粉煤灰掺量为35%和45%时，水压加至1.5 MPa 时出现1 个试件表面渗水。 试验结果表明，粉煤灰掺量为25%~45%时，三组配合比混凝土抗渗等级均满足W12 要求， 且粉煤灰掺量的增加有利于提高混凝土抗渗性。

（2）抗冻性能

试验依照SL352—2006 《水工混凝土试验规程》进行，经过冻融循环后测试混凝土试块质量损失率，混凝土抗冻性试验结果如图2 所示。 由图2可知，随着粉煤灰掺量的增加，相同冻融循环次数下混凝土试件质量损失率逐渐增加。粉煤灰掺量为25%时，300 次冻融循环后， 混凝土质量损失率为4.85%，小于规范中5%的临界值；而粉煤灰掺量为45%时，250 次冻融循环后， 混凝土质量损失率为5.26%，发生冻融破坏。 说明大坝混凝土抗冻性能随粉煤灰掺量增加而降低，对于有抗冻性要求的混凝土应根据试验结果确定粉煤灰掺量。

图2 湿筛二级配大坝混凝土抗冻性试验结果

2.4 混凝土收缩变形

对表3 中几组配合比下大坝混凝土进行干燥收缩试验，试验结果如图3 所示。由图3 可知，大坝混凝土干燥收缩随着龄期增长而逐渐增大，前期收缩变化较快，90 d 后收缩变形趋于稳定；随着粉煤灰掺量增加，大坝混凝土干燥收缩率降低，粉煤灰掺量为25%、35%、45%时混凝土180 d 干燥收缩率分别为 193×10-6、180×10-6、153×10-6。主要原因是粉煤灰掺量加大，相应的水泥用量降低，其水化产物大大减少，此外由于粉煤灰的微集料效应使粉煤灰细化了混凝土中的孔隙， 增加了混凝土密实性，从而减少了水分蒸发，有利于减小干燥收缩。

图3 湿筛二级配大坝混凝土干燥收缩

3 结语

在大坝混凝土中掺入粉煤灰后有利于提高混凝土工作性、力学性能及耐久性能。 由于粉煤灰的形态效应及微集料效应能够改善大坝混凝土和易性，低掺量粉煤灰时，混凝土早期强度降低，后期强度影响较小，而大掺量粉煤灰时由于取代水泥会造成混凝土强度降低较大。 随着粉煤灰掺量增加，大坝混凝土抗渗性提高，抗冻性则略有下降，同时干燥收缩减小。 因此，在工程应用时应根据实际需求及试验结果，综合考虑混凝土各项性能指标，合理选用粉煤灰掺量[2]。