粉煤灰对大坝混凝土力学性能试验及耐久性研究

王建峰

（广东水电二局股份有限公司）

0 引言

工业资源综合利用是国家构建新发展格局、建设生态文明的重要内容。自“十一五”以来，国家就开始鼓励对固体废物实行回收和利用。随后，一系列强化大宗固体废弃物综合利用的相关政策相继出台。因此，将粉煤灰等大宗固体废弃物投入到建筑工程材料中将是重要的二次利用途径之一。

随着我国经济的高速发展和水资源配制的不断优化，水利水电事业也迎来了黄金发展期，越来越多的大坝工程投入建设中[1-2]。目前研究者已经开展了粉煤灰对大坝混凝土性能影响的研究[3-4]。李翼研究了粉煤灰对混凝土水化及干缩等的影响，认为粉煤灰降低了水化热及干缩能力，提高了其抗裂能力[3]。杨静等人认为粉煤灰可以提供混凝土的各种力学强度[4]。但粉煤灰对于大坝混凝土的性能影响仍需要进一步全面系统的研究。在此背景下，本文开展了养护龄期及粉煤灰掺量对大坝混凝土抗压强度、抗拉强度、抗氯离子渗透性及碳化深度的影响的研究，以期为大坝混凝土的性能提升及级配优化提供一定的参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

⑴天然粗集料。石灰岩碎石，粒径范围为5～25mm，表观密度为2.7g/cm3，堆积密度为1.5g/cm3；砂为河砂，最大粒径为3mm，表观密度为2.6g/cm3，堆积密度为1.6g/cm3。

⑵水泥。采用强度等级42.5级普通硅酸盐水泥。

⑶粉煤灰。I级粉煤灰，密度为2.39g/cm3。

⑷水。试验用水为自来水，采用的材料为RSD-8引气减水剂，减水率≥40%。

1.2 试验方案

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的要求进行不同粉煤灰掺量的混凝土配合比设计。本文试验混凝土基准级配：水泥用量为207kg/m3，砂为410kg/m3，碎 石 为1555kg/m3、水 为83kg/m3、减 水 剂 为1.02kg/m3。在配合比设计的过程中，在基准混凝土配合比基础上，改变粉煤灰掺量（0%、10%、20%、30%），测试不同龄期（7d、14d、28d）下不同类型粉煤灰混凝土的力学性能及耐久性能。目的是为了研究了不同粉煤灰掺量及养护龄期下混凝土力学性能（抗压强度及抗拉强度）及耐久性能（氯离子渗透率及抗碳化性能）的变化规律。

表1 粉煤灰大坝混凝土配合比

1.3 试验方法

混凝土立方体试件立方体抗压强度和劈裂抗拉强度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，抗氯离子渗透性能和抗碳化性能试验依照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的进行。

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰掺量对大坝混凝土力学性能影响研究

不同龄期不同类型大坝混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度测试结果如图1 所示。从图1 中可以看出，其抗压强度及抗拉强度均与养护龄期成正相关关系，且养护后期，混凝土的强度增加幅度更加明显。随着养护时间的增加，混凝土内部的水化反应更加完全，生成更多的水化产物，提高了混凝土的力学强度。对于粉煤灰的掺量而言，低掺量条件下，混凝土的抗压及抗拉强度与粉煤灰掺量成正比，而当掺量超过20%时，力学强度开始出现下降的现象。因为粉煤灰掺量过高，替代的水泥用量过多，混凝土内部水泥水化反应产生的胶状物减少；此外，粉煤灰掺量过高，会吸收混凝土内部大量的水分，水分的减少导致混凝土会出现开裂的现象，内部出现裂缝，进一步降低混凝土的强度。

图1 混凝土力学强度随粉煤灰掺量演变规律

2.2 粉煤灰掺量对大坝混凝土耐久性能影响研究

2.2.1 粉煤灰掺量对大坝混凝土抗氯离子渗透性影响研究

不同条件下大坝混凝土的抗氯离子渗透系数如图2所示。从图2中可以看出，随着养护龄期的增加，混凝土抗氯离子扩散系数开始降低，抗渗透性逐步增强。由于养护龄期的增加会，混凝土内部集料与水泥浆之间粘结愈加牢固，更加密实，空隙率降低，渗透路径减少，导致氯离子不易在混凝土内部迁移，从而提高了混凝土的耐腐蚀性。混凝土抗氯离子扩散系数与粉煤灰掺量先成负相关关系后成正相关关系。因为少量的粉煤灰及产生的水化产物可以填充混凝土内部空隙，提高密实度；如果掺量过高，替代水泥过多，反而会降低水泥水化反应，导致混凝土内部空隙有所增加，会形成一些液体粒子渗透通道，氯离子扩散系数增加，抗渗透性有所下降[7-8]。

图2 混凝土抗氯离子渗透性随粉煤灰掺量演变规律

2.2.2 粉煤灰掺量对大坝混凝土抗碳化性能影响研究

不同养护条件下大坝混凝土进行抗碳化性能测试试验结果如图3 所示。从图中可以看出，大坝混凝土的碳化深度与养护龄期成反比，归根结底的原因使养护龄期后期混凝土内部的结构相对密实，混凝土内部材料与空气中二氧化碳反应的接触面减少，混凝土不容易碳化。无论何种龄期，大坝混凝土的碳化深度与粉煤灰掺量先成负相关后成正相关。总体上，碳化深度随粉煤灰掺量演变规律与氯离子扩散系数随粉煤灰掺量一致，都是由于粉煤灰掺量的变化会影响混凝土内部的水化反应程度，改变混凝土内部的空隙及密实性，进而影响混凝土内部碳化面积。

图3 不同类型大坝混凝土碳化深度随粉煤灰掺量演变规律

3 结论

⑴混凝土的抗压强度及抗拉强度均与养护龄期成正相关关系，且养护后期，混凝土的强度增加幅度更加明显；混凝土的抗压及抗拉强度与粉煤灰掺量先成正比后成反比。

⑵随着养护龄期的增加，混凝土抗氯离子扩散系数开始降低，抗渗透性逐步增强；混凝土抗氯离子扩散系数与粉煤灰掺量先成负相关关系后成正相关关系。

⑶大坝混凝土的碳化深度与养护龄期成反比，与粉煤灰掺量先成负相关后成正相关。