堆石坝粉煤灰混凝土面板耐久性研究

谢 涛，曾秀娟

(赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000)

1 概述

混凝土面板堆石坝是黏土心墙堆石坝的一种，其建造成本低。近年来，混凝土面板堆石坝已经在世界上的建成多座坝体。与普通混凝土相比，堆石坝面板混凝土由于其快速的生产技术、良好的耐久性和低成本而被广泛选用[1]。此外，大量辅助胶凝材料的(粉煤灰、高炉矿渣等)高效利用率也是其快速推广的重要方面，粉煤灰等矿物掺合料不仅可以实现废料的循环使用、保护环境，对混凝土性能的提升也表现出优良的效果。

粉煤灰在混凝土中的广泛应用，提高了混凝土的坍落度，改善了混凝土的施工和易性，对降低大体积混凝土的水化热有积极作用。粉煤灰还具有缓凝特性，这在混凝土坝应用中尤为重要[2]。粉煤灰对混凝土材料的力学性能和耐久性的优良效果已有大量研究报道，研究指出粉煤灰除具有物理填充作用外，还与水泥水化释放的氢氧化钙反应，促进生成大量水化产物，使得水泥基体密实性提升。侯海龙等人[3]研究了用粉煤灰部分替代水泥对大坝混凝土的抗压、抗拉和抗剪强度的影响，研究表明大坝混凝土中粉煤灰掺量的增加对其抗压强度产生不利影响；此外，延迟浇筑时间和粉煤灰替代水平，可以增加混凝土内部浆体和骨料间界面的良好接触，混凝土堆石坝建设中，冷缝对混凝土抗拉强度的影响大于其抗剪强度[4-5]。杨忠波等[6]研究表明混凝土试样表现出较低的劈裂抗拉强度和较高的渗透性，与混凝土和浆体间界面的硬化过程有关。

关于粉煤灰与堆石坝混凝土性能间的关系研究仍存在许多问题，因此本文针对粉煤灰在混凝土中的应用，通过混凝土力学性能实验及耐久性试验，分析了堆石坝混凝土渗透性、摩擦性及抗冻性等方面的变化规律。获得了粉煤灰与混凝土耐久性能的定量关系，为粉煤灰在堆石坝混凝土中的应用提供了科学及技术支撑。

2 实验研究

2.1 实验原材料

实验采用普硅酸盐水泥，型号为42.5，比重为3.15，细度为2900cm2/g，水泥详细参数见表1。

表1 水泥物理化学性能

细骨料为河沙，粗骨料为碎石；粉煤灰为一级灰，减水剂为聚羧酸高效减水剂；实验用混凝土配合比见表2。

表2 大坝混凝土配合比

2.2 测试方法及过程

2.2.1 抗压强度试验

按照我国现行标准JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，制作不同掺量粉煤灰混凝土试件，时间尺寸为100mm×100mm×100mm，试件养护至测试龄期(7、28、91d)，进行了抗压强度试验。

2.2.2 干燥收缩试验

本文采用环约束收缩试验法研究粉煤灰掺量对混凝土干缩性能的影响，混凝土收缩过程中，使用混凝土热量计，并在试件成型后30min开始，每1h测量试件放热量。圆环测试装置及应变片安装位置如图1所示。根据测定的放热量估算混凝土水化热引起的内部温度，并分析粉煤灰对混凝土绝热温升的影响。

图1 圆环测试装置及应变片安装位置示意图(单位：mm)

2.2.3 氯离子渗透

氯离子渗透实验采用快速氯离子渗透仪测定，具体测试设备及流程如图2所示。

图2 氯离子快速渗透试验示意图

2.2.4 耐磨性

本试验对不同粉煤灰掺量混凝土进行了磨损实验，评价粉煤灰在混凝土中的耐磨性能。修整车轮的转速为每分钟56转，在暴露磨料30和60min后测量磨损深度。

3 实验结果分析与讨论

3.1 抗压强度试验

混凝土试件养护至规定实验龄期后测试其抗压强度，测试结果如图3所示。

图3 不同粉煤灰掺量混凝土抗压强度试验

由图3可以看出，养护龄期为7d时，掺入10%粉煤灰，混凝土试件较普通试件增加12.5%，粉煤灰掺量超过15%会对混凝土试件的抗压强度产生不利影响，导致其强度降低；养护龄期为28d时，掺入10%、15%粉煤灰可以提升混凝土抗压强度，20%粉煤灰仍会降低混凝土抗压强度。养护至90d时，不同掺量(10%、15%、20%)粉煤灰掺入混凝土中可提升混凝土抗压强度，其中粉煤灰掺量为10%时，对混凝土抗压强度的改善效果最显著，较普通混凝土抗压强度提升38.65%。

3.2 混凝土干缩行为

不同粉煤灰掺量下混凝土干缩应变如图4所示。

图4 不同粉煤灰混凝土干燥收缩应变变化规律

由图4可以看出，随着测试龄期的延长，混凝土收缩应变逐渐增加，说明粉煤灰的掺入，导致混凝土内部湿度降低，无法满足水泥混凝土的水化反应。测试龄期小于10d时，掺粉煤灰混凝土干缩应变较大，10～20d时，粉煤灰掺量为10%的混凝土收缩应变最小。测试龄期超过40d后，3种掺量粉煤灰完全参与了水泥水化反应，导致混凝土强度增加，孔隙溶液水分降低，干缩增大。粉煤灰掺量超过15%时，混凝土的干缩过程显著增大，收缩应变急速增长，粉煤灰掺量为10%时，混凝土的干缩应变与普通混凝土呈现相似增长规律，收缩应变较普通混凝土略有增加。

3.3 混凝土绝热温升

图5—6分别给出了不同掺量粉煤灰对混凝土水化放热及水化速率的影响。

图5 不同粉煤灰替代品的绝热温升

由图5可以看出，粉煤灰掺入混凝土后对其内部的温度影响较小，但均降低了水化过程中的放热量，其中粉煤灰掺量为10%时，水化放热量较普通混凝土降低7.85%。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土放热降低趋势减弱。由图6可以看出，粉煤灰降低了水泥水化反应速率，粉煤灰掺量越大，反应速率降低程度越明显。上述结果表明，粉煤灰的掺入，可以降低水化放热量，主要是由于粉煤灰的二次水化效应，使得分粉煤灰在混凝土硬化后期产生活性，活性逐渐增大。这将导致水泥水化前期的放热量不足。粉煤灰掺量增大后，混凝土内部有充足的粉煤灰颗粒参与反应，将导致混凝土内部放热逐渐增大。

图6 不同替代量粉煤灰的反应速率

3.4 混凝土氯离子渗透性

利用快速氯离子扩散系数测定仪，测量不同粉煤灰掺量混凝土内部电荷通过量，测试结果如图7所示。

图7 不同粉煤灰掺量混凝土内部电荷量

由图7可以看出，随着粉煤灰掺入，混凝土内部电荷量呈现先减小后增加的趋势；养护龄期越长，混凝土内部电荷量越少。其中粉煤灰掺量为15%时，养护28和91d的混凝土试件内部电荷量较普通混凝土试件减小87.65%和49.58%。上述结果表明，掺入粉煤灰可以增加混凝土内部的密实性，降低混凝土内部的孔隙溶液中的离子通路。

3.5 混凝土耐磨性

不同粉煤灰掺量混凝土磨耗深度测试结果如图8所示。

图8 不同粉煤灰混凝土磨损深度变化

由图8可以看出，粉煤灰掺量越大，耐磨性越好。在30min的磨损时间内，掺10%粉煤灰混凝土试样的抗磨耗性能是普通混凝土的2倍，是掺15%粉煤灰混凝土试样的3.3倍，是掺20%粉煤灰混凝土的3.6倍。在1h磨损时间内，掺10%粉煤灰置换的试样比普通混凝土的试样高1.3倍，比掺15%粉煤灰混凝土试样高2.8倍，比掺20%粉煤灰混凝土试样高4.3倍。而掺15%粉煤灰混凝土与掺20%粉煤灰混凝土相比，30min的磨损量基本相同，1h后磨损量基本没有变化，但91d龄期时，掺15%粉煤灰混凝土的耐磨性能最好，其磨损量增加较掺20%粉煤灰混凝土高。这说明，在混凝土中加入粉煤灰时，可以提升混凝土的硬度，能够抵抗较高的磨耗过程。

3.6 混凝土耐水性

混凝土在水中浸泡前后抗压强度的比值结果如图9所示。

图9 不同粉煤灰掺量混凝土平均抗压强度比

由图9可以看出，随着粉煤灰的掺入，混凝土饱水后的抗压强度呈现下降趋势。养护28d时，混凝土内部粉煤灰未充分水化，导致混凝土强度随粉煤灰产量的增加呈现先增加后减小的趋势。其中掺10%粉煤灰混凝土抗压强度比值较普通混凝土提高23.58%。这主要是因为粉煤灰掺量较小时，混凝土内部水泥水化较充分，导致混凝土强度增长幅度较大，在饱水状态下，混凝土强度不易降低。养护至91d时，混凝土饱水后抗压强度与干燥状态抗压强度的比值随粉煤灰掺量增加逐渐降低；养护后期，粉煤灰参与水化反应较充分，硬化混凝土强度基本形成[7-8]。

4 结论

本文采用不同掺量粉煤灰分析了，面板混凝土的力学性能及耐久性变化规律，得到以下结论。

(1)养护龄期为7d时，掺入10%粉煤灰，混凝土试件较普通试件增加12.5%；养护龄期为28d时，掺入10%、15%粉煤灰可以提升混凝土抗压强度。养护至90d，粉煤灰掺量为10%时，对混凝土抗压强度的改善效果最显著，较普通混凝土抗压强度提升38.65%。掺10%粉煤灰混凝土抗压强度比值较普通混凝土提高23.58%，提高了混凝土耐水性。

(2)10～20d时，粉煤灰掺量为10%的混凝土收缩应变最小；粉煤灰掺量为10%时，水化放热量较普通混凝土降低7.85%

(3)粉煤灰掺量为15%时，养护28和91d的混凝土试件内部电荷量较普通混凝土试件减小87.65%和49.58%。91d龄期时，掺15%粉煤灰混凝土的耐磨性能最好，其磨损量较掺20%粉煤灰混凝土降低。

(4)通过本文研究，适用于堆石坝面板混凝土的粉煤灰掺量文15%，其综合性能较其它粉煤灰混凝土显著提升。