摘要: 试验采用在碾压混凝土中掺入粉煤灰( 其掺量占胶凝材料总量的10%~45%) 的方法来提高碾压混凝土耐久性( 包括强度、干缩、耐磨性和抗冻性) 。试验结果表明: ( 1) 粉煤灰掺量小于30%时能提高碾压混凝土强度但影响度不大; ( 2) 随着粉煤灰掺量的增加, 碾压混凝土的干缩呈直线降低, 且抗磨性和抗冻融能力明显提高; ( 3) 粉煤灰能有效提高碾压混凝土的耐久性, 且在试验条件下的最佳掺量为30%。
关键词: 碾压混凝土; 粉煤灰; 耐久性; 机理
0 前言
我国碾压混凝土筑坝技术已经非常成熟, 达到了世界领先水平。我国已建碾压混凝土筑坝工程最多, 已有41 座碾压混凝土坝; 在建及规划设计中的工程也最多, 其中在建12 座, 规划、设计和即将施工的17 座; 此外, 还有不少的碾压混凝土围堰工程。这些已建和在建的不少工程代表了国际最先进的水平, 例如, 沙牌水电站坝高132 m, 是目前世界上最高的碾压混凝土拱坝; 龙首水电站坝高80 m, 是已建的最高的碾压混凝土双曲薄拱坝, 厚高比为0.17;招徕河水电站坝高107m, 是在建的最高碾压混凝土双曲薄拱坝, 厚高比为0.17; 龙滩水电站坝高216.5m, 是在建的最高碾压混凝土重力坝。
碾压混凝土抵抗气候变化、化学侵蚀、磨损或任何其它破坏过程的能力称为碾压混凝土的耐久性;其耐久性的好坏, 将直接影响坝体的耐久和安全。
碾压混凝土耐久性研究的主要内容是化学腐蚀、冻融破坏、碱集料破坏等。其中碾压混凝土的抗冻性在北方寒冷地区工程中就是急待解决的重要问题之一。因我国地域辽阔, 有相当大的部分处于寒冷地带, 尤其在东北严寒地区兴建的水工混凝土建筑物, 几乎100%的工程存在有局部或大面积遭受不同程度的冻融破坏。碾压混凝土的干缩是碾压混凝土开裂的主要原因之一, 其干缩裂缝将引入对混凝土具有破坏作用的物质或元素, 会对碾压混凝土产生化学腐蚀并降低其抗渗性,从而降低或破坏混凝土的耐久性。另外, 碾压混凝土的磨耗也是影响其耐久性的一个重要因素, 特别是对于水流冲刷的部位。
本试验提出掺入粉煤灰的方法来降低碾压混凝土的干缩和磨耗值、提高碾压混凝土的耐久性, 并对粉煤灰的作用机理进行分析, 为工程实践提供理论依据。
1 试验
1.1 试验用原材料
试验采用的胶凝材料为华新堡垒牌42.5 普通硅酸盐水泥和Ⅰ级粉煤灰( 化学成分见表1) ; 人工砂细骨料和二级配粗骨料, 其物理性能见表2; 外加剂为高效减水剂FDN( 推荐掺量0.6%～1.0%) 和FS引气剂( 推荐掺量0.005%～0.01%) 。
1.2 室内试验
(1) 配合比设计。试验固定水胶比为0.50、胶凝材料总用量150 kg/m3, 砂率为0.38, 高效FDN 掺量为0.8%, FS 引气剂掺量为0.008%。通过调整粉煤灰掺量( 见表3) 来研究粉煤灰对碾压混凝土耐久性的影响。
(2) 混凝土的性能。按上述配比和规定方法配制碾压混凝土, 并按相关试验标准进行性能试验, 结果见表4, 图1, 图2 和图3。
2 试验结果分析
2.1 粉煤灰对碾压混凝土强度的影响
根据表4 和图1 试验结果可知:
(1) 粉煤灰掺量对碾压混凝土的28 d 抗压强度影响不大; 当粉煤灰掺量占胶凝材料总量小于30%时, 28 d 抗压强度随粉煤灰掺量的增大而增大, 大于30%时, 随粉煤灰掺量的增大而下降; 粉煤灰掺量为30%时抗压强度最高。碾压混凝土的90 d 抗压强度随粉煤灰掺量的增大而增大。因此粉煤灰的掺入有助于碾压混凝土后期抗压强度的提高。
(2) 当粉煤灰掺量小于30%时, 粉煤灰的掺入有助于90 d 抗折强度的提高, 后开始稍下降, 但仍
高于粉煤灰掺量为零的试样。这表明粉煤灰对提高碾压混凝土抗折强度是有利的, 最佳掺量为30%。
2.2 粉煤灰对碾压混凝土干缩的影响
根据表4 中粉煤灰掺量对碾压混凝土180 d干缩的影响可知, 碾压混凝土的180 d 干缩随着粉煤灰掺量的增加几乎直线减小( 见图2) , 其相关关系见式( 1) , 这说明粉煤灰能有效降低混凝土的干缩。
y=- 1.7067x+198.4, R=0.993 ( 1)
式中: x 为粉煤灰掺量; y 为碾压混凝土180 d 干缩值。
2.3 粉煤灰对碾压混凝土磨耗的影响
分析表4 可知, 从3 000 转磨耗值来看, 掺入粉煤灰的碾压混凝土磨耗值明显小于不掺的, 这说明粉煤灰有助于降低碾压混凝土的磨耗; 而掺15%,30%和45%粉煤灰的碾压混凝土的磨耗值基本相当, 而且磨耗值随粉煤灰掺量的增加略有下降。
2.4 粉煤灰对碾压混凝土冻融耐久性的影响
分析表4 和图3 可知, 经200 次冻融循环后,碾压混凝土的强度和冻融质量损失均随着粉煤灰掺量的增加而减小; 粉煤灰掺量从0 提高到15%时,碾压混凝土的200 次强度和冻融质量损失降幅度较大, 粉煤灰掺量大于15%后, 强度和冻融质量损失降幅减小。这说明粉煤灰的掺入能在较大程度降低碾压混凝土的冻融损失, 因而能有效提高碾压混凝土的耐久性。
3 微观机理分析
(1) 活性作用。粉煤灰的火山灰反应过程早期是粉煤灰微珠表面发生溶解反应(该反应受扩散控制), 反应生成物沉淀在颗粒的表面上, 后期钙离子继续通过表层和沉淀的水化产物层向芯部扩散。在用扫描电镜对混凝土中粉煤灰火山灰反应过程的观察中, 发现粉煤灰微珠周围形成的水化产物和微珠颗粒之间存在着一层0.5～1 μm 厚的水解层。钙离子通过水解层, 不断侵蚀微珠表面, 而水化产物则不断填实水解层。C- S- H 胶凝与Ca(OH)2 沉淀共同组成“双膜层”, 随水化反应的进展, 双膜层与水泥浆体紧密结合, 从而使水解层的填实程度提高, 强度和耐久性也就逐渐提高。90 d 粉煤灰混凝土的SEM照片见图4。
(2) 减水作用。混凝土的需水量主要取决于混凝土固体材料混合颗粒之间的空隙( 该空隙的变化范围是20%～30%) , 因此减少混合颗粒之间的空隙,就能降低需水量并保持新拌混凝土具一定的稠度要求。在碾压混凝土中应用粉煤灰, 由于粉煤灰玻璃微珠的滚珠轴承作用和填充作用, 使混合颗粒之间的空隙得以降低, 因此具有相当的减水作用。而且改善了新拌混凝土的流变性质, 有利于提高硬化粉煤灰混凝土的耐久性。
(3) 致密作用。混凝土中应用优质粉煤灰, 在新拌混凝土阶段, 粉煤灰充填于水泥颗粒之间, 使水泥颗粒“解絮”扩散, 改善了和易性, 提高了浇筑密实性, 使混凝土初始结构致密化; 在硬化发展阶段, 发挥物理充填料的作用; 硬化后期, 在水泥水化产物Ca(OH)2 的激发下粉煤灰的二次水化反应, 充分发挥了其活性充填料的作用。
4 结论
(1) 在试验配比范围内, 粉煤灰的掺入有助于提高碾压混凝土的中后期抗压和抗折强度, 但影响幅度都不大。其中90d 抗压强度随粉煤灰掺量的增加而提高; 28d 抗压和90d 抗折强度则在掺量小于30%时随粉煤灰掺量的增加而提高。
(2) 粉煤灰能有效地减小碾压混凝土的干缩值。同时, 粉煤灰还有助于降低碾压混凝土的磨耗,能较大程度降低碾压混凝土的冻融强度和质量损失。
(3) 微观机理分析表明, 由于粉煤灰的活性作用、减水作用和致密作用, 从而能够提高混凝土的耐久性。
参考文献
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