摘要: 試驗采用在碾壓混凝土中摻入粉煤灰( 其摻量占膠凝材料總量的10%~45%) 的方法來提高碾壓混凝土耐久性( 包括強度、干縮、耐磨性和抗凍性) 。試驗結(jié)果表明: ( 1) 粉煤灰摻量小于30%時能提高碾壓混凝土強度但影響度不大; ( 2) 隨著粉煤灰摻量的增加, 碾壓混凝土的干縮呈直線降低, 且抗磨性和抗凍融能力明顯提高; ( 3) 粉煤灰能有效提高碾壓混凝土的耐久性, 且在試驗條件下的最佳摻量為30%。
關鍵詞: 碾壓混凝土; 粉煤灰; 耐久性; 機理
0 前言
我國碾壓混凝土筑壩技術已經(jīng)非常成熟, 達到了世界領先水平。我國已建碾壓混凝土筑壩工程最多, 已有41 座碾壓混凝土壩; 在建及規(guī)劃設計中的工程也最多, 其中在建12 座, 規(guī)劃、設計和即將施工的17 座; 此外, 還有不少的碾壓混凝土圍堰工程。這些已建和在建的不少工程代表了國際最先進的水平, 例如, 沙牌水電站壩高132 m, 是目前世界上最高的碾壓混凝土拱壩; 龍首水電站壩高80 m, 是已建的最高的碾壓混凝土雙曲薄拱壩, 厚高比為0.17;招徠河水電站壩高107m, 是在建的最高碾壓混凝土雙曲薄拱壩, 厚高比為0.17; 龍灘水電站壩高216.5m, 是在建的最高碾壓混凝土重力壩。
碾壓混凝土抵抗氣候變化、化學侵蝕、磨損或任何其它破壞過程的能力稱為碾壓混凝土的耐久性;其耐久性的好壞, 將直接影響壩體的耐久和安全。
碾壓混凝土耐久性研究的主要內(nèi)容是化學腐蝕、凍融破壞、堿集料破壞等。其中碾壓混凝土的抗凍性在北方寒冷地區(qū)工程中就是急待解決的重要問題之一。因我國地域遼闊, 有相當大的部分處于寒冷地帶, 尤其在東北嚴寒地區(qū)興建的水工混凝土建筑物, 幾乎100%的工程存在有局部或大面積遭受不同程度的凍融破壞。碾壓混凝土的干縮是碾壓混凝土開裂的主要原因之一, 其干縮裂縫將引入對混凝土具有破壞作用的物質(zhì)或元素, 會對碾壓混凝土產(chǎn)生化學腐蝕并降低其抗?jié)B性,從而降低或破壞混凝土的耐久性。另外, 碾壓混凝土的磨耗也是影響其耐久性的一個重要因素, 特別是對于水流沖刷的部位。
本試驗提出摻入粉煤灰的方法來降低碾壓混凝土的干縮和磨耗值、提高碾壓混凝土的耐久性, 并對粉煤灰的作用機理進行分析, 為工程實踐提供理論依據(jù)。
1 試驗
1.1 試驗用原材料
試驗采用的膠凝材料為華新堡壘牌42.5 普通硅酸鹽水泥和Ⅰ級粉煤灰( 化學成分見表1) ; 人工砂細骨料和二級配粗骨料, 其物理性能見表2; 外加劑為高效減水劑FDN( 推薦摻量0.6%～1.0%) 和FS引氣劑( 推薦摻量0.005%～0.01%) 。
1.2 室內(nèi)試驗
(1) 配合比設計。試驗固定水膠比為0.50、膠凝材料總用量150 kg/m3, 砂率為0.38, 高效FDN 摻量為0.8%, FS 引氣劑摻量為0.008%。通過調(diào)整粉煤灰摻量( 見表3) 來研究粉煤灰對碾壓混凝土耐久性的影響。
(2) 混凝土的性能。按上述配比和規(guī)定方法配制碾壓混凝土, 并按相關試驗標準進行性能試驗, 結(jié)果見表4, 圖1, 圖2 和圖3。
2 試驗結(jié)果分析
2.1 粉煤灰對碾壓混凝土強度的影響
根據(jù)表4 和圖1 試驗結(jié)果可知:
(1) 粉煤灰摻量對碾壓混凝土的28 d 抗壓強度影響不大; 當粉煤灰摻量占膠凝材料總量小于30%時, 28 d 抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而增大, 大于30%時, 隨粉煤灰摻量的增大而下降; 粉煤灰摻量為30%時抗壓強度最高。碾壓混凝土的90 d 抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而增大。因此粉煤灰的摻入有助于碾壓混凝土后期抗壓強度的提高。
(2) 當粉煤灰摻量小于30%時, 粉煤灰的摻入有助于90 d 抗折強度的提高, 后開始稍下降, 但仍
高于粉煤灰摻量為零的試樣。這表明粉煤灰對提高碾壓混凝土抗折強度是有利的, 最佳摻量為30%。
2.2 粉煤灰對碾壓混凝土干縮的影響
根據(jù)表4 中粉煤灰摻量對碾壓混凝土180 d干縮的影響可知, 碾壓混凝土的180 d 干縮隨著粉煤灰摻量的增加幾乎直線減小( 見圖2) , 其相關關系見式( 1) , 這說明粉煤灰能有效降低混凝土的干縮。
y=- 1.7067x+198.4, R=0.993 ( 1)
式中: x 為粉煤灰摻量; y 為碾壓混凝土180 d 干縮值。
2.3 粉煤灰對碾壓混凝土磨耗的影響
分析表4 可知, 從3 000 轉(zhuǎn)磨耗值來看, 摻入粉煤灰的碾壓混凝土磨耗值明顯小于不摻的, 這說明粉煤灰有助于降低碾壓混凝土的磨耗; 而摻15%,30%和45%粉煤灰的碾壓混凝土的磨耗值基本相當, 而且磨耗值隨粉煤灰摻量的增加略有下降。
2.4 粉煤灰對碾壓混凝土凍融耐久性的影響
分析表4 和圖3 可知, 經(jīng)200 次凍融循環(huán)后,碾壓混凝土的強度和凍融質(zhì)量損失均隨著粉煤灰摻量的增加而減小; 粉煤灰摻量從0 提高到15%時,碾壓混凝土的200 次強度和凍融質(zhì)量損失降幅度較大, 粉煤灰摻量大于15%后, 強度和凍融質(zhì)量損失降幅減小。這說明粉煤灰的摻入能在較大程度降低碾壓混凝土的凍融損失, 因而能有效提高碾壓混凝土的耐久性。
3 微觀機理分析
(1) 活性作用。粉煤灰的火山灰反應過程早期是粉煤灰微珠表面發(fā)生溶解反應(該反應受擴散控制), 反應生成物沉淀在顆粒的表面上, 后期鈣離子繼續(xù)通過表層和沉淀的水化產(chǎn)物層向芯部擴散。在用掃描電鏡對混凝土中粉煤灰火山灰反應過程的觀察中, 發(fā)現(xiàn)粉煤灰微珠周圍形成的水化產(chǎn)物和微珠顆粒之間存在著一層0.5～1 μm 厚的水解層。鈣離子通過水解層, 不斷侵蝕微珠表面, 而水化產(chǎn)物則不斷填實水解層。C- S- H 膠凝與Ca(OH)2 沉淀共同組成“雙膜層”, 隨水化反應的進展, 雙膜層與水泥漿體緊密結(jié)合, 從而使水解層的填實程度提高, 強度和耐久性也就逐漸提高。90 d 粉煤灰混凝土的SEM照片見圖4。
(2) 減水作用。混凝土的需水量主要取決于混凝土固體材料混合顆粒之間的空隙( 該空隙的變化范圍是20%～30%) , 因此減少混合顆粒之間的空隙,就能降低需水量并保持新拌混凝土具一定的稠度要求。在碾壓混凝土中應用粉煤灰, 由于粉煤灰玻璃微珠的滾珠軸承作用和填充作用, 使混合顆粒之間的空隙得以降低, 因此具有相當?shù)臏p水作用。而且改善了新拌混凝土的流變性質(zhì), 有利于提高硬化粉煤灰混凝土的耐久性。
(3) 致密作用。混凝土中應用優(yōu)質(zhì)粉煤灰, 在新拌混凝土階段, 粉煤灰充填于水泥顆粒之間, 使水泥顆粒“解絮”擴散, 改善了和易性, 提高了澆筑密實性, 使混凝土初始結(jié)構(gòu)致密化; 在硬化發(fā)展階段, 發(fā)揮物理充填料的作用; 硬化后期, 在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2 的激發(fā)下粉煤灰的二次水化反應, 充分發(fā)揮了其活性充填料的作用。
4 結(jié)論
(1) 在試驗配比范圍內(nèi), 粉煤灰的摻入有助于提高碾壓混凝土的中后期抗壓和抗折強度, 但影響幅度都不大。其中90d 抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而提高; 28d 抗壓和90d 抗折強度則在摻量小于30%時隨粉煤灰摻量的增加而提高。
(2) 粉煤灰能有效地減小碾壓混凝土的干縮值。同時, 粉煤灰還有助于降低碾壓混凝土的磨耗,能較大程度降低碾壓混凝土的凍融強度和質(zhì)量損失。
(3) 微觀機理分析表明, 由于粉煤灰的活性作用、減水作用和致密作用, 從而能夠提高混凝土的耐久性。
參考文獻
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