摘要: 試驗(yàn)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(lái)提高碾壓混凝土耐久性( 包括強(qiáng)度、干縮、耐磨性和抗凍性) 。試驗(yàn)結(jié)果表明: ( 1) 粉煤灰摻量小于30%時(shí)能提高碾壓混凝土強(qiáng)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(yàn)條件下的最佳摻量為30%。
關(guān)鍵詞: 碾壓混凝土; 粉煤灰; 耐久性; 機(jī)理
0 前言
我國(guó)碾壓混凝土筑壩技術(shù)已經(jīng)非常成熟, 達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。我國(guó)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(shè)計(jì)中的工程也最多, 其中在建12 座, 規(guī)劃、設(shè)計(jì)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(guó)際最先進(jìn)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(xué)侵蝕、磨損或任何其它破壞過(guò)程的能力稱(chēng)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(xué)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(wèn)題之一。因我國(guó)地域遼闊, 有相當(dāng)大的部分處于寒冷地帶, 尤其在東北嚴(yán)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(kāi)裂的主要原因之一, 其干縮裂縫將引入對(duì)混凝土具有破壞作用的物質(zhì)或元素, 會(huì)對(duì)碾壓混凝土產(chǎn)生化學(xué)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(gè)重要因素, 特別是對(duì)于水流沖刷的部位。
本試驗(yàn)提出摻入粉煤灰的方法來(lái)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(duì)粉煤灰的作用機(jī)理進(jìn)行分析, 為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。
1 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)用原材料
試驗(yàn)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(jí)粉煤灰( 化學(xué)成分見(jiàn)表1) ; 人工砂細(xì)骨料和二級(jí)配粗骨料, 其物理性能見(jiàn)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(yàn)
(1) 配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)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(guò)調(diào)整粉煤灰摻量( 見(jiàn)表3) 來(lái)研究粉煤灰對(duì)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(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能試驗(yàn), 結(jié)果見(jiàn)表4, 圖1, 圖2 和圖3。
2 試驗(yàn)結(jié)果分析
2.1 粉煤灰對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度的影響
根據(jù)表4 和圖1 試驗(yàn)結(jié)果可知:
(1) 粉煤灰摻量對(duì)碾壓混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度影響不大; 當(dāng)粉煤灰摻量占膠凝材料總量小于30%時(shí), 28 d 抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增大而增大, 大于30%時(shí), 隨粉煤灰摻量的增大而下降; 粉煤灰摻量為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高。碾壓混凝土的90 d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的提高。
(2) 當(dāng)粉煤灰摻量小于30%時(shí), 粉煤灰的摻入有助于90 d 抗折強(qiáng)度的提高, 后開(kāi)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(duì)提高碾壓混凝土抗折強(qiáng)度是有利的, 最佳摻量為30%。
2.2 粉煤灰對(duì)碾壓混凝土干縮的影響
根據(jù)表4 中粉煤灰摻量對(duì)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(jiàn)圖2) , 其相關(guān)關(guān)系見(jiàn)式( 1) , 這說(shuō)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(duì)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(lái)看, 摻入粉煤灰的碾壓混凝土磨耗值明顯小于不摻的, 這說(shuō)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(dāng), 而且磨耗值隨粉煤灰摻量的增加略有下降。
2.4 粉煤灰對(duì)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(qiáng)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(shí),碾壓混凝土的200 次強(qiáng)度和凍融質(zhì)量損失降幅度較大, 粉煤灰摻量大于15%后, 強(qiáng)度和凍融質(zhì)量損失降幅減小。這說(shuō)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(jī)理分析
(1) 活性作用。粉煤灰的火山灰反應(yīng)過(guò)程早期是粉煤灰微珠表面發(fā)生溶解反應(yīng)(該反應(yīng)受擴(kuò)散控制), 反應(yīng)生成物沉淀在顆粒的表面上, 后期鈣離子繼續(xù)通過(guò)表層和沉淀的水化產(chǎn)物層向芯部擴(kuò)散。在用掃描電鏡對(duì)混凝土中粉煤灰火山灰反應(yīng)過(guò)程的觀察中, 發(fā)現(xiàn)粉煤灰微珠周?chē)纬傻乃a(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(guò)水解層, 不斷侵蝕微珠表面, 而水化產(chǎn)物則不斷填實(shí)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(yīng)的進(jìn)展, 雙膜層與水泥漿體緊密結(jié)合, 從而使水解層的填實(shí)程度提高, 強(qiáng)度和耐久性也就逐漸提高。90 d 粉煤灰混凝土的SEM照片見(jiàn)圖4。
(2) 減水作用?；炷恋男杷恐饕Q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(yīng)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(dāng)?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?；炷林袘?yīng)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(kuò)散, 改善了和易性, 提高了澆筑密實(shí)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(yīng), 充分發(fā)揮了其活性充填料的作用。
4 結(jié)論
(1) 在試驗(yàn)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(qiáng)度, 但影響幅度都不大。其中90d 抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而提高; 28d 抗壓和90d 抗折強(qiáng)度則在摻量小于30%時(shí)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(shí), 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(qiáng)度和質(zhì)量損失。
(3) 微觀機(jī)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(xiàn)
[1] 楊康寧,方坤河.碾壓混凝土壩施工[M],北京:水利水電出版社, 1997
[2] P.梅泰,混凝土的結(jié)構(gòu)、性能與材料[M],上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 1991
[3] 劉數(shù)華,方坤河,何林.碾壓混凝土筑壩及材料新進(jìn)展[J].南水北調(diào)與水利科技,2004,(5):51- 52
[4] 劉數(shù)華,方坤河.碾壓混凝土的強(qiáng)度研究[J].大壩與安全,2004,(4): 1- 2
[5] 劉數(shù)華,方坤河.粉煤灰對(duì)碾壓混凝土耐久性的影響[J].水泥工程,2005,(4):4- 6
[6] 劉數(shù)華,方坤河.粉煤灰對(duì)水工混凝土抗裂性能的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2005,(2): 73- 76
[7] 劉數(shù)華,方坤河,曾力.粉煤灰和硅粉對(duì)碾壓混凝土抗裂性能的影響[J].混凝土與水泥制品,2005,(2): 12- 13
[8] Liu SH, Fang KH, Li Z. Influence of mineral admixtures oncrack resistance of high strength concrete [J]. KEYENGINEERING MATERIALS,2006,302~303: 150- 154
