水利工程大掺量粉煤灰混凝土实践分析
时间：2022-12-04 20:10:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
夏侯唐鹏，张金海，魏东风
（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450000）
水利工程具有重要的调节、控制职能，能够对地表、地下水进行有效利用，堤防、涵闸、灌溉等工程均属于水利工程范畴。近年来，我国市场经济发展、基础建设愈发完善，水利工程的规模、数量逐渐增大。在诸多工程项目中，混凝土原料以其廉价、优质的性能获得了推广应用，但随之而来的冻融、渗水问题也困扰着施工单位，构件中的水分子在低温作用下凝结成冰，体积膨胀并产生微观拉应力，严重影响了工程的整体强度和质量，有必要对其进行深入探究和改进。
冻融、渗水是我国水利工程建造环节极为突出的问题，施工地区的气候、温度等均会影响工程性能，据相关研究显示，当混凝土结构所处环境温度过低时，其中的毛细水很容易发生冻结问题，整个物态转化过程中，结构体积可膨胀大约9%，在这种膨胀压力的持续作用下，内部会产生微观结构拉应力，进而产生裂缝而渗水。此外，毛细孔水结冰后，盐分浓度也会发生一定改变，冰与过冷水之间渗透压力不同，还可能产生持续作用的压差[1]，这些作用使得构件微观结构产生破坏，反复冻融累积伤害，致使轻微裂缝损伤不断扩张，最终形成贯穿、连通裂缝，影响结构整体的强度和抗渗性能。
从分析中可以看出，饱水状态是加剧冻融进程的重要因素，因此，许多水利工程中会通过掺入粉煤灰降低混凝土的含水量，以规避潜在的冻融、损坏风险。该做法综合效益可观，可以在降低水胶比、改善冻融耐久性的同时，提升材料和易性，抑制材料泌水问题。但过量掺加粉煤灰同样会引发质量问题，过多的粉煤灰颗粒在混凝土中会引发“滚珠效应”，导致混凝土坍落度过大、上层泌浆等情况，受到水量减少问题的影响，早期还可能出现凝结缓慢、强度过低的现象。基于此，本文结合实际工程案例，对其配比试验过程、性能分析过程进行探究。
某水电站承担灌溉、防洪、发电职能，所处地昼夜温差较大，潜在的冻融风险较高，初步确定以掺加粉煤灰来提升混凝土的抗冻融性能。
采用42.5普通硅酸盐水泥，标准抗压强度为45.5 MPa；
Ⅰ级粉煤灰，需水量比为91%，混凝土中采用的粗、细骨料就近采购，其中，碎石的表观密度为2 650 kg/m3；
细骨料含泥量为3.6%，表观密度为2 550 kg/m3，另加入高效减水剂、引气剂，可以起到改善和易性、抗冻性的作用。对粉煤灰掺量与混凝土性能的关系进行研究时，需要保持无关变量稳定，综合多方因素考虑后，将混凝土含气量设置为4.5%，误差不得超过±0.5%，这主要是因为本工程对混凝土抗冻性能要求较高，含气量过低容易影响混凝土的抗冻性，而含气量过高又会影响内部结构的紧密性，进而影响混凝土的强度。试验分两组进行，A组采用等强度配置思路，强度统一设定在C25，用于研究同等强度条件下，粉煤灰掺量对试件力学性能、抗冻性能以及抗渗性能的影响。B组采用同等水胶比，设计指标为0.40，两组均设置5个试件，具体配比可见表1。
表1 案例工程混凝土试验配比情况
4.1 力学性能分析
力学性能能够客观描述各种材质结构的应力状态、载荷性质等。对混凝土力学性能进行分析时，需要测定其抗拉性、抗压性等。综合水利工程的整体运行需求，本文重点分析粉煤灰掺量与抗压强度指标之间的关系。抗压强度的增长与多重要素有关，养护时间在其中表现极为活跃，基于此，收集构件组7 d、14 d以及28 d龄期抗压强度参数，分析相关性情况，详细数据可见表2。
表2 不同配比下各混凝土构件力学性能测试结果MPa
从表2中可以看出，在同等强度条件下，7 d龄期时，A组试件的抗压强度呈现缓慢下降的趋势，说明粉煤掺量与早期强度之间是存在一定负相关关系的，但在14 d和28 d的测试结果中，该种情况却表现出了相反的趋势，随着粉煤灰掺量的增加，A1～A5组抗压强度指标明显上升。而等水胶比组别中，抗压强度整体呈现下降趋势，但是，在14 d、28 d组别中，这种下降趋势明显放缓。分析后发现，这种情况主要与粉煤灰自身性质相关，其中的活性SiO2可以与水泥中的成分发生反应，混凝土原料碳硅比约在1.5，拌和后游离Ca(OH)2和SiO2发生反应，生成新的、低碱性的水化硅酸钙物质，碳硅比也下降至1或1以下，强度明显提高，促进了混凝土构件整体力学性能的优化。此外，粉煤灰中的Al2O3活性较高，在长时间的混合、作用下，同样会与游离Ca(OH)2发生反应，生成新的水化铝酸钙等物质，部分SiO2在水化热的作用下，还会参与这一反应进程中，形成有3种及以上物质参与的复杂反应，生成水化铝硅酸钙等。
这些生成物均具有较高的强度，可以显著提升结构稳定性和抗压能力，同时，Ca(OH)2作为水泥中重要的组分物质，游离状态下通常呈现为片状晶体，拌和过程中很容易影响微观结构紧密性，使之产生微小裂隙，而粉煤灰掺入并经过一段时间的反应后，可以显著消耗这种晶体存量[2]，进一步推动结构力学性能的优化。试验中呈现的构件早期强度较弱，很有可能是因为该种反应不够充分，经过14 d、28 d的养护后，反应转化进程基本结束，因此，强度相应提高。
4.2 抗冻性能分析
抗冻融性能是水利工程中极为重要的衡量指标，通常可以用相对动弹性模量辅助评估，本次试验中还引入质量损失率，二者相互配合以确保分析准确性，A、B两组均进行150次和200次冻融试验[3]，并记录相关参数以供分析。在冻融150次试验中，A1～A5组质量损失分别0.7%、0.7%、0.6%、0.3%和0.8%，相对动弹模量分别为93.65%、93.7%、95.2%、93.1%和90.6%，粉煤灰掺量增加的整体影响并不明显。而冻融200次试验中，质量损失分别转变为0.9%、1.2%、1.0%、0.8%和1.3%，最大、最小损失之间相差大约为0.5%，相对动弹模量分别为91.3%、92.8%、95.3%、90.1%和89.7%，对于掺量超过50%的A4、A5组来说，相对弹性模量损失有所加剧，但整体维持在约90%，质量损失也没有超过1.3%的限值。
在等水胶比组别中，冻融150次试验B1～B5组质量损失分别达到0.4%、2.6%、2.5%、3.1%和6.6%，相对动弹模达到91.3%、83.4%、81.2%、75.7%和75.3%；
冻融200次试验中，质量损失分别为0.6%、2.7%、3.0%、4.8%和9.3%，相对动弹模分别达到88.9%、84.2%、68.1%、68.5%和55.7%。可以发现，在粉煤灰掺量超过50%的B3、B4、B5组中，质量损失、相对动弹模损失均明显增大。A、B组别之间的差异如此明显，分析后发现可能是由于强度等级的影响，当强度等级一定时，粉煤灰掺量所起到的作用明显被削弱，而水胶比相同时，粉煤灰掺量增大反而会带来抗冻融性能的削弱。
4.3 抗渗性能分析
水利工程对抗渗性能的要求同样较高，把控不当很容易造成渗漏、裂缝扩大等问题，最终影响结构整体强度，在该部分的试验中，重点选取了渗水高度、渗透系数指标，在指标内容的基础上，做出综合性的抗渗评价，数据结果可见表3。
表3 混凝土试件抗渗试验结果
从图表中可以看到，A、B两组的抗渗评价均大于W6，对应渗透系数大约为4.19×10-9cm/s，可以较好地满足水利工程抗渗需求，这主要是因为粉煤灰中活性成分与水泥成分发生反应，造成了片状晶体Ca(OH)2的大量减少，混凝土微观结构由此被改变，密实度也明显增加，因此，抗渗性能得到改良。配比环节要结合实际试验情况分析，比如，本次试验中，同等强度条件下，A4组表现最佳，此时可以取水胶比0.35，粉煤灰掺量60%，以提高工程抗渗性能。
综上所述，本次试验分析了粉煤灰掺量与混凝土构件抗压强度、抗渗性能、抗冻融能力之间的关系，试验结果如下：
1）在等强度条件下，混凝土构件性能主要受到粉煤灰掺量、养护时间的影响，早期混凝土强度较低，14 d以后则会伴随粉煤灰掺量的提升而出现明显上升趋势，实践中务必科学设定养护周期，适当提高粉煤灰掺量。
2）粉煤灰掺量的作用受强度影响较大，强度一定时，粉煤灰掺量对抗冻融能力的影响减小，而水胶比固定时，掺量的增加反而会影响抗冻融能力。施工过程中要注意协调水胶比、强度、掺量的关系，通过增加强度减少冻融损伤。
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