不同粉煤灰掺量及水胶比水工混凝土的耐久性分析_唐强.pdf

38 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期2022-03-21作者简介唐强（1 9 6 6-），男，辽宁庄河人，工程师，研究方向为水利工程管理、河道、水资源、水土保持、农村饮水安全等。不同粉煤灰掺量及水胶比水工混凝土的耐久性分析唐 强（大连市庄河市鞍子山乡人民政府水利站，辽宁 庄河 116414）摘 要：根据东北地区气候环境特征，试验设计 3 种粉煤灰掺量及水胶比，通过模拟设计现场侵蚀条件试验探讨不同粉煤灰掺量及水胶比水工混凝土耐久性。结果表明：不同侵蚀环境的作用机理存在明显差异，自然浸泡、冻融循环条件下以化学腐蚀和物理破坏为主，干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用会引起一系列物理化学反应；各类侵蚀环境下，掺 20%粉煤灰+0.30 水胶比试块的耐久性最优，硫酸盐溶液中水泥水化生成钙矾石，这种膨胀产物会产生一定的膨胀压力。关键词：粉煤灰掺量；水胶比；侵蚀环境；水工混凝土中图分类号：TV431文献标识码：BDurability Analysis of Hydraulic Concrete with Different Fly Ash Content and Water-binder RatioTangQiang(Zhuanghe Urban Water Conservancy Station of Anzishan Village Peoples Government,Zhuanghe 116414,China)Abstract:AccordingtotheclimaticandenvironmentalcharacteristicsofnortheastChina,threekindsofflyashcontentandwater-binderratioweredesigned,andthedurabilityofhydraulicconcretewithdifferentflyashcontentandwater-binderratiowasdiscussedthroughthefielderosionconditiontestofsimulateddesign.Theresultsshowthatthereareobviousdifferencesintheactionmechanismofdifferenterosionenvironments,undernaturalsoakingandfreeze-thawcycles,chemicalcorrosionandphysicaldamagearethemainfactors,andthecouplingofdry-wetcycleandsulfateerosionwillcauseaseriesofphysicalandchemicalreactions.Invariouserosionenvironments,thedurabilityoftheblockmixedwith20%flyash+0.30waterglueisthebest,thecementinsulfatesolutionishydratedtoformettringite,andthisswellingproductwillproducecertainswellingpressure.Key words：flyashreplacement;water-blinderratio;erosionenvironment;hydraulicconcrete中国东北盐渍土地区水工混凝土结构，受各种不利因素作用很容易出现劣化损伤，其中导致工程结构提前失去服役功能的因素主要有盐腐蚀、冻融循环等1。将粉煤灰掺入混凝土中既可以节约水泥用量，又有利于减少碳排放和投资成本。因此，研究盐冻条件下掺粉煤灰水工混凝土耐久性极具现实意义。如，曹秀丽等2探讨了不同强度等级混凝土相对动弹模量和质量损失，在冻融循环作用下的变DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.035 39 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）化规律，结果发现混凝土强度等级与抗冻融性能间存在正相关性；韩铁林等3研究了不同化学溶液中砂岩在冻融循环作用下的力学变化规律和损伤劣化机理，结果表明化学溶液对试件冻融损伤劣化具有一定的延缓作用；WANGDZ 等通过观察和测量冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下混凝土的微观结构及动弹模量发现，硅灰和粉煤灰的掺入可以改善混凝土抗盐冻性；麻海燕等利用快冻法测定了 MgCl2与 Na2SO4复合溶液中混凝土抗冻性，结果发现复合溶液对 HVMAC 的冻融破坏具有较好的延缓作用；陈拴发等试验探讨了粉煤灰混凝土力学性能受龄期、应力水平、干湿循环、三分点加荷与硫酸钠溶液耦合作用的影响，结果发现混凝土中掺入适量的粉煤灰可以明显增强其抗腐蚀、抗应力能力；元成方等6探讨了碳化混凝土中氯离子的传输机理，认为碳化会加速干湿循环下氯离子传输速度，减小水胶比能够有效增强抗氯离子侵蚀性。目前，对混凝土耐久性研究大都侧重于宏观力学性能及抗渗透性能受碳化、硫酸盐、氯盐等单一因素的影响，难以客观反映不同侵蚀条件下混凝土耐久性能，研究结论有时存在以偏概全的情况。因此，文章结合东北盐渍土地区环境特征，试验设计 3 种粉煤灰掺量及水胶比，通过模拟设计现场侵蚀条件试验探讨不同粉煤灰掺量及水胶比水工混凝土耐久性，以期为不同气候条件下水工结构设计提供一定参考。1 试验方法1.1 原材料本试验所用原材料主要有减水剂、粉煤灰、粗细骨料、水泥和水等，其中水泥选用沈阳天和水泥厂生产的PO42.5级普通硅酸盐水泥，安定性合格，初、终凝时间 155min 和 240min，3d、28d 抗压强度 18.2MPa 和 48.5MPa，3d、28d 抗折强度 4.25MPa和 8.16MPa。粗细骨料用沈阳地区的花岗岩碎石及细度模数 2.8 的河砂，碎石级配和含泥量符合使用要求，含水率 0.1%，砂的表观密度 2600kg/m3。混凝土中掺入适量粉煤灰可以有效改善其性能，试验选用大连华源生产的 F 类级粉煤灰，细度 6.5%，需水量比 98%，密度 2.4g/cm3，含水量 0.2%，28d活性指数 85%。外加剂用科之杰 Point-S 聚羧酸高性能减水剂，减水率 30%，通过调整坍落度合理确定减水剂掺量。1.2 配合比设计为科学评定不同侵蚀条件下水工混凝土的耐久性能，研究分析不同粉煤灰掺量和水胶比对改善混凝土耐久性的差异，试验参照水工混凝土配合比设计规程设计 3 种粉煤灰掺量和水胶比，试验配合比，见表 1。将拌合物配制成边长 100mm 的立方体试块，然后标养 28d 测定相应的数据。表 1 试验配合比编号原材料用量/kg（m3）-1粉煤灰掺量/%水胶比水水泥粉煤灰砂碎石减水剂Z1/G1/D10.4217224616468011002.540Z2/G2/D20.3416032914168011005.030Z3/G3/D30.301353609068011007.2201.3 试验过程依据试验配合比进行称量、拌和、振捣、入模成型、编号标记等一系列操作，常温放置 24h 后拆模放入标养室养护。为准确反映水工混凝土耐久性，试验设计干湿循环、冻融循环和自然浸泡 3 种环境条件，具体如下：1）自然浸泡试验。按照水工混凝土耐久性技术规范待标养 28h 时浸入 5%Na2SO4溶液浸泡，试验时每隔 15d 更换一次溶液以维持浓度不变，每隔 60d 测定一次混凝土超声波波速与质量。2）干湿循环试验。提前 2d 将标养 26d 的试块取出放入烘箱烘 48h，控制温度(802)，烘干后自然冷却至室温，干湿循环参数如下：先把试块浸泡在 5%Na2SO4溶液中 15h，然后将溶液排空并立即用热风机对吹 1h 风干，之后升温到 80维持6h，自然冷却 2h，一个干湿循环周期 24h，每干湿循环 15 次测定一次有关参数。3）冻融循环试验。将标养 24d 的试块提前取 40 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）出浸入 20清水溶液浸泡 4d，保证试块处于饱水状态，冻融循环参数如下：在冻融循环机内分组摆放试块，控制温度-1510，一个冻融循环周期4h(冻 2h+融 2h)，每冻融循环 25 次测定一次有关参数。鉴于抗压强度属于破坏性试验、数据采集量大、试验监测时间长，动弹模量可准确反映试块内部损伤情况以及超声无损检测技术的日趋成熟等，本研究利用分度值 0.1g 的电子秤和 WFZX-10S 超声波检测仪测定试块质量及相对动弹模量，确定混凝土耐久性评价参数为相对质量参数 1和相对动弹模量参数 2，计算公式为8-9：（1）4.06.0/2022=VVT （2）式中：Mr 代表混凝土相对质量；VT、V0代表一定浸泡时间或室内大循环次数后和初始的试块超声波波速。1、2 1 代表测量值高于基准值，1、2处于 01 之间代表测量值低于基准值但未发生破坏，1、2 0 代表试块的动弹模量减小到初始值 60%以下或质量达到初始值的 95%以下，该条件下混凝土出现严重破坏。2 结果与分析2.1 自然浸泡试验将不同粉煤灰掺量及水胶比的试块浸泡到5%Na2SO4溶液中，每隔 60d 测定一次超声波波速和质量，混凝土动弹模量和质量随浸泡时间的延长发生显著改变，自然浸泡试验数据，见图 1。0.801.001.201.401.60060120180240300360420480540600660浸泡时间/dZ1Z2Z3相对质量参数/1 0.600.801.001.201.401.60060120180240300360420480540600660浸泡时间/dZ1Z2Z3相对动弹模量参数/2(a)1值(b)2值图 1 自然浸泡试验数据从图 1(a)可以看出，在浸泡周期内 3 种水胶比试块的 1均表现出先增大后减小的变化趋势，浸泡龄期达到 240d 有峰值，试块 Z1、Z2、Z3 的 1为初始值的 1.43 倍、1.46 倍和 1.39 倍，峰值之前1随浸泡龄期的延长而增加，随后呈波动下降趋势。其中，试块Z1的1降幅最大，该组水胶比0.42也最大，浸泡龄期达到 600d 时其 1减小到 0.87，说明逐渐产生损伤；试块 Z2、Z3 的 1降幅较小，浸泡龄期达到 660d 时的损失值只有 6%和 4%。另外，在 480d 龄期以前，试块 Z3 始终低于同龄期试块 Z2、Z1 的质量增加量，之后其 1 值整体高于其它试块。总体而言，除个别时段外 3 种水胶比试块的 1值均 1.0，这说明混凝土质量有所增大，但随着浸泡时间的延长混凝土逐渐出现劣化破坏。由图 1(b)可知，硫酸盐侵蚀条件下试块 2值与 1值相比变幅更大，试块 Z3 的 2值最大，其次是Z2，试块 Z1 的 2值最小。浸泡龄期达到 300d 有峰值，试块 Z3、Z2、Z1 的 2高出初始值的 42%、37%和 36%，说明在浸泡 300d 以前混凝土内部的密实度不断提高，而 300d 后呈大幅减小趋势。试块 Z1 的 2降幅明显高于 Z2、Z3，浸泡 480d 时试块 Z1 的 2值开始 1.0，混凝土逐渐出现劣化，浸泡 660d 时则出现明显劣化，其 2值降幅达到38%；龄期600d、660d时试块Z2和Z3才开始劣化，说明水胶比不同则混凝土所表现出的抗侵蚀性能具有一定差异。通过对比分析发现，在浸泡周期内反映内部微观细部结构的 2值和衡量外部宏观质量的 1值均具有较高一致性，总体表现出先上升后下降的变化特征，随浸泡龄期的延长混凝土逐渐劣化破坏，并 41 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）且以掺 20%粉煤灰、水胶比 0.30 的 Z3 试块耐久性能最优，浸泡周期内其相对动弹模量值最大而质量损失最小。这是因为溶液中的离子通过混凝土固有孔隙或微裂缝渗入内部，水化产物 C-S-H 凝胶会与渗入的有害离子反应生成含有大量结晶水的钙矾石，其体积较最初值可增加 2 倍以上10。试验初期钙矾石对混凝土内部空隙起着填充作用，宏观上会增大混凝土质量，而细部微观上可提高动弹模量；随着浸泡时间的延长，腐蚀产物逐渐增多，所产生的膨胀应力、裂纹维度和宽度不断增加，混凝土表面开始起皮、剥落甚至破坏，从而降低了动弹模量和质量参数。2.2 干湿循环试验将不同粉煤灰掺量及水胶比的试块浸泡到5%Na2SO4溶液中，每干湿循环15次测定一次相对质量参数1和相对动弹模量参数2，干湿循环试验数据，见图2。0.700.800.901.001.101.201.301.400153045607590105120135循环次数G1G2G3相对质量参数/1(a)1值0.200.400.600.801.001.201.400153045607590105120135循环次数Z1Z2Z3相对动弹模量参数/2(b)2值图 2 干湿循环试验数据从图 2(a)可以看出，干湿循环作用下 3 种水胶比试块的 1均表现出先增大后减小的变化趋势，粉煤灰掺量最高、水胶比最大的试块 G1 变幅最大，干湿循环 15 次时其 1值较初始值增大 30%，相较于试块 G2、G3 高出 9%和 11%；随后混凝土质量逐渐下降，并以试块 G1 的降幅最高，其次为 G2，试块 G3 质量降幅最小。混凝土质量随着干湿循环次数的增大逐渐减小，各组试块的 1值不断减小到 1.0 以内，并以试块 G1 最先减小到 1.0 以下（60次），其次是 G2（75 次），干湿循环 90 次时试块 G3 才开始劣化。干湿循环 135 次时，试块 G1、G2、G3 质量损失值依次为 22%、18%、15%。由图 2(b)可知，干湿循环条件下试块 2值与 1值相比变化更加明显，干湿循环 135 次时试块 Z3、Z2、Z1 的 2值损失值依次为 22%、46%、70%。除个别循环段试块 G1 的 2值均明显低于 G2、G3，这主要与混凝土水化程度、内部密实度等有关。总体而言，随着干湿循环次数的增大混凝土动弹模量呈先上升后下降的变化特征，干湿循环 15 次时3种水胶比试块的2值达到峰值，之后均逐渐下降，并以试块 G1 的 2值降幅最大，这说明 G1 混凝土的损伤也最重，干湿循环周期内试块 G3 的 2值变幅最小，波动变化相对较缓。综上分析，不同水胶比试块的两类耐久性评价指标变化规律相似，干湿循环 15 次前期耐久性较优，随后 1值、2值均开始减小，水工混凝土发生劣化甚至破坏。三种水胶比中试块 G3 的抗侵蚀性最优，G1的劣化损伤发展最快，G2处于中间状态，这是因为干湿循环过程中混凝土发生一系列的物理化学反应。一方面，通过表面毛细微孔渗入到混凝土内部的会与水化产物 Ca(OH)2反应生成石膏，内部的水化硅酸钙凝胶(主要起胶结作用)会与石膏继续反应生成钙矾石晶体(具有膨胀作用)。干湿循环初期，钙矾石晶体、石膏对混凝土内部固有空隙具有填充效应，从而增大了混凝土密实度和动弹模量，这也是引起初期质量增加的重要原因；另一方面，在硫酸盐溶液中浸泡后的试块被快速风干，浅层处及表面水分在短暂的时间内被带走，未参与反应的硫酸盐及已经生成的石膏结晶析出，混凝土表现出现结晶压力，从而导致裂缝变宽加深，加之钙矾石的膨胀应力使得原本未贯通的通道、孔隙、裂纹，在内外力共同作用下逐渐连通，加速了内部胶凝物质及腐蚀产物的溶解、析出和腐蚀溶液的入渗以及混凝土表面开裂、剥落等11。2.3 冻融循环试验由于特殊的气候环境，我国东北地区的水工混凝土大多存在冻融破坏问题，抗冻性研究也是反映 42 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）混凝土耐久性的重要指标12-14。冻融循环作用下，不同粉煤灰掺量及水胶比混凝土的动弹模量、质量参数变化特征，冻融循环试验数据，见图 3。-0.40-0.200.000.200.400.600.801.001.200255075100125150175200225250275300循环次数D1D2D3相对质量参数/1 -0.40-0.200.000.200.400.600.801.001.200255075100125150175200225250275300循环次数D1D2D3相对动弹模量参数/2(a)1值(b)2值图 3 冻融循环试验数据从图 3(a)可以看出，水工混凝土质量受冻融循环损伤较为明显，3 种水胶比混凝土质量除前 25次冻融循环有所增加外，其它时段均表现出劣化损伤情况。试块 D1 明显高于 D2、D3 的质量变化率，冻融循环 250 次时试块 D1 的 1值 0 为-0.02，说明此时已出现严重破坏；试块 D2、D3 的破坏时间晚于 D1，冻融循环 300 次时期 1值才 0 达到-0.16、-0.14，说明后期试块 D2、D3 的抗冻性能优于 D1。由图 3(a)可知，总体上可以将水工混凝土动弹模量变化规律划分成三个阶段：冻融循环25 次前，3 种水胶比试块的 2值均增大，D3 的 2值为初始值的 1.16 倍，这是因为冻融循环初期掺入的粉煤灰参与二次反应，使得内部孔隙结构得以优化，从而增大了动弹模量；冻融循环25150次时，混凝土质量损失速度较缓，但整体降幅超过 30%；冻融循环 150 次后，3 种水胶比试块的 2值降幅明显加大，并以 D1 降幅最高，冻融循环 275 次时试块 D1 的 2值 0 为-0.22，此时开始破坏，冻融循环 300 次时试块 D2、D3 也开始出现破坏。冻融循环下试块的 1值及 2值变化规律与干湿循环、自然浸泡下有所不同，主要体现在试块的动弹模量和试质量除个别时段小幅增大外，其它绝大多数冻融循环周期内都 0.1，说明混凝土出现比较严重的内外损伤。试验表明，在冻融过程中粉煤灰掺量最高、水胶比最大的试块 D1 劣化最为明显，其次是 D2，试块 D3 劣化最小。深入分析可知，冻融循环初期粉煤灰尚未完全水化，随着龄期的延长在冻融循环下粉煤灰参与二次水化，使得混凝土内部孔隙结构得以改善，相应的密实度和动弹模量也增大。另外，在不断结冰和融化过程中混凝土内部毛细孔中的水会产生涨缩应力。当混凝土的极限抗拉强度低于孔隙水结冰产生的膨胀应力时内部就开始出现微小裂缝，随着循环次数的增大裂纹逐渐积累形成较大的裂缝，甚至贯通裂缝，混凝土动弹模量、抗剪哈抗压强度等参数随之减小。冻融后期，混凝土接近破坏时表面出现明显裂缝、剥蚀及较大剥落，粗骨料与凝胶分离裸露，混凝土的耐久性明显下降。2.4 侵蚀机理分析试验结束后，不同环境下的混凝土表面腐蚀状态存在一定差异，说明不同试验环境的侵蚀机理不同。自然浸泡条件下以化学腐蚀为主，通过表面微裂纹硫酸盐渗入混凝土内部，经化学反应生成钙矾石，因体积膨胀形成较大膨胀应力，随着浸泡龄期的延长膨胀产物不断增多，膨胀压力持续增大，试件表面开始出现起皮、开裂等现象。干湿循环过程中，水工混凝土在硫酸盐溶液中发生物理化学反应：渗入混凝土内部的硫酸根离子会与水化产物反应生成石膏，而内部的水化硅酸钙凝胶(主要起胶结作用)与石膏继续反应生成钙矾石晶体(具有膨胀作用)，在产生较大膨胀应力的同时大大降低了内部凝胶含量；浅层处及表面水分在短暂的时间内被带走，未参与反应的硫酸盐及已经生成的石膏结晶析出，混凝土表现出现结晶压力，导致裂缝变宽加深，这又加剧了有害离子的侵入，如此反复大大降低了混凝土动弹模量和质量，（下转第 92 页）92 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）小，最后趋于稳定；重力拦河坝混凝土浇筑层间胶结状态较好，水库运行正常。参考文献：1 冯亚新，王润英，孙丹，等.深厚覆盖层上面板堆石坝渗流敏感性分析 J.中国农村水利水电:1-15.2 朱利平，李翔.某沥青混凝土心墙堆石坝安全监测设计 J.工程质量，2022，40(07):56-59.3 房清清.基于三维有限元堆石坝渗流稳定性分析 J.水电站机电技术，2022，45(06):103-105.4 何涛洪，曾旭，张全意，张文胜.万家沟水库坝体自身防渗堆石混凝土重力坝渗流监测与分析 J.红水河，2022，41(01):34-38，49.5 宋志荣.某混凝土面板堆石坝数值模拟与监测分析 J.广东水利水电，2021(08):44-49.并最终产生破坏。冻融循环与自然浸泡、干湿循环的侵蚀机理不同，水工混凝土以物理侵蚀为主。在饱和溶液中混凝土受到短时间冻融作用会形成较大的温度应力、膨胀应力，混凝土成型时就存在的裂缝在冻融产生的胀缩应力作用下，其裂缝宽度不断加大，原本未贯通的通道、孔隙、裂纹在内外力作用下逐渐连通，混凝土表面的细骨料和凝胶不断流失，粗骨料裸露，表面开裂、剥落，使其耐久性能明显降低。3 结 论1）不同粉煤灰掺量及水胶比混凝土耐久性具有一定差异，掺 20%粉煤灰、水胶比最大的混凝土耐久性最优。侵蚀环境不同，对水工混凝土的作用机理具有一定差异，自然浸泡、冻融循环条件下以化学腐蚀和物理侵蚀为主，在硫酸盐溶液中进行干湿循环会引起一系列物理化学反应，混凝土耐久性随侵蚀时间的延长逐渐劣化至破坏。2）渗入混凝土内部的硫酸根离子会与水化产物反应生成石膏，而内部的水化硅酸钙凝胶(主要起胶结作用)与石膏继续反应生成钙矾石晶体(具有膨胀作用)，产生膨胀压力；另外，浅层处及表面水分在短暂的时间内被带走，未参与反应的硫酸盐及已经生成的石膏结晶析出，混凝土表现出现结晶压力，导致裂缝变宽加深。3）对评价侵蚀条件下水工混凝土耐久性能相对动弹模量参数和相对质量参数具有较强适用性与可靠性。参考文献：1 严福章，于国明，胡瑾，等混凝土的抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能的正交试验研究 J混凝土，2015(03):34-372 曹秀丽，曹志翔，喻骁冻融循环对混凝土质量损失及相对动弹模量影响的试验研究 J铁道建筑，2013(03):125-1273 韩铁林，师俊平，陈蕴生砂岩在化学腐蚀和冻融循环共同作用下力学特征劣化的试验研究 J水利学报2016，47(05):644-6554 麻海燕，孙伟，张建业大掺量矿物掺合料混凝土在氯盐、硫酸盐及其复合溶液中的抗冻性 J南京航空航天大学学报，2010，42(06):797-8015 陈拴发，郑木莲，王秉纲粉煤灰混凝土应力腐蚀特性试验研究 J 中国公路学报，2005，18(03):14-17.6 元成方，牛荻涛，齐广政干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究 J西安建筑科技大学学报：自然科学版，2012，44(03):339-3447 高原，张君，韩宇栋干湿交替下混凝土内部相对湿度变化规律 J建筑材料学报，2013，16(03):375-3818 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