掺合料对水工混凝土工作性能影响的试验研究

时间：2024-07-28

高强

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊宁，835000)

混凝土是建筑领域用量最大的人造材料，被广泛应用于各种结构工程建设施工。在水工混凝土结构施工过程中，不仅需要关注混凝土的力学和透水性能，还需要关注其工作性能[1]。一般来说，普通混凝土的工作性能主要包括流动性、粘聚性以及保水性[2]。显然，混凝土拌合物的工作性能会对混凝土的成型质量造成显著影响。例如，如果流动性过大，会影响到混凝土的硬化成型，同时硬化成型之后的内部缺陷也较多。所以，良好的工作性能是保证混凝土具有良好物理力学性能的前提和基础[3]。水利事业的快速发展不仅提高了混凝土数量的需求，同时也提高了质量方面的需求，这就需要在混凝土的制作中搭配使用各种掺合料和外加剂。其中，掺合料大多是工业生产中的伴随物或废弃物，将其用于混凝土中可以实现变害为利，具有积极意义[4]。我国作为首屈一指的工业生产大国，粉煤灰、硅粉、矿粉等工业废弃物资源十分丰富，对其进行资源化转化和利用，是实现我国经济社会可持续发展的关键，同时也是建筑材料应用研究领域亟待解决的问题[5]。基于此，本次研究通过实验室试验的方式，研究掺合料的掺合数量和方式对水工混凝土工作性能的影响，力求为掺合料在水工混凝土领域的应用提供支持和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用水泥为石家庄上安水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。依据GB 175-2007《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》对该水泥进行了检验，结果显示各项指标都满足要求，可以用于相关试验。试验用细骨料为河沙，其性能满足相关规范要求；试验用粗骨料为机制碎石，粒径为5mm～30mm；试验用掺合料为粉煤灰、硅粉和矿粉。其中，粉煤灰为热电厂生产的F型Ⅱ级粉煤灰，其性能符合GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ级粉煤灰要求；矿粉的主要作用是降低水化热、减少用水量和改善混凝土性能，本次试验使用的矿粉为电厂生产的S75级矿渣微粉；试验用硅灰为武汉微神科技发展公司出品的冶金凝聚硅灰，其比表面积为21000m2/kg；试验用膨润土为钙基膨润土，其膨胀倍数为9.5；试验用减水剂为山东莱芜汶河化工有限公司生产的FDN-AⅡ型高效减水剂；其拌合用水为自来水。

1.2 试验方案

试验研究中根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)，通过计算和试配，确定基准配合比：水胶比为0.76，用水量为238kg/m3，砂率为0.38，减水剂掺量为1.2kg/m3[6]。然后根据试验的具体情况和要求，对相关的配合比参数进行调整，主要包括和易性的实际情况调整用水量，根据凝固时间调整混凝土中胶凝材料的用量等[7]，具体调整情况为：由于塑性混凝土中的膨润土具有较高的吸水率，因此拌合用水量相对较高，故将水胶比由0.76调整到1.0；由于塑性混凝土的砂率一般较高，大多会超过50%，考虑到本次试验的混凝土含有石子等粗骨料，因此将砂率确定为其最低限度，为50%；考虑到此次研究中的膨润土等材料具有较高的吸水率，因此对减水剂的用量也进行适当调整，将其掺量由1.2kg/m3调整为0.8kg/m3。最终确定混凝土的水胶比为1.0、砂率为0.5、用水量为300kg/m3、膨润土为100kg/m3、粗骨料为750kg/m3、细骨料为750kg/m3、减水剂为0.8kg/m3。关于掺合料的掺和比例，相关研究认为不应超过50%，如果掺合料的掺量过大，不仅不能改善混凝土的性能，还会影响到其力学特性和耐久性。基于上述考虑和经济效益因素，试验中在普通混凝土配合比的基础上掺入粉煤灰、硅灰和矿粉掺合料，以0%、15%和30%的掺和比例等量替代水泥，掺和方式采用两两混掺以及三掺的方式进行。

表1 试验方案设计

1.3 试验方法

在混凝土的工作性能测量方面主要有维勃稠度试验和坍落度法两种基本方法，结合本次研究的目的和需要，采用坍落度量筒测量混凝土的坍落度和扩展度，试验按照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2017)中提到坍落度仪器法进行[8]。试验过程中需要的设备有坍落度筒、捣棒、小铲、钢尺和铁板。在进行坍落度试验前，需要将坍落度筒的筒壁润湿，然后擦干多余水分，将其放置在用水润湿过的钢板上；固定好坍落度筒，将拌制好的混凝土装入筒中，使其高度为筒高的三分之一左右，用捣棒捣振密实，继续装满混凝土；然后将筒垂直提起，并将时间控制在10s以内，利用配套工具测量圆柱体下降的高度即为混凝土的坍落度；待混凝土在铁板上完全铺开之后，测量其铺开的最大和最小半径，将其均值作为混凝土的扩展度值。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

按照上文设计的试验方案和方法进行混凝土的坍落度和扩展度试验，并对试验结果数据进行统计和整理，结果如表2所示。由表2中的数据可以看出，不同方案下的混凝土坍落度和扩展度试验结果存在比较明显的差异，说明掺合料的掺量和掺和方式会对混凝土的工作性能产生比较明显的影响。

表2 混凝土工作性能试验结果

2.2 掺合料掺量影响分析

为了进一步分析掺合料的掺量对混凝土工作性能的影响，对试验结果进行整理，获得如图1所示的各种掺和方式不同掺量下的坍落度变化曲线和图2所示的各种掺和方式不同掺量下的扩展度变化曲线。由图1和图2可知，在粉煤灰+硅灰的掺和方式下，混凝土的坍落度和扩展度均随着掺量的增加而增加；其余三种方式下混凝土的坍落度和扩展度均随着掺量的增加而减小。其中，在粉煤灰+矿粉的掺和方式下的减小幅度较小，硅灰+矿粉的掺和方式下的减小幅度明显偏大。究其原因，主要是矿粉和硅灰都对混凝土的流动性具有减弱作用，两者的叠加影响造成混凝土的坍落度和扩展度明显减小。但是，掺量从15%增大到30%时的下降幅度明显小于掺量从0%增加大15%时的下降幅度，原因可能是随着掺量的增大，矿粉和硅灰的填充效应逐渐趋于弱化；在掺量增大之后，硅灰和矿粉微粒能产生一定的润滑作用，因此，能够抵消一部分矿粉和硅灰对混凝土流动性的减弱作用。

图1 各种掺和方式不同掺量下的坍落度变化曲线

图2 各种掺和方式不同掺量下的扩展度变化曲线

2.3 掺合料掺和方式的影响分析

为了进一步研究掺合料的掺和方式对混凝土坍落度和扩展度的影响，对不同掺和方式下的混凝土坍落度和扩展度进行对比分析，结果如图3和图4所示。由图3可知，在15%掺合料掺量条件下，不同掺和方式对混凝土的坍落度和扩展度的影响并不相同，其中，粉煤灰+硅灰方案的坍落度和扩展度呈现出增大的趋势，其余各方案呈现出减小的趋势；在30%掺合料掺量条件下，不同掺和方式对混凝土的坍落度和扩展度的影响也呈现出类似的特征，其中，粉煤灰+硅灰方案的坍落度和扩展度呈现出增大的趋势，其余各方案呈现出减小的趋势。综合上述，采用粉煤灰+硅灰掺和方式时，混凝土的坍落度和扩展度明显增加，使坍落度和扩展度达到相同条件下的最大值；采用硅灰+矿粉掺加方式时，混凝土的坍落度和扩展度明显减小，使坍落度和扩展度达到相同条件下的最小值。究其原因，采用硅灰+矿粉的掺和方式时矿粉和硅灰都对混凝土的流动性具有减弱作用，两者的叠加影响造成混凝土的坍落度和扩展度明显减小；采用粉煤灰+硅灰掺和方式时，粉煤灰在增加混凝土的坍落度和扩展度方面的作用明显大于硅灰降低混凝土的坍落度和扩展度的作用，因此混凝土的坍落度和扩展度有显著的增加。

图3 掺量15%各方案对比

图4 掺量30%各方案对比

2.4 讨论

此次研究选择坍落度和扩展度作为塑性混凝土拌合物以及工作性能的相关指标，指出了试验过程中使用到的试验仪器以及简单的试验方法，最后对塑性混凝土试样的工作性能试验结果进行了分析，并得出以下结论：不同掺合料掺量时，塑性混凝土拌和物的坍落度以及扩展度随着粉煤灰与硅灰掺入量的增加而增加，随着粉煤灰与矿粉、硅灰与矿粉和粉煤灰、硅灰与矿粉掺量的增加而减小；不同掺合料掺和方式时，在掺合料掺量无论是15%还是30%的情况下，当采用硅灰与矿粉两两混掺的掺和方式时，塑性混凝土拌和物的坍落度以及扩展度达到最小值；当采用粉煤灰与硅灰两两混掺的掺合方式时，塑性混凝土拌和物的坍落度以及扩展度达到最大值。

随着塑性混凝土应用范围的日益扩大，人们对塑性混凝土的性能也提出了更高的要求。此次研究针对混凝土的工作性能这一相对薄弱的研究领域，通过试验的方式探讨了不同掺合料的掺量和不同掺和方式对塑性混凝土工作性能的影响，并得出了一些初步结论，可以为塑性混凝土的性能改善和工程应用提供一些有益参考。同时，这种更加符合塑性混凝土真实工作环境的试验研究也更能推动塑性混凝土材料的理论研究发展和实际应用进程。