复掺粉煤灰和硅粉抗冲磨混凝土配合比设计及抗裂性能

高 浩，曾 力

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

我国西部的一些地区，河流流速大，含沙石多，许多水电站在溢洪道、消力池等处用到了抗冲磨混凝土(Abrasion Resistant Concrete)，在延长水电站服役寿命，减轻磨蚀等方面有明显效果。由于抗冲磨混凝土需具备良好的抗冲磨性能，近些年学者热衷于从原材料、配合比等方面研究其抗冲磨性[1-4]，而对于高速挟沙水流冲击混凝土等所引起的开裂问题，则相对研究得较少，分析认为，应当引起同等重视。实际考察表明[5，6]，在水工混凝土破坏形式中，开裂和渗漏侵蚀问题较为普遍，尤其是对于抗冲磨混凝土，受到水流沙石的冲击磨损，会产生开裂。例如在一些闸室、溢洪道等过流断面以及底孔，开裂问题比较突出，一方面新浇混凝土容易发生塑性收缩[7]，当收缩产生的拉应力超过相应龄期混凝土的抗拉强度时会引起混凝土开裂[8-10]；另一方面由于高速挟沙水流、推移质等影响，混凝土由于滑动摩擦、冲击碰撞开裂[11,12]，在这种特殊环境下，其抗裂性就显得非常关键。因此试验设计了一系列不同配合比的抗冲磨混凝土，着重研究其抗裂性能，并结合微观试验分析水泥基胶凝材料水化产物结构，总结了粉煤灰和硅粉的合理掺量，为抗冲磨混凝土在实际工程中的应用提供参考。

1 原材料

本文试验原材料主要有水泥、粉煤灰、硅粉、细骨料、粗骨料、高效减水剂FDN。

(1)水泥。采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其物理性质见表1。

表1 P.O42.5普通硅酸盐水泥物理性质Tab.1 The physical properties of P.O 42.5

(2)粉煤灰。粉煤灰物理性质见表2。

表2 粉煤灰物理性质Tab.2 The physical properties of fly ash

(3)硅粉。硅粉物理性质见表3。

(4)细骨料和粗骨料。试验采用天然河沙为细骨料，人工碎石为粗骨料，粗骨料分为小石(5～20 mm)和中石(20～40 mm)2种，细骨料的物理性质见表4，粗骨料的物理性质见表5。

表3 硅粉物理性质Tab.3 The physical properties of silica power

表4 天然河物理性质Tab.4 The physical properties of natural river sand

表5 人工碎石物理性质Tab.5 The physical properties of artificial gravel

(5)FDN高效减水剂。FDN高效减水剂物理性质见表6。

表6 FDN高效减水剂物理性质Tab.6 The physical properties of FDN superplasticizer

2 试验设计

2.1 配合比设计及抗冲磨试验

为获得抗冲磨性能优异的混凝土，应该从原材料、配合比设计等方面着手，通过掺入外加剂和矿物掺合料，利用其复合效应来实现抗冲磨性。本试验结合有关抗冲磨混凝土的配制理论与方法[13-15]，配制抗冲磨混凝土，设计配合比，测得28 d抗压强度以及依据风沙枪法、水下钢球法2种抗冲磨试验测得28 d抗冲磨强度见表7。表7中C表示水泥，FA表示粉煤灰，SF表示硅粉，B表示胶凝材料。

分析表7，9种配合比下混凝土均满足高强要求，抗冲磨性优异，整体上可以得出，掺适量硅粉对提高混凝土抗冲磨性有利。

2.2 试验方法

(1)脆性系数试验。根据GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行试件的成型，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。成型完按照规范要求养护至规定龄期，然后进行强度试验，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验，得出脆性系数K。其中脆性系数K按下式计算：

K=f压/f折

(1)

式中：f压为试件的抗压强度，MPa；f折为试件的抗折强度，MPa。

(2)干缩率试验。根据SL352-2006《水工混凝土试验规程》进行试件的成型，试件大小为40 mm×40 mm×160 mm，待试件拆模后立即用测长仪进行第1次测长，要求在同一条件下多次测量，并取规范要求误差范围内的平均值，定义第1次测长为基准长度L0，然后在特定条件下养护(条件控制为温度20±2 ℃，湿度60±5%)。其中干缩率按下式计算：

εt=(Lt-L0)/(160+L0-2Δ)

(2)

式中：εt为t龄期时的干缩(湿胀)率；L0为试件的基准长度，mm；Lt为t龄期时试件的长度，mm；Δ为金属测头的长度，mm。

3 试验研究

为了比较抗裂性能，本文从表7抗冲磨混凝土配合比中用5 mm方孔筛筛出中、小石，以形成的砂浆体为研究对象，研究水泥基胶凝材料砂浆体的脆性系数与干缩率。

3.1 脆性系数研究

根据脆性系数试验，试验结果见表8 ，抗压强度、脆性指数、龄期的关系见图1～图6。

表7 抗冲磨混凝土配合比参数以及抗冲磨试验Tab.7 Mix parameters and abrasion resistant test of abrasion resistant concrete

(1)粉煤灰对脆性系数的影响。由图1、图2对比分析，粉煤灰增加，脆性系数相对于粉煤灰掺量为10%时均降低，表明抗裂性能有所提高。由表8可知，单掺20%粉煤灰最佳，此时脆性系数最低。

表8 脆性试验结果Tab.8 Results of brittleness test

图1 KM1、KM2、KM3试验脆性系数与龄期关系Fig.1 Relationship of brittleness and age of KM1、KM2、KM3

图2 KM1、KM2、KM3组试验脆性系数与强度关系 Fig.2 Relationship of brittleness and compressive strength of KM1、KM2、KM3

(2)硅粉对脆性系数的影响。由图3、图4对比分析：单掺5%、8%、10%的硅粉，随硅粉比例增加，脆性系数呈上升趋势。说明单掺适量硅粉，能提高混凝土抗压强度，但此时抗裂性下降。

图4 KM4、KM5、KM6组试验脆性系数与强度关系Fig.4 Relationship of brittleness and compressive strength of KM4、KM5、KM6

图5 KM7、KM8、KM9试验脆性系数与龄期关系Fig.5 Relationship of brittleness and age of KM7、KM8、KM9

图6 KM7、KM8、KM9组试验脆性系数与强度关系Fig.6 Relationship of brittleness and compressive strength of KM7、KM8、KM9

(3)复掺粉煤灰、硅粉对脆性系数的影响。由图5、图6对比分析：同KM2相比，分别用5%、8%、10%的硅粉取代水泥。从表8中数据可知，复掺硅粉与粉煤灰，具有双重效果，即提高混凝土抗压强度与抗裂性。

综合比较，KM2、KM7、KM8、KM9组试验中各龄期脆性系数较小，体现了良好的抗裂性能。

3.2 干缩率研究

按照2.2干缩率试验方法测量KM1-KM9的干缩变形，试验结果见图7。由图7可知所有编号早期干缩明显增大，其中单掺硅粉KM4、KM5、KM6早期干缩速率较大，后期逐渐变缓。而单掺硅粉KM1、KM2、KM3以及复掺粉煤灰硅粉KM7、KM8、KM9下降速率比较平稳。整体而言，编号KM4-KM6干缩率大。

图7 干缩率与龄期关系Fig.7 Relationship of shrinkage rate and age

(1)粉煤灰对干缩率的影响。对于KM1、KM2、KM3。干缩率变化依次是KM1﹥KM2﹥KM3，说明在水胶比不变的情况下，粉煤灰含量提高，对砂浆干缩的抑制作用越好。其原因是粉煤灰在水泥基体系中反应较为滞后，水泥水化生成氢氧化钙，溶液体系呈现强碱性后，粉煤灰中活性矿物才在氢氧化钙激发下开始水化反应，发挥其填充效应，优化孔结构，因此阻碍了砂浆的收缩。

(2)硅粉对干缩率的影响。对于KM4、KM5、KM6，干缩率变化依次是KM4﹤KM5﹤KM6，说明在水胶比不变的情况下，硅粉比例提高，干缩增大。一方面是硅粉粒径小且具有活性，在水化反应中充分与水泥中的矿相成分接触，接触充分使反应加快，因此产生收缩，引起早期开裂；另一方面，研究表明[16]抗冲磨混凝土水胶比小，在水分内消耗等多重因素下，使水泥基体系中产生较大的毛细管压力，毛细管压力与硅粉含量成正相关，因此硅粉含量增加，早期的收缩也越大。

(3)复掺粉煤灰、硅粉对干缩率的影响。 对于KM7、KM8、KM9，干缩率变化依次是KM7﹤KM8﹤KM9。明显掺5%硅粉时收缩最小，8%和10%时比较接近。但总体而言，复掺粉煤灰与硅粉时砂浆体的干缩率比单掺粉煤灰或硅粉时砂浆体的干缩率小，可以看出复掺5%硅粉和20%粉煤灰对抑制收缩更为有利。

4 机理分析

在表7试验配合比的同时成型相应的水泥净浆，养护到28 d取样，放到10 mL西林瓶中，加入无水乙醇终止其反应并定期更换无水乙醇，后期进行X射线衍射(X-Ray Diffraction, 简称XRD)及扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, 简称SEM)测试分析。对应的净浆试件表示为J1-J9。

4.1 XRD分析

图8、图9为净浆试件28 d XRD图，图中各缩写符号对应的物质CH为氢氧化钙，CaCO3为碳酸钙，CaO为氧化钙。

图8 28 d J1-J3 XRD图Fig.8 XRD of J1-J3 at 28 d

图9 28 d J7-J9XRD图Fig.9 XRD of J7-J9 at 28 d

由图8对KM1、2、3水泥基材料净浆体28 d的XRD进行对比分析：3组配合比下，Ca(OH)2衍射峰强弱排序依次为：KM1>KM2>KM3。分析认为，粉煤灰比例提高，会与体系中Ca(OH)2发生反应，降低其含量；二是水泥被等量取代，水泥掺量相对减少，水泥水化生成的Ca(OH)2减少。

由图9对KM7、8、9水泥基材料净浆体28 d的XRD进行对比分析：3种掺入不同含量硅粉-粉煤灰的胶凝体系相比，各体系水化产物种类基本相同。从图中看出复掺时，水化产物Ca(OH)2峰值较低，其强弱排序依次为KM7>KM8>KM9。水泥熟料水化产物的结构形态一般有2种：一种是凝胶体, 另一种是结晶体。属于凝胶体的水化产物主要是水化硅酸钙(C-S-H)，凝胶体比结晶体具有更大的韧性。由于硅粉或者粉煤灰的掺入，水泥水化不同阶段的性质发生了改变。主要是粉煤灰和硅粉，与富集在界面上的Ca(OH)2反应，生成C-S-H凝胶，从而使Ca(OH)2晶体、钙矾石和孔隙减少。研究指出[17,18]，C-S-H韧性好，Ca(OH)2韧性较差，其结果是含有大量的C-S-H有利于降低脆性系数，提升胶凝体系抗裂性能。

4.2 SEM扫描电镜

对KM1-KM9配合比下，各水泥基胶凝材料净浆体28 d龄期试样进行SEM分析，由于本次SEM试验较多，现选取抗裂性能良好的编号KM2、7、8、9进行分析,试验结果见图10～图13。

图10为单掺20%粉煤灰扫描电镜分析结果。从图10中可知，水化浆体内部存在没有完全水化粉煤灰，此时粉煤灰的水化效应没有完全体现。图11～图13中复合掺入粉煤灰与硅粉时，充分发挥了2种胶凝材料的复合效应，此时水化微观结构很致密。由此可见，添加辅助胶凝材料使水化程度和水化产物形貌发生改变，最突出的表现是，水化产物晶粒细化，结构致密。

图10 J2水化28 d SEM图Fig.10 Micrograph of J2 at 28 d

图11 J7水化28 d SEM图Fig.11 Micrograph of J7 at 28 d

图12 J8水化28 d SEM图Fig.12 Micrograph of J8 at 28 d

图13 J9水化28 d SEM图Fig.13 Micrograph of J9 at 28 d

5 结 论

影响高性能抗冲磨混凝土开裂的因素很多，本文主要以脆性系数、干缩率作为评价指标，辅以粉煤灰和硅粉设计成几种不同的水泥基体系进行研究，主要结论如下。

(1)抗冲磨性应作为一个符合特殊环境耐久性需要、特殊性能的质量目标；应根据环境条件合理确定其各项技术指标，分清主次，抗裂性能应作为高性能抗冲磨混凝土主要的耐久性指标而得到高度重视。

(2)通过脆性系数、干缩率对水泥基材料配合比进行分析比较，单掺粉煤灰时，存在一个最佳掺量20%。添加适量硅粉与粉煤灰，具有双重效果，即提高混凝土抗压强度与抗裂性。

(3)从XRD衍射分析和SEM显微结构分析知：在掺20%FA、20%FA+(5%、8%、10%)SF (都添加了高效减水剂)的胶凝材料浆体中，凝胶体C-S-H占主体，浆体结构致密，充分说明辅助胶凝材料能够优化浆体结构，对于提高抗冲磨混凝土的抗裂性有明显效果。

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