粉煤灰与矿渣复掺对渠道衬砌模袋混凝土流动性和力学性能的影响

谢天逸，娄宗科，霍轶珍，吉仁古日巴

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100; 2.河套学院土木工程系，内蒙古 巴彦淖尔 015000； 3.内蒙古新禹水利水电工程建设有限公司，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

我国是一个严重缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界人均水平的1/3，目前，农业用水量占全国总用水量的60%，用水效率偏低，灌溉水利用系数仅为0.51，渠系水利用系数0.55，而发达国家农业水利用系数在0.8左右，因此，提高农业水利用系数，减少农业用水损失，还有相当可观的发展前景。渠道衬砌防渗可以有效减少输水过程中的渗漏损失，是目前应用最广泛的节水灌溉工程技术措施之一[1]，根据内蒙古河套地区的测试结果，渠道衬砌可以提高渠系水利用系数20%以上[2]。但是，在广大的北方季节性冻土区，受冻胀破坏的渠道衬砌占总量的50%以上，这成为影响渠道建设和农业节水的一大问题，严重影响灌溉工程效益[3]。为了消除和减弱冻胀带来的危害，美日俄等发达国家采用了架空、置槽、钢筋混凝土衬砌等技术措施抵抗、消除冻胀，防渗防冻胀效果好[4]，但是这些工程措施造价高、投入大，因此，我国在结合自身实际的情况下发展了保温隔热措施、渠基土换填加固、防渗排水和膜料防渗等多种防渗抗冻胀技术措施，取得了显著成果。然而，渠道衬砌的冻胀破坏问题并未妥善解决[5-8]，我国于20世纪80年代引入模袋混凝土技术[9]，由于模袋混凝土衬砌具有良好的整体性和便于机械化施工等优点，表现出良好的冻胀融沉适应能力和耐久性，在内蒙河套灌区和黑龙江地区已获得成功应用。

渠道衬砌模袋混凝土要求高流动性以实现自密实，胶凝材料用量大，矿物掺合料可以起到改善混凝土性能、节约水泥用量的作用，因此，在模袋混凝土中掺入矿物掺合料非常必要。矿渣粉和粉煤灰作为工业生产中产生的大宗工业废料，一直以来都作为矿物掺合料运用于各类混凝土生产中[10-11]，近年来国内外学者对单掺矿物掺合料混凝土性能研究较多，阎培渝[12]研究了粉煤灰的作用机理，刘仍光等[13]研究了矿渣粉的水化特性。对复掺矿物掺合料混凝土虽有一定研究，还不够完善，陈琳等[14]研究了粉煤灰矿渣粉复合胶凝材料的强度和水化作用，高小建等[15]研究了各种矿物掺合料对大流动性混凝土流变性能的影响，郑建岚等[16]研究了矿物掺合料对大流动性混凝土抗碳化作用的影响，王成启等[17]研究了复掺粉煤灰和矿渣粉对大流动性混凝土工作性变化和抗氯盐侵蚀的影响。根据内蒙古河套灌区模袋混凝土衬砌现场充灌情况以及寒区渠道衬砌抗冻标准，要求模袋混凝土具有高流动性和高抗冻性，即要求混凝土拌合物有较高扩展度和含气量以满足流动性和抗冻性要求，因此，论文研究了粉煤灰和矿渣粉共掺对混凝土扩展度、含气量及二者的1 h损失率和抗压强度的影响，以1 h扩展度损失率和1 h含气量损失率最小为目标，寻求二者最优搭配，为生产实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥采用冀东水泥厂生产的盾石牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，表观密度3 090 kg·m-3，粉煤灰采用II级粉煤灰，表观密度2 301 kg·m-3，矿渣粉采用S105矿渣粉，表观密度2 599 kg·m-3,细骨料使用渭河中砂，粗骨料使用渭河卵石，粒径5～20 mm，砂石经检测均符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52)规定，外加剂使用陕西秦奋建材生产的PCA-Q005聚羧酸减水剂，符合现行国家标准《混凝土外加剂》(GB8076)的有关规定。

1.2 试验仪器与方法

1.2.1 混凝土扩展度及其损失率 混凝土扩展度使用坍落度桶与扩展度板进行测定，依据《自密实混凝土应用技术规程》[18]附录中混凝土拌合物自密实性能试验方法的相关规定，分别测定每一组拌和物的初始扩展度以及1 h扩展度，并计算扩展度1 h损失率，扩展度损失率计算公式为：

式中,EL为混凝土1 h扩展度损失率(%);E0为混凝土初始扩展度(mm)；E1为混凝土1 h扩展度(mm)。

1.2.2 含气量损失率 内蒙古河套灌区属于北方寒冷地区，混凝土受冻害严重，混凝土拌合物含气量是预测硬化混凝土抗冻性的重要指标，因此，论文测定了拌合物含气量及其1 h损失率。混凝土拌和物含气量使用日本三洋公司生产的LC-615A型混凝土含气量测定仪测定，依据《水工混凝土试验规程》[19]规定的混凝土拌合物含气量试验(气压法)，并结合《自密实混凝土应用技术规程》[18]附录中混凝土拌合物自密实性能试验方法的相关规定，分别测定每一组拌和物的初始含气量及1 h含气量，并计算含气量1 h损失率，含气量损失率计算公式为：

式中,AL为混凝土1 h含气量损失率(%)；A0为混凝土初始含气量(%)；A1为混凝土1 h含气量(%)。

混凝土抗压强度试验依据《水工混凝土试验规程》[19]中混凝土立方体抗压强度试验方法进行。

1.3 试验设计

配合比采用《自密实混凝土应用技术规程》[18]中规定的方法进行计算，设计强度等级C25，粗骨料体积率Vg=0.33，砂率50%，聚羧酸减水剂掺量0.6%，粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%、40%共4个水平，矿渣粉掺量分别为10%、15%、20%共3个水平，试验因素水平及配合比见表1。

2 结果与分析

2.1 扩展度损失率

通过试拌控制扩展度为540 mm±20 mm条件下，混凝土拌合物扩展度1 h损失率如图1所示。

由图1可以看出，在矿渣粉掺量为10%时，模袋混凝土扩展度1 h损失率随粉煤灰掺量增加而降低，即流动性保持能力随粉煤灰掺量增加而提高；在矿渣粉掺量为15%、粉煤灰掺量不大于30%时，扩展度损失率由18.5%降低至16.4%，流动性保持能力随粉煤灰掺量增加而提高，当粉煤灰掺量达到40%时扩展度损失率提高至16.7%，流动性保持能力相比粉煤灰掺量为30%时变化不显著；在矿渣粉掺量为20%、粉煤灰掺量不大于30%时，扩展度损失率由17.9%降低至15.2%，流动性保持能力随粉煤灰掺量增加而提高，当粉煤灰掺量达40%时，扩展度损失率升高至16.1%，流动性保持能力反而有所降低。即粉煤灰掺量不大于30%时模袋混凝土的流动性保持能力随矿渣粉掺量的增加而提高，粉煤灰掺量达40%时模袋混凝土流动性保持能力不随矿渣粉掺量增加而改变，基本保持稳定。

表1 试验因素水平与配合比

图1 矿物掺合料掺量对混凝土扩展度损失率的影响Fig.1 The influence of admixture content on the loss rate of concrete expansion

由此可见在多数情况下矿物掺合料掺量的增加对提高模袋混凝土拌和物流动性保持能力有正效应，这是因为矿物掺合料相较水泥拥有更高的惰性，水化速率相当缓慢，使用掺合料替代了部分水泥，使得在一定时间内参与水化的水泥减少，水分消耗降低，水化产生的絮凝结构减少，所以使得拌和物流动性在一定时间内的降低减缓；同时，粉煤灰和矿渣粉比重比水泥小,细度比水泥大，有较大的比表面积，与水泥颗粒一起形成了更优的颗粒级配，颗粒间的保水效果较高，减缓了蒸发速率；水泥对减水剂成分有较强的吸附作用，掺入矿物掺合料可以使水泥吸附的减水剂颗粒随水化过程迁移至自由水中，维持浆体中减水剂浓度，保持减水剂塑化作用，保持混凝土流动性[20-22]。粉煤灰和矿渣粉更大的比表面积对混凝土流动性保持并非一直具有正效应，更大的系统表面积需要更多的表面层水进行润滑，当掺合料掺量达到一定比例时，所需表面层水增多超过系统保水能力，此时负效应超过正效应，混凝土拌合物流动性保持能力降低，扩展度损失率提高。从图1中可以看出当粉煤灰掺量在30%～40%时，矿渣粉掺量10%、15%、20%的扩展度损失率分别降低、保持、增加；粉煤灰掺量达40%时，矿渣粉掺量变化对扩展度损失率几乎没有影响，这是因为粉煤灰颗粒最小，当其掺量为40%时对混凝土拌合物流动性保持的负效应已经大过正效应，虽然矿渣粉颗粒也较水泥更小，但是仍大于粉煤灰颗粒，所以矿渣粉掺量的变化对拌合物的影响小于粉煤灰。此时，扩展度损失率最低的最优组合为复掺30%粉煤灰和20%矿渣粉，扩展度损失率为15.2%。

2.2 含气量损失率

通过试拌含气量控制在6%±0.5%条件下，混凝土拌合物含气量1 h损失率如图2所示。

从图2中可以看出，在不同矿渣粉掺量下，粉煤灰掺量不大于30%时含气量损失率随粉煤灰掺量增加而降低，粉煤灰掺量达40%时含气量损失率不再降低，与粉煤灰掺量为30%时处于同一水平；粉煤灰掺量不大于30%时含气量损失率随矿渣粉掺量增加而降低。

气泡作为混凝土中重要的组成部分，存在于砂浆中，新拌混凝土中的气泡经过一段时间静置，小气泡聚合成大气泡逸出砂浆，导致混凝土拌合物含气量下降；由于水分蒸发和水泥水化会导致混凝土中水分减少，使得砂浆变干，减少了气泡存在的介质，也在一定程度上使含气量损失率提高。因为矿物掺合料较大的细度和较小的比重，可以改善水泥单一的级配，减小细颗粒间的间隙，有效保持水分，减少蒸发，减少水化作用和水化热，这对保持浆体体积，减少气泡逸出是有益的，同时有研究指出[23]单掺或双掺粉煤灰和矿渣粉都可以改善气泡结构，减小气泡直径，这可以减少拌和物中气泡聚合逸出的可能性，对降低含气量损失率也是有益的。所以掺合料掺量的提高可以有效降低混凝土含气量损失率。当粉煤灰掺量大于30%时含气量损失率并未明显降低是因为此时砂浆体系的需水量大于保水量，含气量保持能力已达到临界点，无法进一步降低。从图2中看出含气量损失率最低的最优组合为复掺30%粉煤灰和20%矿渣粉，其含气量损失率为20.0%。

图2 矿物掺合料掺量对混凝土含气量损失率的影响Fig.2 The influence of admixture content on the loss rate of air content

2.3 抗压强度

不同粉煤灰和矿渣掺量组合下，混凝土7 d强度和28 d强度试验结果如图3和图4所示。

图3 矿物掺合料掺量对混凝土7 d强度的影响Fig.3 The influence of admixture content on 7 d strength of concrete

图4 矿物掺合料掺量对混凝土28 d强度的影响Fig.4 The influence of admixture content on 28 d strength of concrete

分析图3可知，混凝土试件7 d抗压强度随粉煤灰和矿渣粉掺量增加而降低，这是因为矿物掺合料活性较低，水化反应速率比水泥慢，水化产物生成少，所以当大量矿物掺合料替代水泥后混凝土早期强度有明显降低；分析图4可知，混凝土试件28 d抗压强度较7 d抗压强度有明显提高，此时强度随粉煤灰掺量增加而降低，并且随矿渣粉掺量增加而提高，分析认为，这是因为粉煤灰和矿渣粉通过水化产生的Ca(OH)2激发产生大量水化硅酸钙，所以后期强度增长快，同时粉煤灰细度大、颗粒小，矿渣粉次之，水泥颗粒最大，三者良好的比例可以产生微集料效应，使混凝土结构更紧密，提高中后期强度，并且矿渣粉可与水泥水化时形成的Ca(OH)2进一步水化形成C-S-H凝胶，使界面区的Ca(OH)2晶粒变小，降低孔隙率以提高强度，所以抗压强度随矿渣粉掺量增加而提高。从图4中可以看出，所有试件强度均达到设计强度等级C25要求，但是混凝土抗压强度越高抗冻耐久性也越高，因此仍选择强度较高的组合，此时强度最大组合为10%粉煤灰和20%矿渣粉，其抗压强度为47.4 MPa。

3 结论与讨论

1)粉煤灰和矿渣粉复掺且当粉煤灰掺量≤30%时，模袋混凝土扩展度损失率随两种掺合料掺量的增加而降低，由于粉煤灰和矿渣粉的比表面积较大，当粉煤灰掺量达到40%、矿渣粉掺量≥15%时，掺合料需要过量水分而导致水分不足，此时扩展度损失率没有降低甚至有所提高，考虑扩展度损失率最优时粉煤灰掺量和矿渣粉掺量分别为30%和20%，此时扩展度损失率为15.2%。

2)粉煤灰和矿渣粉复掺且当粉煤灰掺量≤30%时，含气量损失率随粉煤灰和矿渣粉掺量增加而降低，当粉煤灰掺量达到40%时，含气量损失率有所提高，考虑含气量损失率最优时粉煤灰掺量和矿渣粉掺量分别为30%和20%，此时含气量损失率为20.0%。

3)粉煤灰和矿渣粉复掺时混凝土7 d抗压强度随掺合料掺量增加而降低，但是28 d抗压强度全部达到设计强度等级，由于矿渣粉颗粒特征可以增强水泥矿渣粉煤灰复合胶凝材料密实度，28 d抗压强度随矿渣粉掺量增加而提高，粉煤灰掺量对28 d抗压强度影响不大，考虑强度的最优搭配为10%粉煤灰和20%矿渣粉，28 d抗压强度为47.4 MPa。

综合考虑扩展度损失率、含气量损失率和抗压强度，含气量损失率与扩展度损失率最优时，28 d抗压强度为43.0 MPa，比最优值低9.9%；28 d抗压强度最优时，含气量损失率为23.3%，比最优值高16.5%，扩展度损失率为17.9%，比最优值高17.8%，并且使用更多矿物掺合料的组合可以减少水泥用量，节约工程成本。因此，渠道衬砌模袋混凝土复掺粉煤灰和矿渣粉最优搭配为30%粉煤灰和20%矿渣粉。