粉煤灰及防裂剂对面板配合比性能的影响研究

邸国平， 代厚杰

(1.山西省水利水电科学研究院，太原 030002；2.山西省漳河水利工程建设管理局，太原 030002)

0 引 言

泽城西安水电站，地处山西省晋中市左权县境内的清漳河上，枢纽工程主要由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、发电引水洞及水电站等建筑物组成，挡水坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高51.6 m，是一座以发电为主，兼顾防洪、养殖等综合利用并为下游梯级水电站调节发电用水的水利枢纽工程[2]。

为满足工程要求，本文从面板混凝土的配合比设计为切入点，在基准配合比的基础上，主要研究分析加入粉煤灰[3]、防裂剂对混凝土的拌和性能(包括坍落度、和易性、黏聚性和析水情况)、力学性能(包括抗压强度、劈裂抗拉强度)及耐久性能(包括抗渗性能、抗冻性能)的影响，同时由于减水剂、引气剂掺量的变化和水胶比的大小对混凝土耐久性的影响也比较大，对此也进行了辅助性试验研究。

从配合比设计要满足施工方便和满足混凝土拌和物的工作性能方面考虑，面板混凝土配合比设计宜掺入引气剂和高效减水剂[4,5]，主要作用是减少混凝土配合比中的用水量，降低水泥及其他胶凝材料的用量，改善混凝土拌和物的和易性、工作性，又能在一定条件下提升了混凝土的强度和耐久性等[4-6]。

选用混凝土防裂剂的主要目的是为了减少混凝土的前期收缩而产生的裂缝，提高混凝土结构的抗裂性，但防裂剂会对混凝土的强度、耐久性等方面会产生不利影响，所以需要对其进行试验研究，选择较为合理的掺量，获得符合设计要求的混凝土配合比[7-10]。

1 配合比设计方案

根据面板混凝土自身的特点和相关设计要求，确定其耐久性技术指标的范围如下：强度等级C35～C45，抗渗等级W6～W8，抗冻等级F100～F150[11]。面板混凝土的配合比参数有：用水量、水胶比、胶凝材料用量、砂率、粗骨料级配、防裂剂及相关外加剂的掺量等[12,13]，表1给出了按相关技术标准要求下各参数的取值范围。

在配合比试配前，所使用的原材料都做了试验检测分析，各原材料的物理力学性能、化学成分及品质均满足混凝土用料的要求。水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用Ⅰ级灰[11]，细骨料砂选用中砂，粗骨料采用二级配 5～20、20～40 mm人工碎石[14]，减水剂选用DH3G型高效减水剂，引气剂采用DH9引气剂，防裂剂采用VF防裂剂。

表1 泽城西安水电站混凝土配合比各参数取值范围Tab.1 The value range of each parameter of concrete mixture ratio in Zecheng Xi'an Hydropower Station

首先在基准混凝土配合比试配基础上，单独加入粉煤灰，研究加入不同掺量的粉煤灰对混凝土各项性能的影响变化[15-17]；其次加入粉煤灰和防裂剂共同作用，在粉煤灰掺量不变的情况下，加入不同掺量的防裂剂对混凝土各项性能的变化进行研究。

根据配合比设计方案，在试配的基础上，此次研究分析了如下15种组合试验，其他各原材料的选用及掺量均满足配合比试验相关规程的要求，表2为15种配合比组合试验情况。

2 配合比试验结果分析

2.1 拌和性能试验结果分析

面板混凝土配合比拌和性能试验结果见表3，根据试验结果，在粉煤灰及防裂剂掺量不同的情况下，对混凝土的拌和性能影响分析如下：

表2 泽城西安水电站混凝土配合比组合试验Tab.2 The combination test of concrete mix ratio in Zecheng Xi'an Hydropower Station

表3 泽城西安水电站混凝土拌和性能试验结果Tab.3 The results of concrete mixing performance test in Zecheng Xi'an Hydropower Station

(1)首先粉煤灰选用的Ⅰ级灰，这样对混凝土拌和物的黏聚性有较好的保证；其次在水泥用量和用水量基本相同的条件下，随着粉煤灰掺量的逐渐增加，混凝土拌和物的和易性、黏聚性逐渐好转，而且效果较为明显，并无析水情况发生；所以在一定的情况下，增加胶凝材料粉煤灰的掺量，单纯对混凝土的拌和性能是有利的。

(2)从拌和试验结果可以看出，掺入防裂剂和不掺防裂剂的混凝土配合比拌和性能相比较，两者之间的拌和性能无明显的差别，且均无析水情况发生，黏聚性及和易性都较好，所以防裂剂掺量在8%～12%的范围内，单纯对混凝土的拌和性能而言影响较小，比较适宜。

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2.2 力学性能试验结果分析

面板混凝土的力学性能各项指标按7 d和28 d龄期进行试验，根据试验结果，分别从粉煤灰和防裂剂两方面对混凝土力学性能的影响分析如下。

(1)粉煤灰对混凝土强度的影响：从试验数据可以看出，在同一水胶比的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，不论是7 d还是28 d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度都有不同程度的降低，图1-3分别给出粉煤灰掺量与立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度的关系曲线。

图1 粉煤灰掺量与立方体抗压强度关系曲线Fig.1 Relation curve of fly ash content and cube compressive strength

图2 粉煤灰掺量与劈裂抗拉强度关系曲线Fig.2 Relation curve of fly ash content and splitting tensile strength

图3 粉煤灰掺量与轴心抗压强度关系曲线Fig.3 Relation curve of fly ash content and axial compressive strength

当水胶比为0.45、0.35、0.30，且粉煤灰掺量为15%时，7 d立方体抗压强度值分别为30.3、42.7、49.3 MPa；28 d立方体抗压强度值分别为43.5、53.6、57.2 MPa。

当粉煤灰掺量增加为25%时，7 d立方体抗压强度值分别为25.1、38.2、46.7 MPa；28 d立方体抗压强度值分别为41.2、47.8、54.2 MPa。7 d立方体抗压强度降低了17.2%、10.5%、5.3%；28 d降低了5.3%、10.8%、5.2%。

从以上分析可以看出，水胶比较大时，7 d抗压强度降低的幅度比28 d抗压强度降低的幅度大；水胶比较小时，7 d和28 d立方体抗压强度的降低幅度基本相同。所以当水胶比较大且对混凝土的前期强度要求比较高时，应慎重考虑粉煤灰的掺量。

(2)防裂剂对混凝土强度的影响：从力学性能试验结果的数据可以看出，掺防裂剂的混凝土立方体抗压强度要低于不掺防裂剂的立方体抗压强度，其轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均有不同程度的降低。

当粉煤灰掺量为15%、防裂剂掺量为10%的情况下，7、28 d的立方体抗压强度，7、28 d的劈裂抗拉强度及28 d轴心抗压强度均随着水胶比的减小而增大，具体关系曲线如图4、5。

图4 水胶比与抗压强度关系曲线Fig.4 Relation curve of water-binder ratio and compressive strength

图5 水胶比与劈裂抗拉强度关系曲线Fig.5 Relationship curve between water-binder ratioand splitting tensile strength

图6 防裂剂掺量与抗压强度关系曲线Fig.6 Rrelation curve of anti-crack agent content and compressive strength

图7 防裂剂掺量与劈裂抗拉强度关系曲线Fig.7 Relation curve between the content of anti-cracking agent and the tensile strength of splitting

2.3 耐久性能试验结果分析

面板混凝土的耐久性各项指标试验在28 d龄期届满后进行，根据试验结果，分别从掺入粉煤灰和防裂剂两方面对混凝土耐久性的影响分析如下：

(1)粉煤灰对混凝土耐久性的影响：从试验结果看出，加入粉煤灰后有利于提升其抗渗性能，15组试验抗渗等级均大于W8，对混凝土的抗渗性能并无明显的负面影响。随着配合比中的胶凝材料粉煤灰掺量的增加，混凝土试件的抗冻性能变差。其中，冻融循环次数逐渐减小，D4～D9组试验，粉煤灰掺量在15%～20%时，抗冻等级均达到F200；D1～D3组试验，粉煤灰掺量为25%时，抗冻等级未能达到F200；图8显示相对动弹性模量也随着粉煤灰掺量的增加而逐渐降低。

图8 粉煤灰掺量与相对动弹性模量关系曲线Fig.8 Relation curve between fly ash content and relative dynamic elastic modulus

(2)防裂剂对混凝土耐久性的影响：从试验数据可以看出，加入防裂剂对混凝土的抗渗性能没有明显影响，能满足W8的抗渗等级要求。加入防裂剂的混凝土抗冻等级也都能达到F200的要求，但从数据图9、10可以看出，当水胶比为0.38不变的条件下，随着防裂剂掺量的增加，试验结果表明，相对动弹性模量值在逐渐降低，质量损失率也逐渐增大，综合说明其抗冻性在降低，抗冻指标的富余量也在降低，所以要满足抗冻要求，混凝土中防裂剂掺量不宜过大。

图9 防裂剂掺量与相对动弹性模量关系曲线Fig.9 Relation curve between the content of anti-cracking agent and relative dynamic elastic modulus

图10 防裂剂掺量与质量损失率关系曲线Fig.10 Relation curve of anti-crack agent content and mass loss rate

3 结 论

(1)适当增加胶凝材料粉煤灰的掺量，对混凝土的拌和性能是有利的，既能增强混凝土拌和物的和易性与黏聚性又无析水情况发生；防裂剂掺量在8%～12%范围内时，单纯对混凝土的拌和性能来说没有太大影响，比较适宜。

(2)掺入粉煤灰对混凝土的拌和性能有利，又能节约水泥，减少投资，但超过一定的掺量后，对混凝土的强度及耐久性是有不利影响的；掺入防裂剂为了增强面板混凝土的抗裂性能，但同时也对混凝土的强度及耐久性产生负面作用。

(3)通过试验可知，当粉煤灰掺量15%～20%之间、防裂剂掺量在8%～10%之间时为最佳掺量，此时对混凝土的拌和性能有利，对力学性能影响较小，也能满足混凝土耐久性的要求，又能有效地发挥防裂剂对混凝土的抗裂性能的影响作用。

(4)在配合比其他参数不变的情况下，随着粉煤灰和防裂剂掺量的增加，混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗冻指标都逐渐减小，两者基本呈线性关系。

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