粉煤灰和矿渣双掺混凝土弹性模量及抗渗性研究

方小婉，张永树，赵 瑶，姚汝方，娄宗科

(1西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2中建一局集团第二建筑有限公司，广东 深圳518000； 3中建一局集团第三建筑有限公司，北京 100070)

北方寒旱区用于渠道衬砌的混凝土常年遭受冻融破坏[1]，极易发生开裂，造成渠道渗水[2-3]，严重影响工程的正常使用，同时维修需要花费大量人力物力。因此，提高渠道衬砌用混凝土的力学性能及抗渗性能，延长工程的使用寿命具有重要的实际意义[4]。

粉煤灰和矿渣作为燃煤电厂和高炉炼铁的副产品，绝大多数已经被用于水泥和混凝土工业[5-6]。掺入粉煤灰和矿渣可以提高混凝土的耐久性能及力学性能[7-9]。目前多数研究是掺入其中一种掺合料，如张文郁等[10-11]认为，掺入稻壳混凝土质量分数18%的粉煤灰后抗渗性较好(渗透系数为0.714×10-8cm/s)；娄宗科等[12]认为，在混凝土中掺入600 g/kg的大掺量粉煤灰依然满足渠道衬砌的要求，并且经济安全；王鹏等[13]认为，采用超量取代法(超量系数为1.3)，当粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的60%时，混凝土的抗渗抗冻耐久性最好。也有学者将2种掺合料进行混掺，但也是按照某种特定比例进行，如秦力等[14]认为，粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的40%、矿渣掺量为胶凝材料总质量的10%时，C50高强混凝土的耐久性最好；姜金起等[15]通过试验得出粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的20%、矿渣掺量为胶凝材料总质量的25%时,能满足C50高性能混凝土的工作性及耐久性。为了进一步明确粉煤灰和矿渣掺量变化对渠道衬砌用混凝土工程性能的影响，本研究以用于渠道衬砌的混凝土为研究对象，采用二次通用旋转组合设计，分析粉煤灰和矿渣的掺量对渠道衬砌混凝土力学性能及抗渗性能的影响规律，以期为北方寒旱地区渠道衬砌用混凝土胶凝材料掺量选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 水 泥 选用陕西冀东水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其基本性能参数见表1。

表1 试验用水泥的性能参数Table 1 Performance parameters of the test cement

1.1.2 粗骨料 渭河卵石，表观密度为2 650 kg/m3，粒径为5～20 mm的连续级配。

1.1.3 细骨料 渭河河砂，表观密度为2 700 kg/m3，堆积密度为1 550 kg/m3，含泥量15 g/kg，砂的细度模数为2.3，属于中砂，级配合格。

1.1.4 粉煤灰 Ⅱ级粉煤灰，F类灰，其基本性能参数见表2。

表2 试验用粉煤灰的性能参数Table 2 Performance parameters of fly ash used in test

1.1.5 粒化高炉矿渣粉 S95矿渣粉，其基本性能参数见表3。

1.1.6 减水剂 选用陕西秦奋建材生产的PCA-Q8085聚羧酸减水剂，减水率为35%。

1.1.7 水 满足规范的实验室自来水。

1.2 试验设计

采用二元二次通用旋转组合设计安排13组试验，每组12个试件，其中6个试件尺寸为175 mm×185 mm×150 mm，用于抗渗试验；另外6个试件尺寸为Φ150 mm×300 mm，用于弹性模量试验。根据文献[12-14]对混凝土抗渗性的研究，本试验选取粉煤灰的掺量为0～600 g/kg，矿渣的掺量为0～300 g/kg。试验因素水平编码表见表4。

表3 试验用矿渣粉的性能参数Table 3 Performance parameters of slag powder used for test

表4 粉煤灰和矿渣掺量二元二次通用旋转组合设计的因素水平编码表Table 4 Factor levels of the binary quadratic universal rotary combination design of fly ash and slag contents

粉煤灰和矿渣的试验水平与实际掺量之间的关系为：Z1=212X1+300，Z2=106X2+150[16]。

1.3 试验方法

将直径为150 mm，高度为300 mm的圆柱形弹性模量试件成型，将表面抹平；抗渗试验采用上口内部直径175 mm、下口内部直径185 mm和高度为150 mm的圆台体试件，拆模时用钢丝网将上下底面的水泥浆刷干净，便于观察试件的渗水情况。试验按照《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)规定的混凝土静力抗压弹性模量试验、相对渗透性试验方法进行[17]。试验中保持胶凝材料总量为352 kg/m3，砂率为0.45，水胶比为0.4，水的掺量为141 kg/m3，减水剂掺量为1.6 kg/m3。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰和矿渣掺量二元二次通用旋转组合设计结果

粉煤灰和矿渣掺量二元二次通用旋转组合设计及弹性模量和相对渗透系数的试验计算结果如表5所示。由表5可以看出，试验组3的弹性模量值最大为3.57×104MPa、试验组1的弹性模量值最小为2.45×104MPa，在矿渣掺量为256 g/kg，粉煤灰掺量为512 g/kg时弹性模量显著减小；试验组6、8的相对渗透系数最大、试验组9的相对渗透系数最小，在粉煤灰掺量为300 g/kg，矿渣掺量为150 g/kg时相对渗透系数显著减小，抗渗性增强。

表5 粉煤灰和矿渣掺量二元二次通用旋转组合设计及试验结果Table 5 Design and test results of bivariate secondary universal rotation combination design of fly ash and slag content

2.2 粉煤灰和矿渣掺量对弹性模量的影响

对试验结果进行分析，可以得到混凝土弹性模量(Y1)与粉煤灰掺量(X1)和矿渣掺量(X2)相关的二元二次回归模型为：

Y1=3.048 00-0.247 60X1+0.193 74X2-

(1)

对弹性模量的影响因素进行方差分析，结果如表6所示。

表6 粉煤灰和矿渣掺量对混凝土弹性模量影响的方差分析Table 6 Variance analysis of influence of fly ash and slag on elastic modulus of concrete

Y1′=3.048 00-0.247 60X1+0.193 74X2-

(2)

粉煤灰和矿渣对渠道衬砌用混凝土弹性模量影响程度可以用表6中偏相关系数绝对值的大小进行判断，绝对值越大，影响程度越大[16]。因此，粉煤灰和矿渣对渠道衬砌用混凝土弹性模量作用程度为：粉煤灰掺量>矿渣掺量。

由图1可以看出，在试验水平为-1.414≤Xi≤1.414时，粉煤灰掺量的效应曲线近似为一条斜率为负的直线，矿渣掺量的效应曲线是一条开口向下的抛物线。当矿渣掺量固定在零水平时，混凝土的弹性模量随着粉煤灰掺量的增加而减小，当粉煤灰掺量固定在零水平时，混凝土的弹性模量随着矿渣掺量的增加呈现出先增加后减小的趋势。

粉煤灰和矿渣掺量对渠道衬砌用混凝土弹性模量交互作用的响应曲面和等值线如图2所示。

图1 粉煤灰和矿渣掺量对混凝土弹性模量影响的单因子效应曲线Fig.1 Single factor effect of fly ash and slag on elastic modulus of concrete

图2 粉煤灰和矿渣掺量对混凝土弹性模量影响的交互作用Fig.2 Interaction effect of fly ash and slag on elastic modulus of concrete

由图2可知，随着粉煤灰掺量和矿渣掺量的增加，渠道衬砌用混凝土弹性模量整体呈现出先增加再减小的趋势。原因是掺有粉煤灰和矿渣的混凝土强度主要由水泥水化的强度和火山灰效应的强度两部分组成[18]，前期强度主要由水泥水化提供[19-20]，同时矿物掺合料的火山灰效应可以使水泥的水化产物分布更加均匀，水泥石的结构更加致密[21-23]，故弹性模量增加；当掺合料的掺量持续增加，水泥掺量持续减少时，水泥水化反应提供的强度较小，而火山灰效应对于混凝土的强度贡献主要体现在后期(28 d之后)[24]，所以实测28 d混凝土的弹性模量会随着掺合料的增加而减小。

由图2还可以看出，在95%的置信区间内，混凝土弹性模量大于2.97×104MPa时，粉煤灰掺量试验水平为-1.193～-0.417(粉煤灰掺量为50～210 g/kg)、矿渣试验水平为0.417～1.193(矿渣掺量为200～270 g/kg)，则粉煤灰掺量和矿渣掺量总量最大为480 g/kg时满足弹性模量要求。在试验水平范围内混凝土弹性模量的最大值为3.8×104MPa，此时粉煤灰掺量的试验水平为-1.414(粉煤灰掺量为0)、矿渣掺量的试验水平为1.414(矿渣掺量为300 g/kg)。

2.3 粉煤灰和矿渣掺量对相对渗透系数的影响

混凝土相对渗透系数(Y2)与粉煤灰掺量(X1)和矿渣掺量(X2)相关的二元二次回归模型如式(3)所示：

(3)

对相对渗透系数的影响因素进行方差分析，结果如表7所示。

表7 粉煤灰和矿渣掺量对混凝土相对渗透系数影响的方差分析Table 7 Variance analysis of the effect of fly ash and slag on relative permeability coefficient of concrete

在α=0.1显著水平下剔除不显著项(X2、X1X2)，简化后高度显著的回归方程如式(4)所示：

(4)

由表7可知，在试验取值范围内，粉煤灰和矿渣对渠道衬砌用混凝土相对渗透系数的作用程度表现为粉煤灰掺量>矿渣掺量。

由图3可以看出，在试验水平为-1.414≤Xi≤1.414时，粉煤灰掺量与矿渣掺量表征的效应曲线均是一条开口向上的抛物线，即随着粉煤灰掺量与矿渣掺量的不断增加，混凝土相对渗透系数呈现出先减小后增加的趋势，表明粉煤灰和矿渣对于混凝土的抗渗性存在一个最佳掺量。

粉煤灰和矿渣对渠道衬砌用混凝土相对渗透系数交互作用的分析结果如图4所示。由图4可知，随着粉煤灰掺量和矿渣掺量的增加，渠道衬砌用混凝土相对渗透系数呈现出先减小后增加的趋势。原因是粉煤灰和矿渣的掺入对水泥的浆体孔结构产生了影响，减少了浆体结构中的有害孔，同时降低了混凝土的孔隙率，使混凝土形成比较致密的结构[25]，有利于提高混凝土的抗渗性能，此时混凝土的抗渗效果增强，并且存在1个最佳掺量；当粉煤灰和矿渣的掺量超过最佳掺量时，水泥的用量显著减少，界面黏结能力不足，使得抗渗效果减弱，这与刘数华等[26]的研究结果一致。

图3 粉煤灰和矿渣掺量对混凝土相对渗透系数影响的单因子效应曲线Fig.3 Single factor effect of fly ash and slag on relative permeability coefficient of concrete

由图4还可以看出，在95%的置信区间内，渠道衬砌用混凝土相对渗透系数小于1.12×10-8cm/s时，粉煤灰试验水平为-1.104～0.048(粉煤灰掺量为90～310 g/kg)、矿渣试验水平为-0.544～0.544(矿渣掺量为100～210 g/kg)，则粉煤灰掺量和矿渣掺量总量最大为520 g/kg时依然满足抗渗要求。在试验水平范围内渠道衬砌用混凝土相对渗透系数的最小值为0.77×10-8cm/s，此时粉煤灰的试验水平为-0.583(粉煤灰掺量为180 g/kg)、矿渣的试验水平为0(矿渣掺量为150 g/kg)。

图4 粉煤灰和矿渣掺量对混凝土相对渗透系数影响的交互作用 Fig.4 Interaction effect of fly ash and slag on relative permeability coefficient of concrete

3 结 论

1)粉煤灰和矿渣对渠道衬砌混凝土弹性模量及相对渗透系数的影响程度表现为粉煤灰>矿渣。

2)渠道衬砌用混凝土的弹性模量随着粉煤灰和矿渣掺量的增加先增大后减小，弹性模量大于2.97×104MPa时粉煤灰掺量为50～210 g/kg、矿渣掺量为200～270 g/kg；粉煤灰掺量为0、矿渣掺量为300 g/kg时，弹性模量取得最大值3.8×104MPa。

3) 渠道衬砌用混凝土的相对渗透系数随着粉煤灰和矿渣掺量的增加先减小后增加，相对渗透系数小于1.12×10-8cm/s时，粉煤灰掺量为90～310 g/kg、矿渣掺量为100～210 g/kg；粉煤灰掺量为180 g/kg、矿渣掺量为150 g/kg时抗渗性最好，相对渗透系数值最小为0.77×10-8cm/s。

4) 粉煤灰和矿渣混掺可以提高渠道衬砌用混凝土的力学性能和抗渗性能，大掺量下(粉煤灰掺量和矿渣掺量总量为400～500 g/kg)依然满足渠道衬砌用混凝土的力学性能及抗渗性能，具有良好的经济效益。