不同粉煤灰掺量对胶凝砂砾石强度和抗冻性能的影响

俞长隆

（新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心，新疆 昌吉831100）

1 引言

胶凝砂砾石材料是在天然砂砾石中掺入少量的水泥或其他胶凝材料，与水简单拌合而成的复合材料，属于一种新材料。胶凝砂砾石材料已在国内外诸多水利工程中得到应用，目前关于原材料选用对于胶凝砂砾石性能影响的研究较少。刘红森［1］等分析了胶凝砂砾石冻融试验及其影响因素，为材料的推广应用提供了理论依据；孙明权［2］等通过研究用水量变化对胶凝砂砾石抗压强度的影响，得到了最优用水量和最优水胶比；刘录录［3］等对胶凝砂砾石抗压强度及影响规律进行了研究，得到了细料含量对胶凝砂砾石强度的影响较大；冯伟［4］对胶凝砂砾石配合比设计进行了研究，给出了优选配合比的方案；金小磊［5］研究了骨料针片状含量对胶凝砂砾石强度的影响，为施工中质量控制提供了参考范围；束佳寅［6］分析了不同粉煤灰掺量对水化热的影响，获得了相应的变化情况；田悦［7］等通过研究粉煤灰粒径分布对混凝土抗压强度的影响，得到了相应最明显影响区间；袁承斌［8］等研究了粉煤灰掺量对混凝土性能的影响，给出了最优掺量值。本文通过抗压强度试验和冻融循环试验，分析在不同粉煤灰掺量下，胶凝砂砾石抗压强度和抗冻性能的变化，得到在其它试验参数不变的情况下，粉煤灰掺量变化对胶凝砂砾石材料的影响。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验材料

天然砂砾石：新疆昌吉某料场天然砂砾石混合料，砂砾层中砂石比例变化不大，颗粒分析试验结果见表1，混合料的含泥量为1.38%，其不均匀系Cu=18，曲率系数Cc=1.02，属于级配良好；水泥采用新疆天山水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，对水泥的物理技术性能和化学成分的检测结果见表2、表3；粉煤灰采用新疆华电生产的Ⅱ级粉煤灰，对粉煤灰的检测结果见表4。

表1 天然砂砾石颗粒级配

表2 水泥各项物理力学性能指标

表3 水泥化学及熟料矿物成分

表4 粉煤灰检测指标

2.2 试验配合比

根据《水工混凝土试验规程》（SL 352-2020），通过混凝土拌合物维勃稠度试验测定VC值，将搅拌充分后的拌合物通过40 mm的圆孔筛，分三层装入维勃稠度仪的容器中，每层插捣25下，然后将容器固定在振动台上，开始测定拌合物的VC值。在水泥用量80 kg/m3，水用量96 kg/m3时测得VC值为12 s，符合维勃稠度试验测定干硬性混凝土的范围。最终优选配合比为水泥用量80 kg/m3、水胶比为1.2。

表5 不同水胶比下VC值

2.3 试验方案

为研究不同粉煤灰掺量下胶凝砂砾石抗压强度的变化，按照表6中试验方案，根据优选出的配合比，参考《水工混凝土试验规程》，试验前剃掉砂砾料中粒径大于40 mm的骨料，将混合料均匀拌合，然后分三层装入边长为150 mm的立方体试模中，振捣密实。标准养护，测试试件3 d、7 d、28 d、90 d龄期的抗压强度；为研究不同粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗冻性能的影响，综合考虑试验周期，选用养护28 d后的试件进行抗冻试验，试验冻结温度为-20℃，融化温度为20℃，冻融循环次数分别为0次、5次、10次，一次冻融循环时间为24 h，完成相应冻融次数后进行抗压强度试验。

表6 试验配比表

3 试验结果分析

3.1 不同粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

成型不同粉煤灰掺量下的胶凝砂砾石抗压试件，每组三块。待标养到龄期后测定其抗压强度值，取三块抗压强度的平均值作为试验结果，得到不同粉煤灰掺量下胶凝砂砾石抗压强度见表7。

表7 不同粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

根据表7中数据可以得到，随着粉煤灰掺量的变化，胶凝砂砾石的抗压强度也是变化的。当粉煤灰掺量为10%时，各龄期的抗压强度值与对照组相差不大，均在±1%以内，这是由于粉煤灰掺量较低，对强度的影响主要取决于水泥的水化反应；当粉煤灰掺量为20%时，3 d和7 d的抗压强度与对照组相差不大，28 d和90 d的抗压强度有较明显提升，分别为对照组的107%和105%，这是由于粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，而处于分散状态，有利于水化反应的进行，同时减少了用水量，硬化后的胶凝砂砾石孔隙率降低，使密实度得以提高；当粉煤灰掺量超过30%时，各龄期的抗压强度与对照组相差较大，掺量分别为30%和40%时，90 d的抗压强度分别为对照组的82%和76%，这是由于粉煤灰早期强度较低，抗碳化性能较差，大掺量粉煤灰延缓了水化速度，使得强度提升缓慢。可见在胶凝砂砾石中，水泥和粉煤灰作为胶凝材料时，存在一定比例可使胶凝砂砾石的早期抗压强度明显提升。

3.2 不同粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗冻性能的影响

根据试验要求将达到28 d龄期后的抗压试件进行冻融循环试验，完成试验后测定其抗压强度值，取三块抗压强度的平均值作为试验结果，得到不同粉煤灰掺量下，完成冻融循环后胶凝砂砾石抗压强度见表8。

表8 不同粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗冻性能的影响

从表8数据可以得出，在不同的粉煤灰掺量下，随着冻融循环次数的增加，胶凝砂砾石抗压强度呈现降低趋势。胶凝砂砾石冻融时，因试件内部水相变成冰和冰相变成水的过程会破坏试件原有的结构，对试件结构造成损伤，以粉煤灰掺量为0%时作为对照组，当掺量为10%时，5次冻融循环后的抗压强度为对照组的100%，10次冻融循环后的抗压强度为对照组的103%；当掺量为20%时，5次冻融循环后的抗压强度为对照组的107%，10次冻融循环后的抗压强度为对照组的110%；当掺量为30%时，5次冻融循环后的抗压强度为对照组的81%，10次冻融循环后的抗压强度为对照组的79%；当掺量为40%时，5次冻融循环后的抗压强度为对照组的77%，10次冻融循环后的抗压强度为对照组的77%。随粉煤灰掺量的提高，胶凝砂砾石试块抗冻性能呈现先增加后降低的趋势，这是由于适当的粉煤灰掺量使得水化产物总量增加，骨料间粘结力增大，结构更加均匀密实，当粉煤灰掺量超过30%后，大掺量粉煤灰延缓了水化速度，使得强度提升缓慢，冻融过程中结构受到破坏，引起强度损失。当粉煤灰掺量在20%时，胶凝砂砾石的抗冻性能有显著提升。

4 结论

（1）粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗压强度有较明显的影响。当胶凝砂砾石中粉煤灰掺量在20%时，对胶凝砂砾石抗压强度有显著提升；当粉煤灰掺量超过30%以后，其抗压强度明显降低。

（2）适当的粉煤灰掺量对胶凝砂砾石抗冻性能有较明显的提升。当掺量为20%时，5次冻融循环后的抗压强度为对照组的107%，10次冻融循环后的抗压强度为对照组的110%，施工过程中控制粉煤灰的掺量能够有效提升胶凝砂砾石的品质。