新型渡槽混凝土配合比优化设计试验研究

哈 仙

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

中国是一个水资源分布极不均衡的国家，整体上呈现南涝北旱的格局，为了缓解北方地区的用水紧缺问题，合理调度和分布水资源，促进各地区国民经济平稳健康发展，我国相继修建了大量的水利工程设施，引水工程便是解决地区用水不均的主要措施之一[1- 3]。

渡槽可以不受地形影响、可以增加额外泄洪量、施工简单、经济效率高等特点，在引水工程修建过程中，作为一种取水输水建筑物被广泛应用。渡槽一般采用混凝土薄壁结构，在运行过程中槽身大面积与水或者空气接触，导致渡槽混凝土很容易收到环境、流水或者其他因素的影响，特别是北方地区冬季气温较低，在多年冻融循环作用下，耐久性和服役年限会显著下降，从而影响引水工程的长期安全与稳定[4- 7]。粉煤灰和尾矿砂是比较常见的两类工业废渣，造成了大量土地资源的浪费，对环境也造成了一定影响，如果能将粉煤灰和尾矿砂应用到渡槽混凝土的配制中，将极大缓解二者所带来的环境压力[8- 10]。

本文在前人研究理论与经验基础上，利用粉煤灰和尾矿砂混掺来改善渡槽混凝土的耐久性能，以期能为制备高性能绿色生态渡槽混凝土提供理论依据。

1 试验方案

1.1 试验原材料

水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥，平均密度3.1g/cm3，比表面积355m2/kg，细度为1.8%，标准稠度用水量160g，初凝和终凝时间分别为185、245min，3d抗折和抗压强度分别为5.7、27.5MPa。粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，需水量比96%，烧失量2.1%。尾矿砂：新疆当地某尾矿的尾矿砂，主要矿物成分为SiO2、Fe2O3和Al2O3，占比分别为47.9%、14.75%和13.3%，黏粒含量约为8.4%，主要粒径0.075～2mm，平均渗透系数12.5×10-4cm/s。细骨料：中粗砂，细度模数为2.66，堆积密度为1545kg/m3，平均含泥量1.3%。粗骨料：5～25mm的机制碎石连续级配，平均密度2550kg/m3，孔隙率为46%，含水率为0.22%，压碎指标6.5%。水：实验室自来水。

1.2 配合比设计方案

根据相关标准对新型渡槽槽身混凝土的配合比进行设计，初步确定混凝土的最佳水灰比为0.44，水泥用量为438kg/m3，细骨料用量为617kg/m3，粗骨料用量为1152kg/m3，水用量为193kg/m3。

采用3因素4水平方式进行试验配合比设计。3因素分别为粉煤灰掺量、尾矿砂掺量以及粗骨料粒径，对应编号分别为A、B、C；将粉煤灰取代水泥用作胶凝材料，取代量分别为0%、10%、20%和30%，将尾矿砂取代中粗砂用作细骨料，取代量分别为0%、25%、50%和75%，将粗骨料按粒径大小划分为4个区间，分别为5～10、10～15、15～20、20～25mm，正交试验配合比方案见表1。

表1 正交试验方案

1.3 试验过程

①准备试验材料，将粗骨料、天然砂以及尾矿砂洗净、筛分；②按照试验配比方案拌制混凝土，将混凝土浇筑成边长为100mm的立方体、100mm×100mm×400mm棱柱体、以及Φ100mm×50mm的圆柱体；③将混凝土试件分别养护至3、7和28d；④进行相关试验，其中立方体试件用于抗压强度测试，实验仪器为AW—2000电液伺服岩石三轴试验机，棱柱体用于冻融循环试验(分别测试冻融循环0、25、50、75和100次下的质量损失率和相对动弹性模量)，实验仪器为快速冻融试验机，圆柱体用于导热系数测试试验，实验仪器为DRE-III多功能快速导热系数测试仪；⑤试验数据整理与分析。

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

不同配合比混凝土在不同龄期下的抗压强度试验结果如图1所示。从图1(a)可知：3d和7d龄期下，随着粉煤灰掺量增加，渡槽混凝土的抗压强度呈逐渐减小的变化特征，28d龄期下，抗压强度随着粉煤灰掺量的增加呈先增大后减小的变化特征，当粉煤灰掺量为20%时，抗压强度达到最大值；粉煤灰掺入后，对混凝土早期强度没有改善作用，反而会出现一定程度的弱化，这是因为掺入粉煤灰后，参与早期活性反应的水泥数量降低，水化反应不充分导致Ca(OH)2等水化产物不足，使得粉煤灰中的Al2O3、SiO2不能很好的参与二次水化反应，最终导致混凝土内部各物质之间缺乏联结物，使得结构表现疏松，强度降低；但是，掺入粉煤灰对混凝土后期强度有一定的改善作用，这是因为随着龄期增加，混凝土中水化反应逐渐增强，生成的Ca(OH)2可以充分激发粉煤灰参与二次水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些水化产物填充在混凝土孔隙结构中，同时粉煤灰本身具有润滑作用，能够填充在混凝土孔隙中，阻止了水泥颗粒相互黏聚，可以促使水化反应的进行，因而可以对微弱界面起到改善作用，使强度得到提升，但粉煤灰产量不宜过高，否则容易导致前期水化不足，影响二次水化反应的进行。

图1 抗压强度试验结果

从图1(b)可以看到：当龄期为3d时，掺入尾矿砂会导致混凝土抗压强度下降，下降幅度分别为3.4%、9.4%和15.5%，当龄期为7d时，掺入尾矿砂可以在一定程度上提升渡槽混凝土的抗压强度，提升幅度分别为17.1%、6.6%和6.2%；当龄期为28d时，尾矿砂掺量在25%和50%时，强度有较大的幅度提升，分别达到13.7%和16.6%，但是当掺量为75%时，强度反而降低，降低幅度为8.2%。尾矿砂的强度更大，棱角更加分明，但也存在级配不如普通砂，颗粒之间裂缝含量较多的缺点，但是在掺量适量的基础上，对于渡槽混凝土长期强度是有一定改善作用的。

从图1(c)可知：在16种配合比试验组中，7d龄期下强度最高的为试验组5，抗压强度达到43.9MPa，强度最小的为试验组15，抗压强度仅为25.6MPa；28d龄期下强度最高的为试验组3，强度达到63.2MPa，强度最小的为试验组16，强度仅为37.3MPa；从整体变化趋势来看，粉煤灰掺量是影响混凝土抗压强度的最主要因素。

2.2 抗冻性

对16种配合比混凝土在28d养护龄期后的抗冻性进行试验，结果如图2所示。从图2(a)可知：试验1～8组在冻融循环下，质量损失率一直较低，试验9～16组在冻融循环下的质量损失率明显高于试验1～8组，且当粉煤灰掺量达到30%(试验14、15、16组)在冻融循环75次后，便发生失稳破坏，这说明当粉煤灰掺量为0～10%时，粉煤灰可以有效填充尾矿砂带来的结构孔隙，混凝土试件的密实性较好，具有更好的抗渗性，当粉煤灰掺量继续增加时，混凝土中水泥量减少，而且尾矿砂的吸水性大于普通砂，导致混凝土水化反应不足，混凝土结构密实性反而降低，故质量损失率较大。

从图2(b)中可知：随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量逐渐下降，当冻融循环100次后，试验1～13组的相对动弹性模量分别为65.2%、68.2%、70.1%、64.3%、72.3%、76.2%、70.4%、66.5%、72.4%、70.3%、64.3%、65.9%、60.16%，试验14～16组发生碎裂；试验6组的相对动弹性模量最大，试验13组的相对动弹性模量最小，试验5～8组(粉煤灰掺量10%)的平均相对动弹性模量最大，可达到70%以上。

冻融循环破坏是从外向内的过程，随着冻融循环次数的增长，试件内部的毛细孔隙逐渐扩张贯通汇聚呈大孔隙，导致试件吸水率上升，结冰增多，因而抗冻性能减弱，当掺入适量粉煤灰和尾矿砂时，能够起到良好的填充作用，而且能够中和尾矿砂带来的不利影响，从而能够充分发挥尾矿砂自身的加固特性，从而有利于渡槽混凝土强度和抗冻性能的提升。

图2 冻融循环试验结果

2.3 导热系数

不同配合比下混凝土的导热系数试验结果见图3。从图3中可知：普通混凝土的导热系数较低，在1W/(m·k)左右，混凝土导热系数随粉煤灰掺量增加而逐渐提升，当粉煤灰掺量为30%时，导热系数达到1.82W/(m·k)，相比普通混凝土提升82%；而当同时掺入粉煤灰和尾矿砂后，导热系数进一步得到提升，当尾矿砂掺量为25%或者50%时，导热系数达到2W/(m·k)以上，导热能力可提升一倍以上；骨料粒径变化对于导热系数的影响不是很大，但从整体上看，小粒径骨料混凝土的导热系数高于大粒径骨料混凝土的导热系数。尾矿砂中含有许多矿物成分，能够起到提升导热性能的作用，而粉煤灰则会弥补尾矿砂所带来的密实性能不好的问题，因此，混掺粉煤灰+尾矿砂时，混凝土的综合性能会更好。导热系数越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土内外部的温差，减小温度应力的影响，从而增强抗冻性能。

图3 导热系数试验结果

3 方差分析

对正交试验结果进行方差分析，结果见表2。从表2中可以看到：不管是7d龄期下的抗压强度还是28d龄期下的抗压强度，其F比值均是A(粉煤灰掺量)最大，表明粉煤灰掺量对渡槽混凝土的强度影响最大，在7d龄期下，矿尾砂对强度指标的影响略大于骨料粒径，在28d龄期下，骨料粒径对强度指标的影响则远大于矿尾砂；对于渡槽槽身混凝土抗冻性的影响而言，均表现为A>B>C，即粉煤灰掺量对渡槽混凝土抗冻性影响最大，其次为尾矿砂掺量，再次为粗骨料粒径；对于导热系数，F比排序为B>A>C，即尾矿砂掺量对渡槽混凝土导热性能的影响最大，其次为粉煤灰掺量，最小的为粗骨料粒径。

表2 方差分析结果

综上试验成果，对渡槽槽身混凝土配合比进行优化，通过多次尝试，认为：当粉煤灰掺量取10%，尾矿砂掺量取40%，粗骨料粒径为15～20mm时，渡槽混凝土综合性能达到最佳，此时，混凝土7d和28d抗压强度分别为41.2MPa和57.5MPa，100次冻融循环后相对动弹性模量为85%，质量损失率为0.38%，导热系数为2.13W/(m·k)。

4 结语

采用3因素4水平方式对渡槽混凝土配合比进行设计，得出如下结论。

(1)粉煤灰对渡槽混凝土的强度和抗冻性影响最为显著，而尾矿砂对渡槽混凝土的导热系数影响最为显著，粗骨料粒径对渡槽混凝土力学性能的影响相对较小。

(2)混掺粉煤灰和尾矿砂既可以起到良好的填充作用，而且能够中和尾矿砂带来的不利影响，充分发挥尾矿砂自身的加固特性，故而有利于渡槽混凝土性能提升。

(3)当粉煤灰掺量取10%，尾矿砂掺量取40%，粗骨料粒径为15～20mm时，渡槽混凝土综合性能达到最佳。

(4)影响渡槽混凝土力学性能的因素还包括水灰比、水泥品种和细度、砂率等，这将在今后做进一步的补充研究。