掺不同粉煤灰的水工混凝土抗水渗透性分析

江 波

(大连庄河市水务事务服务中心，辽宁 大连 116400)

实质上，碳化就是CO2不断渗透到混凝土内部，并促使水分迁移到较小饱和度区域的过程[1]。所以，改善水工混凝土的抗渗性能是保证水工结构长效运行的关键。粉煤灰是可以替代部分水泥的一种胶凝材料，发挥着活性、微集料、形态等效应[2-4]。掺入粉煤灰既能够缓解内部水化热产生的温升、延缓水化速度以及减少水化热，还可以防止温度裂缝的形成，有利于控制碱集料反应、减小孔隙率、改善抗渗性和降低工程成本等，提高水工结构的后期强度稳定性和使用年限[5-6]。

然而，现有研究比较侧重于水工混凝土的力学性能及其抗压强度方面，研究耐久性以及长期性能的还较少，单一强度标准已无法满足水工混凝土受各项目成本、环境、地理等因素产生的特殊要求[7-10]。鉴于此，文章通过室内试验，初步探讨了不同种类和不同掺量粉煤灰对混凝土抗渗性的影响，并进一步揭示了其作用机理。

1 试验方法

1.1 粉煤灰品质

试验选用三种F类Ⅰ级粉煤灰，依据设计配合比确定总用量6km。粉煤灰性能严格按筛分法等标准检测，主要仪器设备包括高温箱式电阻炉、电子天平、水泥胶砂流动度测定仪和水泥细度负压筛分仪，试验用粉煤灰性能检测结果，见表1。经检测，本试验所选用的三种粉煤灰性能均达标，能够用于水工混凝土抗渗性能研究。

表1 试验用粉煤灰性能检测结果

1.2 抗水渗透性试验

试验选用海螺P·O 42.5级通用硅酸盐水泥，整体呈灰色；粗骨料选用粒径5～25mm的连续级配石灰岩碎石，表面呈青灰色；细骨料选用天然河砂，细度模数2.6，表面呈黄色。外加剂选用XK-540P型聚羧酸高效减水剂，掺量按1.0%～2.0%的胶凝材料用量；拌合水用自来水，水工混凝土抗水渗透性能按照逐级施加水压力的方式来测定。

1.2.1 试验设备

试验所用仪器设备主要有烘箱、加压器、圆台体试模、TCS-1型混凝土抗渗仪、钢直尺、钢丝刷、松香、石蜡和钟表等。

1.2.2 试验流程

1)步骤1：试件制备。①精准称量所用原材料，并按照先粗细骨料、再胶凝材料、后水与外加剂混合液的顺序投料搅拌，拌合均匀后倒出；②用高150mm、上口内径175mm、下口内径185mm的圆台体钢试模，每种掺量各成型3组，每组6个试件；③室内静置24h后拆模，将上、下两面水泥浆膜利用钢丝刷刷去后，立即送入标养室护养护至28d，然后取出放入模拟自然环境下养护；④自然养护至28d、56d、90d时取出备用。

2)步骤2：密封试件。提前一天(以试验龄期为基准)从标养室取出试件，待擦干晾干试件表面后，用内加少量松香的熔化态石蜡涂抹其侧面。然后将试件用加压器压入经电炉或烘箱预热的钢试模内，保持试模底部与试件相平齐，试模冷区后将压力解除。预热温度以石蜡不滴落且能够缓慢融化为准。

3)步骤3：安装试件。启动TCS-1型混凝土抗渗仪，关闭中间总控泄水阀门并开通所有6个试位下的阀门，确保水能够从试位中心孔渗出，在6个试位坑都充满水以后，将所有阀门关闭，在抗渗仪上利用螺帽安装固定已密封好的试件。

4)步骤4：逐级加压。试件安装完成后立即开通试位下的阀门，并对中间总控泄水阀是否达到紧闭状态进行确认以免漏压。调整初始水压0.1MPa，然后按每8h施加0.1MPa的原则逐级试压，对试件端面渗水情况进行随时观察。当出现渗水的试件达到3个时则停止试验，并记录相应的水压。实际操作时，若试件周边出现渗水现象，应将该试件卸下，晾干后再次涂蜡密封。

5)步骤5：数据处理。对于试验中的6个试件时，以2个产生渗水时所对应的最大水压作为抗渗等级，其表达式如下：

W=10H

(1)

式中：H为2个试件渗水时的最大水压力；MPa；W为水工混凝土抗渗等级，MPa。

2 结果与分析

2.1 试验结果

考虑到水工混凝土抗渗性能受三种F类Ⅰ级粉煤灰的影响差别较小，可以不略不计的实际情况，故选用粉煤灰A探讨不同掺量、不同龄期的抗渗水压变化特征，抗渗水压变化曲线，见图1。

由图1(a)可知：对比分析掺粉煤灰组和空白对照组的抗渗性能，水工混凝土渗水高度随强度的增大表现出下降趋势，即随水工混凝土强度的增加其抗水渗透性能逐渐提高；对于粉煤灰A而言，掺量不超过30%的界限值时，水工混凝土抗水渗透性能随粉煤灰掺量的增加而提高，此时粉煤灰的活性和微集料效应显著，但掺量>30%时以后其抗水渗透性能呈下降趋势。

由图1(b)可知：①标准养护28d时，水工混凝土中掺30%粉煤灰组抗渗性最优，其次为掺25%粉煤灰组，抗渗水压依次为1.2MPa和1.1MPa，而掺35%粉煤灰组的抗渗性最差，抗渗水压只有0.7MPa；②标准养护56d时，各组试样的抗渗性能均有所提升，其中掺30%粉煤灰组抗渗性最优，抗渗水压达到1.6MPa；掺35%粉煤灰组的抗渗性较28d龄期时明显增加，抗渗水压提高0.8MPa达到了1.5MPa，抗渗水压力超过掺20%、25%粉煤灰组，位居第二，而未掺粉煤灰组的抗渗性最差；③标准养护90d时，粉煤灰掺量越高则试样的抗渗性能越优，掺35%粉煤灰组的混凝土抗渗水压最高为1.8MPa。

(a)不同掺量 (b)不同龄期

在水工混凝土中掺入粉煤灰A，虽然降低了混凝土早期强度及其抗孔隙水应力的能力，但其内部孔隙结构明显改善，在一定程度上增加了孔径蜿蜒细度，水泥石中的毛细孔隙被水化产物C-S-H胶凝材料填塞，渗透通道明显减小，有效增强了混凝土的密实度和抗渗性能。因此，粉煤灰是从早期强度和孔隙结构两个方面来影响混凝土的水压渗透性能[11-12]。因此，如果是早期强度和抗孔隙水压力起主导作用，则掺入粉煤灰会降低混凝土抗渗能力；如果是孔隙结构和密实度起主导作用，则掺入粉煤灰会增强混凝土抗渗性能。通过试验研究，合理确定粉煤灰的最佳掺量具有非常重要意义。

2.2 水工混凝土渗透破坏机理

渗流是指气体、液体等流体在介质内部孔隙中的流动状态，一般选用渗透系数衡量渗流的程度。由于内部存在许多微孔隙、微裂纹等劣化因素，孔隙水压和外围水压促使水向内部的迁移，从而引起混凝土力学性能的劣化，大大降低水利工程的服役年限，甚至引起整体失稳的情况。因此，有必要进一步探讨渗透破坏机理。

实际上，水工混凝土受水压力作用时的耐久性能主要取决于粗细骨料、胶凝材料的力学性能以及两者胶结面的微孔隙和微裂纹等情况。水泥石的渗透性明显强于骨料，故水泥石的渗透性在很大程度上决定了水工混凝土的渗透性，而水泥石的渗透性又与水胶比密切相关，水胶比越大则孔隙率越高，水泥石中的毛细孔等相互连通体系也会增加，使得其抗渗性明显下降。

此外，热胀与干缩作用产生的混凝土裂缝、浇筑成型振捣不密实等也会降低其抗渗性能，水工结构所处的外围环境是否存在侵蚀性液体或气体、温度场、外荷载分布和大小等因素，也会影响其抗渗性能。在不改变外界环境、养护和振捣等因素的情况下，本次试验仅探讨了水工混凝土抗渗性受不同粉煤灰掺量的影响[13-15]。

3 结 论

1)研究表明，本试验所选用的三种粉煤灰性能均达标，能够用于抗渗性能试验研究，并且混凝土抗渗性能受不同粉煤灰类型的影响差别可以不略不计。

2)通过分析水工混凝土抗水渗透性与粉煤灰掺量、龄期之间的关系，发现标准养护28d和56d时，随粉煤灰掺量的增加其抗渗性能均表现出先增强后变弱的的变化趋势，粉煤灰A的最佳掺量为30%；随着养护龄期的延长，粉煤灰A的掺量越高则混凝土抗渗性能越优，结合试验结果，实际工程中粉煤灰掺量最高≤30%。