粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响规律研究

李益文

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

粉煤灰作为一种常用的混凝土掺和料，在提高混凝土性能和降低环境污染方面发挥着重要作用。因此，研究粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响规律，对于提高桥梁结构的耐久性和安全性至关重要。粉煤灰加入量、粒径分布、化学成分等因素将直接影响混凝土的抗渗性能。针对不同类型的桥梁混凝土，研究粉煤灰掺和后的混凝土抗渗性能，可以为桥梁工程实践提供科学的技术支撑。同时，通过深入探讨粉煤灰对混凝土孔隙结构、水泥水化产物以及渗透性能的影响机理，可以为混凝土配合比设计和桥梁工程施工提供理论指导，从而促进桥梁混凝土结构的耐久性和可持续发展。

1 试验原料与设备

1.1 试验原料

在粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能影响的研究试验中，试验原材料包括水泥、粉煤灰、砂、骨料和外加剂。水泥作为混凝土的主要胶凝材料，在试验中起着关键作用，其品种和用量将直接影响混凝土的抗渗性能。同时，粉煤灰作为一种常用的混凝土掺和料，其细度和含量对混凝土的抗渗性能有显著影响。砂和骨料是混凝土的骨架材料，其级配及用量会影响混凝土的孔隙结构和渗透性能。

此外，添加外加剂也是影响混凝土抗渗性能的重要因素，不同类型的外加剂会对混凝土的工作性能和耐久性产生不同影响。在试验中要精确控制此类原材料的配合比和性能参数，从而准确评价粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响[1]。试验中所用粉煤灰和水泥的参数如表1、表2 所示。

表1 水泥基本参数

表2 粉煤灰基本参数

为了研究混凝土抗渗性能、抗压强度等指标受粉煤灰养护时间以及掺和量的具体影响和规律，分别取0%～50% 的粉煤灰掺量，7d、24d、56d 和84d 养护时间，其配合比情况如表3 所示。

表3 粉煤灰混凝土配合比

1.2 试验方法

1.2.1 立方体单轴压缩试验法

通过立方体单轴压缩试验方法进行抗强度测试，可以有效研究粉煤灰对混凝土的影响规律。首先，准备符合标准要求的混凝土配合比和粉煤灰掺和比例，同时确保试验设备完好无损，试验环境符合要求。其次，按照预定配合比将水泥、粉煤灰、骨料等原材料进行配合，并进行充分的搅拌，以确保混凝土的均匀性和稳定性。最后，根据试验计划制作立方体混凝土试件，并进行标号、记录等必要的准备工作。在试验过程中，需要将试件放置在试验机上，并根据标准要求施加逐渐增大的压力，直至试件发生破坏。在此过程中，需要实时记录压力值和位移数值，并观察试件的破坏形态和过程。通过分析试验数据，可以得出不同粉煤灰掺和比例对混凝土抗压强度的影响规律，并揭示粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响机理。还可以探讨不同因素对试验结果的影响，从而为进一步优化混凝土配合比和工程应用提供科学依据[2]。

1.2.2 逐级加载法

逐级加载法是一种常用的测试方法，通过逐渐增加水压力来模拟混凝土受到不同水压力时的抗渗性能。选取不同掺量的粉煤灰混凝土作为研究对象，如0%、10%、20%和30%的粉煤灰掺量，以及相应配比的普通混凝土作为对照组。针对每种混凝土样品进行逐级加载法的抗渗性能测试。在测试过程中应严格控制水压力的增加速度，以确保每个阶段的水压力变化均匀持续，同时模拟混凝土在实际使用中受到的不同水压力环境。为了准确评估混凝土的抗渗性能，应采用先进的水压试验设备，并结合数字化数据记录和分析系统，实时监测并记录混凝土试样在不同水压力下的渗水情况和变化规律。通过对测试数据进行分析，可以准确地评估不同掺量粉煤灰混凝土的抗渗性能，并揭示其与粉煤灰掺量之间的关系。

1.2.3 压汞试验法

采用压汞试验方法，可以测试粉煤灰混凝土的孔隙结构。首先，将试件置于压汞仪器内，其次逐步增加压力，使汞液渗入混凝土的孔隙结构中。在试验过程中，需要记录不同压力下汞液的渗入量，并及时观察压力与渗入量之间的关系。同时，通过压汞试验获得的数据，可以计算出混凝土的孔隙结构参数，如孔隙度、孔隙分布等，也可以通过公式或图表对该参数进行具体描述和分析，从而揭示粉煤灰对混凝土孔隙结构的影响规律。根据试验数据和分析结果，可以得出粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响规律。

2 试验结果分析

2.1 立方体单轴抗压强度

根据已有研究资料，了解到加入粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的抗渗性能。粉煤灰内部微观结构的特点使其具有较高的活性，当其与水泥在混凝土中发生反应时，形成更多的水化产物，能够填充混凝土内部的微观孔隙结构，从而提高混凝土的致密性和抗渗性能。针对以上理论基础进行立方体单轴抗压强度试验，得到相应的试验结果。选取不同掺量下的粉煤灰混凝土样品，恰当养护后进行立方体单轴抗压强度试验。图1 为不同粉煤灰掺量时混凝土的抗压强度。试验结果显示，在混凝土龄期为7d 时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度呈现逐渐降低的趋势。说明在早期阶段，加入粉煤灰会对混凝土的抗压强度造成一定程度的影响。当龄期大于28d 时，混凝土抗压强度会随粉煤灰掺量增加而呈现先增后减的状态。掺量为30%时抗压强度最大。此现象与之前的描述相吻合，即随着养护时间的增长，粉煤灰对混凝土的抗压强度影响逐渐显现，甚至出现一定程度的增强效应。

图1 混凝土的抗压强度曲线

通过对立方体单轴抗压强度试验结果进行分析，可以初步推断出粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响规律。在早期阶段，粉煤灰的加入可能对混凝土的抗压强度产生负面影响，但随着养护时间增长，粉煤灰对混凝土的后期抗压强度有明显的提高作用。

2.2 内部孔隙分布

2.2.1 总孔隙率

研究结果显示，当粉煤灰掺量不同，养护时间较短时，如果粉煤灰掺量增加，则水化产物会出现减少趋势，混凝土孔隙率增大。当龄期增长时，粉煤灰活性效应逐渐起作用，导致水化产物逐渐增多，并将混凝土内部孔隙填充，从而使孔隙率下降。具体来看，当粉煤灰掺量小于30%时，孔隙率随掺量增加而减小；而当粉煤灰掺量为30%时，其活性效应得到最有效的发挥，混凝土密实度达到最大值，且内部总孔隙率会显著降低，分别为25.7%和24.6%，是基准混凝土的92%和88%。表明加入粉煤灰会改善孔隙结构，从而改善混凝土抗渗性能和密实度。此外，粉煤灰的加入不仅可以节省桥梁混凝土的造价，还能提高桥梁混凝土后期的密实度，为工程施工和维护带来积极的经济和环保效益。粉煤灰在桥梁混凝土中的应用具有重要意义，可以有效改善混凝土的性能并延长其使用寿命。

2.2.2 孔径分布

根据试验结果显示，桥梁混凝土内部的孔隙尺寸分布受粉煤灰掺量的影响而发生变化。当养护时间为84d 时，不同粉煤灰掺量条件下的孔隙尺寸分布呈现出明显的变化。随着粉煤灰掺量的增加，20nm 以下孔隙体积增大，100nm 以上孔隙总体积减小，说明加入粉煤灰可以有效填充和减少较大孔隙，同时增加了较小孔隙的体积，从而均匀闭合了混凝土内部的孔隙结构。

通过对混凝土内部孔隙尺寸分布的定量进行分析，发现粉煤灰的加入对不同尺寸孔隙的影响程度各异。当粉煤灰掺量为30%时，桥梁混凝土20nm 以上的孔隙体积是基准混凝土的124.3%，但100nm 以上的孔隙体积仅是基准混凝土的57.4%。说明粉煤灰对大孔隙的填充效果更加显著，有利于减少混凝土内部的渗透路径，从而提高混凝土的致密性和抗渗性能。

结合以上分析结果可知，粉煤灰对桥梁混凝土抗渗性能的影响规律主要体现在调控混凝土内部孔隙结构上。加入粉煤灰能够有效填充和减少较大孔隙，并增加了较小孔隙的体积，从而均匀闭合混凝土内部的孔隙结构。此作用使混凝土具有更加致密的内部结构，同时减少渗透路径，提高混凝土的抗渗性能。

2.3 渗水高度和最大抗渗水压力

根据表4 可知，桥梁混凝土7d 龄期下的情况：随着粉煤灰掺量的增加，桥梁混凝土的孔隙率逐渐增大，一般情况下会给抗渗能力产生不利影响。然而，由于粉煤灰具有微集料效应，能够在一定程度上阻隔相邻孔隙的连接，从而封闭混凝土内部的渗水通道。因此，虽然孔隙率有所增大，但实际在7d 龄期下，桥梁混凝土的渗水高度逐渐减小，抗渗水压力则增大。

表4 混凝土渗水高度与最大抗渗水压力情况

随着养护时间延长，粉煤灰的活性效应逐渐显现，并与水泥发生二次反应，生成的产物填充了混凝土内部的渗水通道，从而大大提高桥梁混凝土的抗渗能力。当养护龄期大于28d 时，粉煤灰混凝土的渗水高度均小于14.9mm，而最大抗渗水压力则达到1MPa以上，表明桥梁混凝土的抗渗能力得到了显著提高。

随着粉煤灰掺量的增大，桥梁混凝土的抗渗能力呈现先增大后减小的变化规律。具体原因为20%～30%的粉煤灰掺量能够使桥梁混凝土的黏结强度和密实度处于最佳状态，并能使渗水通道面积最小化，从而达到最佳的抗渗效果。

2.4 抗氯离子渗透性能

图2 为混凝土抗氯离子渗透系数与粉煤灰掺量关系图。

图2 混凝土抗氯离子渗透系数变化曲线

试验结果表明，粉煤灰在不同掺量下对混凝土抗氯离子渗透性能的影响呈现出一定规律。首先，随着粉煤灰掺量的增加，桥梁混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐改善。该观察结果与混凝土内部孔隙结构的变化密切相关，粉煤灰的细微颗粒可以填充混凝土中的微观孔隙，从而减少氯离子在混凝土中扩散。其次，随着养护时间延长，粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的提升效果逐渐显现并增强。试验数据显示，当养护龄期达到84d 时，不同掺量粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数分别比基准混凝土降低了13.6%、38.3%、45.8%、33.3%，即随着时间的推移，粉煤灰的优化作用逐渐显现，并且不同掺量下的混凝土产生了明显的差异。粉煤灰早期对桥梁混凝土抗渗和抗腐蚀能力的提升幅度明显小于后期，表明粉煤灰对混凝土性能的改善作用会随着时间推移而逐渐积累、提升。同时，在实际工程中，需要充分考虑混凝土养护时间对粉煤灰影响的持久性。

3 结语

文章旨在通过对粉煤灰掺和桥梁混凝土的抗渗性能影响规律进行系统研究，探讨不同掺和下粉煤灰对混凝土孔隙结构、水化产物形成、渗透性等性能的影响机理，并通过试验验证和数值模拟分析，为推广粉煤灰在桥梁混凝土中的应用提供科学依据和技术支撑。同时，本文的研究成果对于指导工程实践、提高桥梁结构的耐久性和安全性，具有重要的理论和实用价值。