粉煤灰在抗渗混凝土中的应用研究

1原材料

(1)水泥：试验采用福州台泥水泥有限公司生产的符合标准GB175–2007《通用硅酸盐水泥》中P・O42.5级技术要求的水泥,其性能见表1。

(2)粉煤灰：采用福州丝绸之路贸易有限公司生中的粉煤灰》中F・I级和F・II级技术要求的粉煤灰，其产的符合标准GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土性能见表2。

(3)细骨料：采用天然砂与机制砂组成的混合砂，掺配比例为天然砂：机制砂=4：6,符合标准GB/T14684-2011《建设用砂》中的规定,其性能见表3。

(4)粗骨料：采用5〜31.5mm连续级配碎石，其性能见表4。

(5)减水剂：采用湖北山树风建材科技有限公司生产的型号为SSF-4000B的缓凝型聚竣酸高性能减水剂，其性能见表5。

(6)拌合用水：采用实验室自来水,其性能见表6。

2试验方案及方法

2.1试验方案

试验依据标准JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行抗渗混凝土配合比设计,基准组混凝土采用纯水泥混凝土，对比组混凝土在保持基准混凝土配合比不变的情况下,分别用F・I级和F・II级粉煤灰等质量取代水泥,取代量分别为胶凝材料用量的10%、20%,30%,40%和50%。

2.2试验方法

新拌混凝土拌合物工作性能评价参照SL/T352-2020《水工混凝土试验规程》进行。混凝土抗压强度试验参照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行,试验试件采用边长为100mm的立方体试块,养护条件为温度(20±2)℃，相对湿度＞95%,养护龄期为7d、28d和56d。混凝土抗渗试验参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》行,采用的是渗水高度法，养护龄期为28d。

3试验结果及分析

混凝土配合比和拌合物和易性评价见表7。

3.1对混凝土拌合物工作性能的影响

粉煤灰掺量和种类对混凝土坍落度的影响如图1所示。

新拌混凝土拌合物的工作性能评定通常是采用测定混凝土拌合物的坍落度,以观察流动性,再辅以其他手段如目视、插捣等对黏聚性和保水性做综合评价。

由图1可知，采用F・I级粉煤灰拌制的混凝土坍落度均大于基准混凝土，而采用F•II级粉煤灰拌制的混凝土，坍落度随着掺量增大呈现先增大后减小的趋势,且当掺量≥30%时，坍落度小于基准混凝土。分析原因如下：①粉煤灰的“形态效应”叫粉煤灰中含有大量粒型完整、表面光滑、质地致密的玻璃微珠，玻璃微珠的加入，可以减少新拌混凝土中各材料间的摩擦系数,从而提高水泥浆体的流动性。②粉煤灰的“微集料效应”叫粉煤灰中细小颗粒夹杂在水泥颗粒之间，使水泥颗粒间的孔隙水释放出来，表层水增多，可增大有效拌合水,因此掺入适量的粉煤灰有利于提升混凝土坍落度。③F・II级粉煤灰的烧失量较高,较大的烧失量会增加粉煤灰的需水量比,并且对减水剂的吸附增强,减弱减水剂的效。因此，当F・II级粉煤灰的掺量≥30%时,其坍落度较基准混凝土减小。

对于和易性评价结果（见表7）的分析原因如下：①当F・I级粉煤灰掺量≤30%时,混凝土的和易性相比基准组混凝土有所改善。这是由于粉煤灰的“形态效应”和“微集料效应”的双重作用，适量的粉煤灰可以改善混凝土拌合物的流变性质，当掺量＞30%时,混凝土拌合物的黏聚性降低,而且能观察到粗骨料上浮,浆体下沉。这是由于随着粉煤灰掺量增大,浆体中有着大量玻璃微珠，使其变得极度光滑，又因为粉煤灰的“形态效应”可以使新拌混凝土中各材料间的摩擦系数减小，导致其包裹骨料的能力变差注从而造成粗骨料上浮，浆体下沉。②相比较F・I级粉煤灰,F・II级粉煤灰掺量≤20%时,混凝土拌合物和易性有所改善,但当掺量＞20%时,混凝土拌合物流动度急剧变差,黏度增大，插捣困难。这是由于粉煤灰密度小于水泥,当粉煤灰等质量取代水泥后,胶凝材料的总表面积增大,加水后的浆体会形成难以分散的絮凝结构问，其流动性受到极大影响,且由于F•II级粉煤灰的润滑及分散能力较弱,在用水量和减水剂掺量不变的情况下,混凝土浆体变得黏稠，插捣困难。

3.2对混凝土力学性能的影响

粉煤灰掺量和种类对混凝土7d、28d和56d抗压强度的影响如图2所示。

由图2可知，当养护龄期为7d、28d时,对比组混凝土抗压强度低于基准组,且抗压强度与粉煤灰掺量呈线性衰减趋势。当养护龄期为56d时,随着粉煤灰掺量增加,混凝土抗压强度呈现先增大后减小的趋势,当掺量为20%时，混凝土的抗压强度最大。且采用F・I级粉煤灰拌制的混凝土抗压强度均大于采用F•II级粉煤灰拌制的混凝土。出现上述现象的原因分析如下：①掺入粉煤灰后,胶凝体系中的水泥含量减少,能够参与早期水化的水泥熟料也减少，没有足够的水化产物提供早期强度。②粉煤灰的“火山灰效应”随着龄期的增长逐渐发挥作用,“火山灰效应”即水泥熟料成分遇水反应后生成的Ca(OH)₂能够与粉煤灰中的活性Si₂和Al₂O₃发生化学反应，生成大量水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）等水硬性物质，这些物质有利于提升混凝土后期的抗压强度。③F・I级粉煤灰细度小于F•II级粉煤灰，粉煤灰的颗粒越细代表着比表面积越大，其二次水化反应就会更加充分叫因此，掺入F•I级粉煤灰的混凝土在强度增长上更有利。

3.3对混凝土抗渗性能的影响

粉煤灰掺量和种类对混凝土渗水高度的影响如图3所示。

由图3可知，当粉煤灰掺量为20%时,混凝土的渗水高度最小，即抗渗能力最好;当掺量＞20%,混凝土抗渗能力逐渐降低。混凝土发生渗水的原因在于混凝土内部的孔隙互相连接形成一条连通的通道,而造成这些孔隙的原因有很多，如混凝土内部水分蒸发等。而提升混凝土抗渗性能的根本在于如何让混凝土更加密实，当混凝土中由于粉煤灰的存在，粉煤灰掺量越大,其水泥水化产物便越少,水化产物不足以填满混凝土的内部孔隙,造成混凝土内部孔隙率偏大，对其抗渗性能不利。但是，同时也不能忽视粉煤灰的“微集料效应”，其效应能够使得粉煤灰中的细小颗粒与水泥可以形成良好的级配关系，混凝土的内部结构得到完善，减少混凝土内部的毛细孔通道，提升对比组混凝土的致密性叫因此当掺量为20%时，水泥与粉煤灰的搭配比例最佳,粉煤灰给混凝土抗渗性能的提升最大,如果掺量＞20%,粉煤灰的“微集料效应”不足以弥补水泥水化产物减少造成的混凝土内部孔隙偏大的问题。

4结论

(1)适量的粉煤灰可以改善混凝土的和易性。当掺量为20%时，混凝土的和易性最好,当掺量>30%时混凝土的和易性会受到较大影响。

(2)粉煤灰对混凝土不同龄期的强度影响也不同,当龄期为7d和28d时,粉煤灰掺量越高,混凝土抗压强度越低;当龄期为56d时，混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量增加呈现先增大后下降的趋势,当掺量为20%时，混凝土抗压强度最高。

(4)适量的粉煤灰能提高混凝土的抗渗性能，随着粉煤灰掺量的增加呈现先减小后增大的趋势，当掺量为20%时,混凝土抗渗能力最好。

(5)综上，采用粉煤灰拌制抗渗混凝土时最优掺量为20%。