粉煤灰與礦渣復摻對灌區工程渠道混凝土力學性能的影響

王 靜

(山東省水利工程試驗中心有限公司，山東 濟南 250220)

1 工程概況

田山引黃灌區二級站位于平陰城南3.7 km青龍山西側，地處平阿山區邊緣，往東、往南山脈連綿，往北距黃河6.5 km，在此處建站，是把黃河水送往平阿山區和康王河，匯河平原的有利條件。二級泵站東山頂高程102 m，山坡1∶3左右，巖石裸露，山坡穩定，站址地面高程42.5 m，地層結構為上寒武紀鳳山組厚層灰巖。建站前附近都是農田，現在沿公路的商業、企業、學校、樓房、工廠車間、房屋建筑已與平陰縣城連成一片。灌區內多年平均降水量593.4 mm，年最大降水量1208.0 mm，最小降水量257.5 mm。對該工程渠道混凝土進行力學性能研究驗證材料穩定性。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗原材料準備

試驗用原材料主要包含水泥、粉煤灰、礦渣、細骨料以及外加劑，通過這些材料制備混凝土試件，實現材料力學性能測試。其中，水泥采用P·O 52.5水泥，該水泥基礎性能如表1所示。

粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，其具體指標如表2所示。

表2 粉煤灰材料指標性能

礦渣選取S95級?；郀t礦渣微粉，該材料密度為2.89 g/cm3，燒失量為0.5%，具有良好的應用性能，其比表面積為435 m2/kg。細骨料采用河砂，其細度模數為2.90；外加劑選取聚羧酸高性能減水劑，其減水率為30.2%。

2.2 材料制備

在制備混凝土試件時，保障膠凝材料總量為470 kg/m3，為保障水膠比為0.32，減水劑摻量為0.6%，細骨料體積率為0.33，礦渣粉摻量分別為10%、15%、20%，而粉煤灰摻量則設計四種水平，分別為8%、16%、24%以及32%，按照不同摻量形式設計混凝土試件，并采取有效方式對試件性能進行測試。

2.3 試驗方法

2.3.1 試件擴展度及其損失率測試

可通過試件的損失程度分析其性能變化狀態[1-3]，根據試件擴展度及其損失率反映其力學性能，通過坍落度桶與擴展度板測試試件的擴展度，分別測試每一組試件的初始擴展度與1 h擴展度，并對1 h擴展度的損失率進行計算，如公式(1)所示：

(1)

式中：EL為試件1 h擴展度損失率，%；E0為試件初始擴展度，mm；E1為試件1 h擴展度，mm。

2.3.2 試件含氣量損失率測試

當試件的含氣量損失率越大，說明試件的力學性能越弱。為此，本文采用日本三洋公司制造的LC-615A型混凝土含氣量測定儀，測試每一組試件的初始含氣量以及1 h含氣量，并對1 h時的含氣量損失率進行計算，如公式(2)所示：

(2)

式中：AL為試件1 h含氣量損失率，%；A0、A1分別為試件在初始狀態下與1 h狀態下含氣量，ppm。

2.3.3 抗壓、抗折性能測試

對制備完成的試件進度28 d的養護，并按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)標準，測試試件的抗壓與抗折能力。

2.3.4 抗拉、抗氯離子滲透性能測試

同樣針對養護28 d后的試件進行抗拉強度、抗氯離子滲透能力進行測試，測試過程按照標準GB/T 50082—2009完成。

3 試驗分析

3.1 擴展度損失率分析

測試不同礦渣粉摻量試件在每種粉煤灰含量下的擴展度損失率變化，以此評估試件力學性能，測試結果如圖1所示。

圖1 試件擴展度損失率

根據圖1可知，當礦渣摻量在30%時，每種試件的擴展度損失率可以保持最低，說明礦渣最佳摻量為30%；而在不同粉煤灰摻量中，當摻量較小時，即處于8%與16%時，試件的擴展度損失率處于較高水平，而當粉煤灰摻量過大，達到32%時，試件的擴展度損失率又呈現上升狀態，由此可以看出，當復摻礦渣含量在30%、粉煤灰含量在24%時，試件的擴展損失率可以處于最低水平，在該摻量下，可有效保持材料的力學性能。

3.2 含氣量損失率分析

測試每種試件的含氣量損失率，分析結果如表3所示。

表3 試件含氣量損失率

根據表3可知，當粉煤灰摻量在8%時，無論復摻多少礦渣，試件的含氣量損失率均處于最大水平，而當粉煤灰摻量達到24%時，摻入不同含量礦渣的試件含氣量損失率均達到較低水平，其中，當摻入30%的礦渣時，在24%的粉煤灰摻量下，試件的空氣量損失率僅為21.5%，在所有試件中保持最低，因此，該摻量下的試件應用效果最好。

3.3 抗壓強度測試

根據上述測試結果，選取粉煤灰摻量為24%作為后續試驗摻量。測試不同礦渣摻量下，每種試件在應用過程中的抗壓強度變化，測試結果如表4所示。

表4 試件抗壓強度

根據表4可知，當粉煤灰摻量同樣為24%時，不同礦渣摻量的試件在不同使用時間下的抗壓強度逐漸變化，隨著使用時間的增加，試件的抗壓強度逐漸下降，其中，礦渣添加量為10%的試件抗壓強度由最初的19.4 MPa逐漸下降至13.5 MPa，在三組試件中處于最低水平，而礦渣摻量為30%的試件抗壓強度明顯較高，其最初抗壓強度為24.6 MPa，當使用時間為16 d時，該組試件的抗壓強度依然可以保持在20.8 MPa，因此，30%礦渣添加量的混凝土試件具有高的抗壓強度，使其力學性能得到保障。

3.4 劈裂抗拉強度分析

同樣選取24%的粉煤灰摻量作為試驗摻量。分析不同礦渣添加量試件隨著使用時間增長下的劈裂抗拉強度變化，分析結果如圖2所示。

圖2 試件劈裂抗拉強度

隨著使用時間的增加，每種礦渣摻量的試件劈裂抗拉強度均呈現下降趨勢，其中，添加10%礦渣的試件組抗拉強度下降幅度較大，最低達到0.4 MPa左右，而添加20%礦渣的試件組抗拉強度要高于該組，同時，可以看出添加30%礦渣的試件組劈裂抗拉強度始終保持最高水平，且下降幅度平穩，最低也要保持在1.8 MPa以上，由此說明，添加30%礦渣可以有效維護試件的抗拉能力，保障試件的力學效果。

3.5 試件抗折強度分析

按照24%的粉煤灰摻量進行測試。分析每種礦渣摻量試件的抗折強度，分析結果如圖3所示。

圖3 試件抗折強度變化

由圖3可知，試件的抗折強度與劈裂抗拉強度同樣呈下降趨勢。當礦渣摻量較小時，試件的抗折性能明顯較弱，導致試件力學性能不足，當礦渣摻量增大，試件的抗折強度也有所增強，其中，添加30%含量的礦渣抗折強度最高，因此該組試件不易發生折斷問題，可以保證混凝土材料穩定。

3.6 試件抗氯離子滲透能力分析

按照24%的粉煤灰摻量進行測試。并利用電通量值評估試件抗氯離子滲透能力，當電通量越大，試件抗氯離子滲透能力越弱，則力學性能越差，分析結果如圖4所示。

圖4 試件電通量變化測試

通過圖4可以看出，隨著使用時間的增加，試件電通量也有所上升，說明之間的抗氯離子滲透能力逐漸減弱，而30%礦渣摻量的試件電通量始終呈現最小狀態，說明該組時間的抗氯離子滲透能力始終較強，可有效保障自身力學性能。

4 結 論

本文旨在研究粉煤灰與礦渣復摻對灌區工程渠道混凝土力學性能的影響，通過制備不同粉煤灰與礦渣摻量的渠道混凝土試件，并針對每種試件進行有效的性能測試。經過試驗分析來獲取試件應用后的效果，從而選取最佳復摻比例的試件。然而，本研究還存在一些不足，如試驗樣本數量較少，試驗時間較短等，因此無法完整地反映不同環境下混凝土的性能差異。未來的研究可以在現有研究成果的基礎上，進一步完善實驗設計和數據收集，以全方位獲取渠道混凝土的力學性能，為灌區工程提供更加安全可靠的材料。