礦物摻合量對(duì)水工混凝土物理學(xué)性能影響研究

王 藍(lán)

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 昌吉 831100)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)于建筑材料的要求也越來越高，如何在保障工程安全穩(wěn)定的前提下，提高資源的綜合利用效率，對(duì)于工程而言具有重要意義。由于在生產(chǎn)建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄礦物，不僅占用很多土地資源，還在一定程度上對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，因此，研究廢棄礦物的合理處置和利用非常有必要[1- 4]。

水利工程建設(shè)需要用到大量的混凝土，這對(duì)于廢棄礦物的回收利用而言具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ恍┕こ探ㄔO(shè)者、技術(shù)研究者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。林育強(qiáng)等研究了磷渣粉和粉煤灰對(duì)于膠凝材料以及水工混凝土新能的影響，認(rèn)為磷渣粉對(duì)于水工混凝土而言能極大提高抗?jié)B、抗凍性能，可替代粉煤灰在水利工程建設(shè)當(dāng)中的作用[5]。饒美娟等開展了石灰石粉對(duì)水工混凝土宏觀力學(xué)行為及微觀物理性質(zhì)的影響，并總結(jié)了合理的配合比設(shè)計(jì)[6]。張俊芝等對(duì)水工混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)變模型進(jìn)行了探討[7]。嚴(yán)捍東等對(duì)水膠比為0.50、粉煤灰摻量在0%～55%范圍內(nèi)的高摻量粉煤灰水工混凝土的氣泡參數(shù)和抗凍性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為高抗凍混凝土的氣泡間距必須小于0.25mm這一規(guī)定是不適用的[8]。周立霞，張粉芹等對(duì)礦物摻合料對(duì)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和新能進(jìn)行了分析，認(rèn)為礦物摻料對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的細(xì)化和優(yōu)化即有明顯的提高作用[9- 10]。

本文基于研究經(jīng)驗(yàn)，開展了巖石粉、粉煤灰、煤矸石等多種礦物摻料在單摻或者雙摻情況下的宏觀及微觀物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，豐富了前人研究成果，為廢棄礦物在水利工程當(dāng)中的利用提供了試驗(yàn)及理論支撐。

1 抗侵蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

1.1 配合比設(shè)計(jì)

為了對(duì)比分析廢棄礦物含量對(duì)水工混凝土抗氯離子侵蝕的影響規(guī)律，需要保證除礦物含量變化外，其余參數(shù)盡量保持一致。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比及試驗(yàn)配合比情況，具體的配合比情況見表1。

表1 配合比設(shè)計(jì) 單位:kg

1.2 抗侵蝕結(jié)果分析

采用RCM測(cè)試方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)了28d后的各試驗(yàn)配合比下的混凝土試件進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，當(dāng)用廢棄礦物代替水泥膠凝材料時(shí)，隨著摻量的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈先減后增，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)V物摻加量較小時(shí)，礦物可以對(duì)在混凝土內(nèi)部起到填充和密實(shí)的作用，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率，進(jìn)而提高混凝土的抗?jié)B性能；但是，當(dāng)摻加量超過某一含量時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)又開始增加，這主要是由于水泥被礦物替代后，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物已不能夠保證內(nèi)部具有足夠的物理固化作用對(duì)混凝土試件的氯離子進(jìn)行固化(即固化作用明顯降低)，因而氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著礦物含量的增加而增加；從圖中還可以看出，在相同摻量下，礦物對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響能力為：煤矸石>花崗巖>雙摻材料>粉煤灰，即在同一含量下，煤矸石的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，粉煤灰的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大。

圖1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)與礦物摻量關(guān)系

2 抗碳化試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

抗碳化試驗(yàn)所用的配合比與抗侵蝕時(shí)一致?？固蓟囼?yàn)主要通過快速碳化試驗(yàn)方法，即利用CO2環(huán)境下混凝土在特定養(yǎng)護(hù)齡期下的碳化程度，主要用到的實(shí)驗(yàn)儀器有:碳化箱、CO2供氣設(shè)施、1%的乙醇溶液、鋼尺、劈裂裝置等?？捎脙绾瘮?shù)關(guān)系來表示碳化程度與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系：

d=α·xβ

(1)

式中，d—碳化深度，mm;α—碳化性能影響系數(shù)；x—養(yǎng)護(hù)齡期；β—碳化速率影響因子。

2.2 抗碳化結(jié)果分析

廢棄礦物(以花崗巖為例)粉各摻量下在不同養(yǎng)護(hù)齡期后的碳化深度如圖2所示。從圖2可以看出，添加廢棄礦物后的碳化深度明顯地要大于基準(zhǔn)試驗(yàn)組，表明添加礦物會(huì)在一定程度上降低混凝土的抗碳化性能，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，礦物添加量越多，混凝土的碳化深度越大；在同一摻量下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，碳化深度很好地符合了冪函數(shù)型的變化關(guān)系。

不同礦物組別在28d養(yǎng)護(hù)齡期下的碳化深度對(duì)比如圖3所示。圖3表明：四種礦物組合下的碳化深度均是隨添加量的增加而增大，這是因?yàn)樗啾坏V物代替后，一方面會(huì)使試件內(nèi)部保留更多的自由水，給CO2的侵蝕提供了便捷通道，同時(shí)也會(huì)使試件內(nèi)的堿儲(chǔ)備量降低，由于在二氧化碳含量一定時(shí)，混凝土的碳化深度因堿含量的增加而降低，因此與添加量呈正相關(guān)關(guān)系；在相同添加量下，礦物對(duì)混凝土抗碳化能力與抗氯離子侵蝕相反，即粉煤灰>雙摻材料>花崗巖>煤矸石。

圖2 碳化深度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

圖3 碳化深度與礦物組別關(guān)系

3 對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響分析

采用壓汞法對(duì)混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，即測(cè)試水銀在一定壓力下壓入混凝土試件的體積量來判定混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)廢棄礦物摻合量為5%、10%、15%、20%、25%、30%六種。在同一壓力下，不同礦物組合在不同摻合比下注汞量的對(duì)比曲線如圖4所示。從圖4曲線的變化趨勢(shì)可以看到，四種礦物對(duì)于注汞量的影響距有先減小后增大的趨勢(shì)，這與氯離子擴(kuò)散系數(shù)表現(xiàn)一致，表明了混凝土試件內(nèi)部經(jīng)歷了孔隙率從降低到增大，連通數(shù)和孔徑從減少到增多的過程。對(duì)比四種礦物下的注漿量，花崗巖和煤矸石的平均注汞

量要明顯小于其余兩種組別，特別是當(dāng)摻合比大于10%以后，更加明顯，當(dāng)摻和比達(dá)到20%時(shí)，花崗巖和煤矸石注汞量最小，表明在此配合比下，混凝土的抗?jié)B性和耐久性更佳。

圖4 注汞量與摻合比關(guān)系

4 結(jié)論

礦物種類和摻合量對(duì)于水工混凝土的物理力學(xué)性能具有重要的影響，通過研究花崗巖石粉、粉煤灰、煤矸石粉在單摻和雙摻情況下的抗氯離子侵蝕、抗碳化能力以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征認(rèn)為：花崗巖和煤矸石對(duì)于水工混凝土抗?jié)B及耐久性等方面的影響更為顯著，可以像粉煤灰等一樣，作為水工混凝土的摻合料，在合理配合比下，既能提高混凝土性能，又能解決廢棄礦物的存儲(chǔ)難題，可為工程建設(shè)領(lǐng)域提供新的發(fā)展思路。

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