花崗巖廢砂粉對水泥基材料性能影響的研究進(jìn)展

曾 昊，譚幸淼，梁超鋒

(紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，紹興 312000)

0 引 言

花崗巖廢泥漿是花崗巖在切割和加工過程中產(chǎn)生的半液體廢棄物[1]，由鋸切和拋光產(chǎn)生的石屑和用于冷卻和潤滑鋸片的水組成[2]。廢泥漿總量巨大，約占最終石材產(chǎn)品的20%～30%[3]。產(chǎn)生的廢泥漿排入沉淀池，經(jīng)過一段時間的沉淀，將表面的水抽回循環(huán)利用，將池子底部的沉淀物隨意傾倒填埋[4]。一方面沉淀物中的石屑滲入地表，阻塞地表孔隙，影響含水層的恢復(fù)和植物的壽命[5]；另一方面，沉淀物中的水分逐漸蒸發(fā)，由此產(chǎn)生的石粉懸浮于空氣中，容易被人和動物吸入，引起呼吸系統(tǒng)疾病[6-7]，極大地危害了環(huán)境和人類健康。

近年來，為了應(yīng)對這個問題，研究者們利用花崗巖廢泥漿制備花崗巖廢砂粉(granite waste sand and powder, GWSP)，包括花崗巖廢砂(granite waste sand, GWS)和花崗巖廢粉(granite waste powder, GWP)，應(yīng)用于水泥基材料，分別在取代細(xì)骨料和水泥上取得了一定的成果。本文通過總結(jié)GWSP的物理化學(xué)特性，進(jìn)而綜合評述GWSP取代細(xì)骨料和膠凝材料對水泥基材料工作性以及力學(xué)性能的影響，同時分析GWSP對水泥基材料抗?jié)B性、抗硫酸和硫酸鹽侵蝕性以及抗鋼筋銹蝕等耐久性能的影響規(guī)律和機制。本文對于今后GWSP在水泥基材料中的研究和應(yīng)用具有較好的參考價值。

1 GWSP的物理化學(xué)特性

1.1 GWSP的物理性質(zhì)

GWSP呈細(xì)長狀[8-9]，表面有棱角，且有粗糙的紋理[10]。天然細(xì)骨料表面光滑，且粒形渾圓，因此，GWSP取代細(xì)骨料可能會影響混凝土的流動性，但GWSP表面粗糙，黏結(jié)性會更好[11]。

從花崗巖加工場收集的廢泥漿含水率較高，一般先烘干至恒重[12-13]，根據(jù)取代對象的不同選擇篩分[14]或粉磨[15]。粉磨設(shè)備不同，粉磨持續(xù)的時間不同，GWSP的中值粒徑(D50)也不同。Ramos等[16]利用球磨機球磨30 min，D50為13.05 μm，而使用行星球磨機球磨10 min，D50就達(dá)到3.48 μm。Li等[17]利用球磨機球磨30 min，將D50從22.61 μm降低至16.4 μm，繼續(xù)球磨60 min，D50達(dá)到14.5 μm。

表1匯總了不同文獻(xiàn)中GWSP的基本物理性質(zhì)。從表1可見:GWSP吸水率為0.5%～15.29%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，取代細(xì)骨料時的中值粒徑為120～375 μm，細(xì)度模數(shù)為0.9～2.76；取代水泥時的中值粒徑為3.48～22.61 μm。不同文獻(xiàn)中GWSP的性能不同，這與開采時所用的破碎機類型、母巖的特性以及開采地的位置和附近的氣候條件等因素有關(guān)[18]。

表1 GWSP的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of GWSP

1.2 GWSP的化學(xué)性質(zhì)

表2匯總了不同文獻(xiàn)中GWSP的化學(xué)組成。由表2可見，不同研究者測定的GWSP主要化學(xué)成分相似，均為SiO2和Al2O3，兩者之和超過了60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中的含量和摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，與砂的成分含量接近，而GWSP中CaO含量遠(yuǎn)低于水泥中CaO含量。GWSP還含有少量的Fe2O3，除了花崗巖本身含有Fe，切割機上的金剛石鋸片在切割石塊過程中，也會產(chǎn)生鐵屑，由冷卻水沖刷至廢泥漿中。

表2 GWSP的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of GWSP

2 GWSP對水泥基材料工作性的影響

2.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料工作性的影響

Singh等[31]在水膠比為0.45的條件下，研究了GWS以10%～50%質(zhì)量取代細(xì)骨料對混凝土坍落度的影響。結(jié)果表明，混凝土坍落度隨GWS摻量的增加而減小，降低幅值為8.2%～25.0%。Singh等[32]研究了不同水膠比(0.3、0.35和0.4)條件下，摻入10%～70%GWS對高強混凝土坍落度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻有GWS的混凝土坍落度均小于基準(zhǔn)組，且隨著水膠比的增加而增加。

GWS降低混凝土坍落度是由于GWS比天然細(xì)骨料更粗糙，形狀也更加不規(guī)則，增加了骨料與水泥漿之間的摩擦，從而增加流動阻力[19]；另一方面，從表1可知，GWS比表面積和吸水率更大，增加了拌和時的需水量[6]。骨料的級配也影響坍落度，GWS細(xì)度模數(shù)小于天然細(xì)骨料，顆粒之間緊密堆積，從而減小坍落度[10]。

2.2 GWP取代水泥對水泥基材料工作性的影響

凝結(jié)時間、稠度和需水量是評價水泥基材料性能的重要指標(biāo)。Mashaly等[12]研究將10%～40%GWP取代水泥對凈漿稠度的影響，結(jié)果表明，隨著GWP取代率增加，水泥凈漿稠度增加，當(dāng)GWP取代率為40%時，稠度增加13.72%。Rashwan等[13]研究摻入10%～40%GWP對水泥凈漿凝結(jié)時間的影響，發(fā)現(xiàn)初凝時間與基準(zhǔn)組接近，終凝時間縮短11.5%～15.4%。Li等[17]摻入三種比表面積均大于水泥的GWP(比表面積分別為386 m2/kg、498 m2/kg和683 m2/kg，水泥比表面積為341 m2/kg)，結(jié)果表明，凝結(jié)時間均略大于基準(zhǔn)組，但隨著GWP比表面積增加，凝結(jié)時間縮短。摻入GWP取代部分水泥對漿體凝結(jié)具有稀釋和填充兩方面的作用。一方面，GWP取代水泥，水泥用量減少，起到稀釋作用，減少了生成的水化產(chǎn)物，進(jìn)而延緩水泥漿的凝結(jié)；另一方面，GWP起到填充作用，作為晶核將加速水化產(chǎn)物的形成，且比表面積越大，晶核效應(yīng)越顯著，進(jìn)而縮短凝結(jié)時間[33]。Medina等[5]對摻入10%和20%GWP的凈漿需水量進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)需水量分別增加2.2%和4.5%。這是由于GWP顆粒表面粗糙以及有棱角，拌和時吸收了更多的自由水填充顆粒間的空隙。

綜上所述，摻入10%～70%GWS取代細(xì)骨料降低了混凝土的坍落度。摻入10%～40%GWP取代水泥增加了稠度和需水量，縮短了凝結(jié)時間，且提高GWP的比表面積可進(jìn)一步縮短凝結(jié)時間。

3 GWSP對水泥基材料力學(xué)性能的影響

3.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料力學(xué)性能的影響

圖1 GWS取代細(xì)骨料對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.1 Effect of GWS replacing fine aggregate on the 28 d compressive strength of concrete

GWS取代細(xì)骨料對混凝土28 d抗壓強度的影響如圖1所示[10,20,31-32]。由圖1可知，混凝土28 d抗壓強度隨GWS取代率呈先增加后降低的趨勢。當(dāng)GWS摻量為5%～30%時，混凝土抗壓強度有所增加，當(dāng)摻量大于30%時，抗壓強度下降。圖2為不同GWS摻量的微觀照片，相比基準(zhǔn)組(如圖2(a)所示)，GWS摻量為25%時(如圖2(b)所示)，混凝土大孔數(shù)量顯著減少；但當(dāng)摻量達(dá)到70%時(如圖2(c)所示)，混凝土微觀結(jié)構(gòu)變得松散而多孔[10]。在低摻量時，GWS提高混凝土抗壓強度的原因可能是：GWS起到微集料效應(yīng)和微晶核效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)更加致密[34]；同時，GWS表面粗糙且形狀不規(guī)則，增強了顆粒之間的摩擦力。

當(dāng)GWS超過最優(yōu)摻量，混凝土抗壓強度降低的主要原因為：由表1可知，GWS的細(xì)度模數(shù)小于細(xì)骨料，當(dāng)GWS取代細(xì)骨料超過最優(yōu)摻量(30%)，增加了新拌混凝土中細(xì)骨料的比表面積，導(dǎo)致基體中水泥漿體相對含量減少，骨料界面黏結(jié)性能變差，從而降低了抗壓強度[22]。同時，GWS吸水率較高，摻入大摻量GWS可能導(dǎo)致水化反應(yīng)所需的水分不足，從而減少水化產(chǎn)物，導(dǎo)致強度降低[10,20]。

圖2 摻入不同摻量GWS混凝土的SEM照片[10]Fig.2 SEM images of concrete with different GWS content[10] (注：FA為細(xì)骨料，GIB為花崗巖工業(yè)副產(chǎn)品，ITZ為界面過渡區(qū))

Singh等[31]研究10%～50%GWS取代細(xì)骨料對混凝土抗折強度的影響。結(jié)果表明，水膠比為0.45時，混凝土28 d抗折強度隨著GWS摻量的增加而增加，當(dāng)摻入50%GWS時，混凝土抗折強度比基準(zhǔn)組增加10.4%。Singh等[10,32]進(jìn)一步研究了不同水膠比(0.3、0.35、0.4和0.5)條件下，摻入10%～70%GWS對混凝土抗折強度的影響。結(jié)果表明：當(dāng)水膠比為0.35和0.4時，摻入25%GWS，混凝土的抗折強度最大；當(dāng)水膠比為0.3和0.5時，摻入40%GWS，混凝土的抗折強度最大。此外，不同水膠比條件下，GWS對混凝土抗折強度的影響如表3所示。表3表明摻入10%～70%GWS的混凝土28 d抗折強度變化率為-6.1%～10.4%。

表3 不同水膠比(W/B)下GWS取代細(xì)骨料對混凝土28 d抗折強度的影響Table 3 Effect of GWS replacing fine aggregate on the 28 d flexural strength of concrete with various W/B ratios

Vijayalakshmi等[6]的研究結(jié)果表明，當(dāng)GWS摻量為10%～25%時，混凝土抗壓、抗折、抗拉強度均小于基準(zhǔn)組，且當(dāng)GWS摻量為25%時，抗壓、抗拉和抗折強度分別比基準(zhǔn)組下降11%、53%和47%。這可能是由于文中用到的GWS粒徑較小，45 μm以下的顆粒占到了31%，比表面積增大，增加了水泥漿體的用量，結(jié)構(gòu)密實度下降，從而降低強度。GWS取代細(xì)骨料的同時，復(fù)摻其他礦物摻合料和纖維可提高混凝土抗壓強度。Jain等[20]在GWS取代30%細(xì)骨料的基礎(chǔ)上，摻入30%玻璃粉取代水泥，結(jié)果表明混凝土28 d抗壓強度比基準(zhǔn)組增加32.4%，比單摻30%GWS時增加17.4%。Cheah等[22]采用60%GWS取代細(xì)骨料并復(fù)摻10%粉煤灰和40%礦渣的膠凝材料，發(fā)現(xiàn)混凝土28 d抗壓和抗折強度分別比基準(zhǔn)組增加13.3%和7.8%，超聲波脈沖速度也高于基準(zhǔn)組。這是由于礦物摻合料的填充作用和火山灰反應(yīng)，形成了更加密實的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高GWS混凝土的抗壓強度。任衛(wèi)崗等[34]的研究結(jié)果表明，將25%GWS取代細(xì)骨料，并復(fù)摻1.5%聚乙烯醇纖維制備高韌性水泥基復(fù)合材料，28 d抗壓強度也優(yōu)于單摻GWS時的混凝土強度。摻入纖維可橋接裂縫，限制裂縫發(fā)展，對混凝土有一定的約束作用。

綜上所述，當(dāng)GWS取代5%～30%細(xì)骨料，混凝土抗壓強度有所增加，當(dāng)取代率大于30%，混凝土抗壓強度下降。GWS對混凝土抗折強度的影響有一個最優(yōu)摻量，相比基準(zhǔn)組，摻入10%～70%GWS的混凝土28 d抗折強度變化率為-6.1%～10.4%。GWS取代細(xì)骨料的同時，復(fù)摻其他礦物摻合料和纖維可提高混凝土抗壓強度。

3.2 GWP取代水泥對水泥基材料力學(xué)性能的影響

GWP取代水泥對水泥基材料28 d抗壓強度的影響如圖3所示。圖3(a)表明GWP取代水泥對于水泥基材料的抗壓強度有不利影響[5,12-13,35-36]，抗壓強度隨著摻量的增加而減小。此外，摻入GWP對水泥基材料的抗折和抗拉強度也有負(fù)面的作用。Medina等[5,26]通過摻入10%和20%GWP，研究其對砂漿抗折強度的影響。結(jié)果表明，GWP砂漿抗折強度均小于基準(zhǔn)組，28 d抗折強度分別比基準(zhǔn)組下降10.1%和17.4%。這可能是由于摻入GWP后，總孔隙率和大孔體積增加。壓汞法(MIP)測試表明，GWP摻量為10%和20%的砂漿的28 d總孔隙率分別比基準(zhǔn)組增加3.4%和7.3%，大孔(>0.05 μm)體積占比分別比基準(zhǔn)組增加0.9%和2.9%[37]。Rashwan等[13]進(jìn)一步研究了摻入10%～40%GWP對混凝土劈裂抗拉強度的影響。結(jié)果表明，摻入10%GWP的抗拉強度略高于基準(zhǔn)組，當(dāng)摻量為20%～40%時，抗拉強度降低7.5%～39.6%。強度降低一方面是由于GWP的稀釋效應(yīng)分散了水泥顆粒，從而降低水化反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物減少；另一方面，隨GWP摻量的增加，水泥用量減少，骨料與水泥漿之間的黏結(jié)性變差。

圖3 GWP取代水泥對水泥基材料28 d抗壓強度的影響Fig.3 Effect of GWP replacing cement on the 28 d compressive strength of cement-based materials

但另一些研究結(jié)果表明，用適量的GWP取代水泥可提高水泥基材料抗壓強度。由圖3(b)可知，當(dāng)GWP取代率小于10%時，抗壓強度增加[23-25,38-41]，當(dāng)GWP取代率大于10%時，抗壓強度顯著下降。同時，GWP對抗拉強度的影響也存在一個最優(yōu)摻量。Taji等[41]研究了摻入5%～20%GWP對混凝土劈裂抗拉強度的影響。結(jié)果表明，摻入10%GWP，28 d抗拉強度最大，比基準(zhǔn)組增加13.6%，當(dāng)摻量大于10%時，抗拉強度低于基準(zhǔn)組，Abd Elmoaty等[25]和Ghorbani等[38]也得出類似結(jié)論。水泥基材料強度增加歸因于GWP的微集料效應(yīng)，填充了孔隙，形成致密的基體。而當(dāng)GWP取代率超過最優(yōu)摻量，GWP改善粒度分布的填充效應(yīng)將小于對水泥顆粒的稀釋效應(yīng)，使得水化產(chǎn)物的總生成量減少，從而降低強度。

一些研究者利用機械活化，復(fù)摻其他礦物摻合料和高溫蒸養(yǎng)等方式提高GWP水泥基材料的力學(xué)性能。Ramos等[16]用不同細(xì)度(D50=13.05 μm、3.48 μm)的GWP取代水泥(D50=8.09 μm)，結(jié)果表明，摻入10%中值粒徑為3.48 μm的GWP，砂漿28 d抗壓強度比摻中值粒徑為13.05 μm的GWP砂漿提高了14.8%。羅宵[36]通過摻入30%比表面積分別為283 m2/kg、390 m2/kg和485 m2/kg的GWP取代水泥(比表面積為350 m2/kg)，研究其對砂漿抗壓強度的影響。結(jié)果表明，與比表面積為283 m2/kg的GWP砂漿相比，比表面積為390 m2/kg和485 m2/kg的GWP砂漿的28 d抗壓強度分別提高了33.3%和35.7%。這表明當(dāng)摻入細(xì)度大于水泥的GWP，可提高砂漿的抗壓強度。Li等[27]發(fā)現(xiàn)將20%GWP與20%粉煤灰和10%礦粉復(fù)摻，機制砂混凝土56 d的抗壓強度高于基準(zhǔn)組。耿春冬等[42]在超高性能混凝土(UHPC)中摻入22%GWP，相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在90 ℃蒸汽、210 ℃和 2 MPa壓蒸兩種條件下分別養(yǎng)護(hù)28 d，抗壓強度分別提高了15.0%和24.1%，與何靈偉[43]的結(jié)論一致。

綜上所述，當(dāng)GWP取代水泥不超過10%可提高混凝土抗壓和抗拉強度。同時，當(dāng)GWP取代率相同的情況下，減小GWP粒徑，復(fù)摻其他礦物摻合料和采取高溫蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)等方法可在一定程度上提高水泥基材料的抗壓強度。

4 GWSP對水泥基材料耐久性的影響

4.1 GWSP對水泥基材料抗水滲透性的影響

4.1.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料抗水滲透性的影響

有害物質(zhì)一般通過水進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)中，因此抗水滲透性是影響水泥基材料耐久性的重要因素[44]。Singh等[31]通過測定試件在0.5 MPa恒定水壓下72 h內(nèi)的滲水高度，研究摻入10%～50%GWS取代細(xì)骨料對混凝土抗水滲透性的影響。結(jié)果表明，水膠比為0.45時，滲水高度均小于基準(zhǔn)組，且滲水高度隨著GWS摻量的增加呈先減小后增加的趨勢。當(dāng)GWS摻量小于30%時，滲水高度隨著摻量的增加而減小，摻量為30%時的滲水高度最小，比基準(zhǔn)組降低32.4%。當(dāng)摻量大于30%時，滲水高度增加，但即使摻量達(dá)到50%，也比基準(zhǔn)組低10.6%。滲水高度下降歸因于GWS的填充效應(yīng)，改善了孔隙結(jié)構(gòu)，提高了基體的密實度[10,45]。但隨著GWS摻量不斷增加，比表面積增加，膠結(jié)能力下降，形成微裂隙，導(dǎo)致抗水滲透性下降。Singh等[32]進(jìn)一步測試了不同水膠比(0.3、0.35和0.4)條件下，摻入10%～70%GWS混凝土的滲水高度，結(jié)果表明，三種水膠比條件下，滲水高度均小于基準(zhǔn)組，且當(dāng)GWS摻量為55%時，混凝土的滲水高度最低。Chen等[14]表明GWS取代率均為15%時，四種水膠比(0.3、0.37、0.44和0.5)條件下，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)均達(dá)到最小值。GWS復(fù)摻其他礦物摻合料可進(jìn)一步提高混凝土的抗水滲透能力。Jain等[20]在GWS取代細(xì)骨料的基礎(chǔ)上，摻入5%～30%玻璃粉取代水泥，發(fā)現(xiàn)混凝土滲水高度比基準(zhǔn)組降低6.4%～17.9%。

4.1.2 GWP取代水泥對水泥基材料抗水滲透性的影響

Medina等[37]研究了摻入10%和20%GWP取代水泥對砂漿抗水滲透性的影響。結(jié)果表明，含10%和20%GWP砂漿毛細(xì)吸水系數(shù)分別比基準(zhǔn)組增加10.3%和13.7%。Mashaly等[12]將吸水過程細(xì)分為前6 h和1～8 d兩個階段，并分別計算了兩個階段的毛細(xì)吸水系數(shù)，結(jié)果表明，水膠比為0.51時，摻入10%～40%GWP的砂漿兩階段的毛細(xì)吸水系數(shù)均大于基準(zhǔn)組，且GWP摻量為40%時，毛細(xì)吸水系數(shù)最大，第一階段和第二階段毛細(xì)吸水系數(shù)分別比基準(zhǔn)組增加33.4%和34.8%。而將GWP等體積取代水泥漿體積能提高抗?jié)B性。Li等[46]在水灰比保持0.55不變的條件下，將5%～15%GWP等體積取代水泥漿體積，含15%GWP的砂漿第一階段和第二階段毛細(xì)吸水系數(shù)分別比基準(zhǔn)組減少71.2%和67.7%。

綜上所述，摻入10%～70%GWS取代細(xì)骨料可降低混凝土的滲水高度。而摻入10%～40%GWP取代水泥對砂漿毛細(xì)吸水性能有不利影響。

4.2 GWSP對水泥基材料抗氯離子滲透性的影響

4.2.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料抗氯離子滲透性的影響

氯離子侵蝕會破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕[47]。Jain等[20]用電通量法測定摻入10%～50%GWS取代細(xì)骨料混凝土的電通量值。結(jié)果表明：當(dāng)摻量小于30%時，10 h電通量值均小于基準(zhǔn)組；當(dāng)摻量為30%時，電通量值最小，比基準(zhǔn)組下降44.2%；當(dāng)摻量大于30%時，電通量值均大于基準(zhǔn)組。Singh等[10]測定了10%～70%GWP混凝土的氯離子滲透深度，結(jié)果表明：當(dāng)摻量小于25%時，28 d、56 d和90 d的氯離子滲透深度均小于基準(zhǔn)組；當(dāng)摻量大于25%時，氯離子滲透深度增加。Vijayalakshmi等[6]結(jié)果表明，當(dāng)GWS摻量超過15%時，氯離子滲透性增加，電通量超過1 500 C，GWS摻量為25%的混凝土365 d電通量值比基準(zhǔn)組增加2.3倍。

4.2.2 GWP取代水泥對水泥基材料抗氯離子滲透性的影響

Rashwan等[13]測試了摻入10%～40%GWP取代水泥的混凝土的電通量值。結(jié)果表明，當(dāng)水膠比為0.41時，含GWP混凝土的電通量值均大于基準(zhǔn)組，且電通量值隨著摻量的增加而增加，摻量為40%時，電通量值比基準(zhǔn)組增加17.7%。這歸因于水泥用量減少，形成多孔的松散結(jié)構(gòu)，氯離子更容易侵入。當(dāng)GWP復(fù)摻其他礦物摻合料，可提高混凝土的抗氯離子滲透性。Aarthi等[9]在含5%～20%GWP自密實混凝土中復(fù)摻25%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)混凝土90 d的電通量值比基準(zhǔn)組下降了3.34%～44.15%。趙井輝[48]也證實雙摻15%粉煤灰和15%GWP能進(jìn)一步減小混凝土的氯離子擴散系數(shù)。提高GWP的細(xì)度有利于提高GWP混凝土抗氯離子滲透性。Ramos等[16]用中值粒徑分別為3.48 μm和13.05 μm的GWP替代中值粒徑為8.09 μm的水泥，結(jié)果表明：摻入5%和10%中值粒徑為13.05 μm的GWP，砂漿的氯離子擴散系數(shù)分別比基準(zhǔn)組增加22.1%和14.6%；而摻入相同摻量但中值粒徑為3.48 μm的GWP，砂漿的氯離子擴散系數(shù)分別比基準(zhǔn)組下降了66.6%和69.6%。

綜上所述，GWS替代天然細(xì)骨料對混凝土抗氯離子滲透性的影響存在一個最優(yōu)摻量。當(dāng)GWS取代細(xì)骨料摻量小于30%時，摻入GWS可提高混凝土的抗氯離子滲透能力。當(dāng)摻入10%～40%GWP取代水泥時，對混凝土抗氯離子滲透性有不利影響，但通過復(fù)摻其他礦物摻合料和提高GWP細(xì)度在一定程度上提高了水泥基材料的抗氯離子滲透性。

4.3 GWSP對水泥基材料抗硫酸侵蝕的影響

4.3.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料抗硫酸侵蝕的影響

Jain等[20]發(fā)現(xiàn)，將GWS混凝土(細(xì)骨料取代率為10%～50%)浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硫酸溶液中84 d，其強度損失率先減小后增大。GWS摻量為30%時，強度損失率最小，比基準(zhǔn)組下降11.3%。摻入GWS可提高混凝土抗硫酸侵蝕能力，一方面是由于GWS顆粒的棱角和粗糙的表面紋理有助于與膠凝材料黏結(jié)；另一方面是GWS具有良好的填充效應(yīng)，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的致密性。當(dāng)GWS摻量超過最優(yōu)摻量，混凝土抗硫酸侵蝕能力下降。這可能歸因于較高取代率下，結(jié)構(gòu)變得松散多孔。Singh等[10,49]研究了不同水膠比(0.3，0.4和0.5)下，摻入10%～70%GWS對混凝土抗硫酸侵蝕性能的影響。結(jié)果表明，三種水膠比條件下，GWS摻量為25%時，混凝土的強度損失率和質(zhì)量損失率最小，均小于基準(zhǔn)組。

4.3.2 GWP取代水泥對水泥基材料抗硫酸侵蝕的影響

Ghorbani等[38]將GWP取代水泥的混凝土在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸溶液中浸泡91 d，結(jié)果表明，GWP摻量為5%～20%時，混凝土的質(zhì)量損失率均小于基準(zhǔn)組，且隨摻量的增加而減小；當(dāng)GWP摻量為20%時，混凝土的質(zhì)量損失率最小，比基準(zhǔn)組降低26.5%。這是由于隨著GWP取代率增加，水泥用量減少，生成的CH減少，故硫酸與之反應(yīng)生成的石膏減少，進(jìn)而抑制了易引起膨脹破壞的鈣礬石的生成。Rashwan等[13]也得出改善混凝土抗硫酸侵蝕性能的GWP最優(yōu)摻量是20%，此時的混凝土強度損失率最小，比基準(zhǔn)組減小41.6%；當(dāng)GWP摻量大于20%時，混凝土強度損失率隨摻量增加而增加，但仍小于基準(zhǔn)組。當(dāng)GWP摻量超過最優(yōu)摻量，強度損失率開始增加是因為隨著GWP摻量增加，比表面積增加，形成松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Aarthi等[9]研究發(fā)現(xiàn)在摻有GWP的自密實混凝土中加入聚酯纖維可進(jìn)一步降低硫酸侵蝕后的質(zhì)量損失率，但不能降低強度損失率。

綜上所述，摻入10%～70%GWS替代細(xì)骨料，對于混凝土抗硫酸侵蝕的影響存在一個最優(yōu)摻量。當(dāng)GWP取代水泥摻量小于20%，有利于混凝土抵抗硫酸侵蝕。

4.4 GWSP對水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕的影響

4.4.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕的影響

Jain等[20]以10%～50%GWS替代細(xì)骨料，研究其對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響。結(jié)果表明，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaSO4溶液中浸泡84 d，混凝土強度損失率隨GWS摻量增加先減小后增加；當(dāng)GWS摻量小于30%，混凝土強度損失率均小于基準(zhǔn)組，且摻量為30%時，混凝土強度損失率最小(37.85%)，略小于基準(zhǔn)組；當(dāng)GWS摻量大于30%，混凝土強度損失率大于基準(zhǔn)組。而Vijayalakshmi等[6]認(rèn)為摻入5%～25%GWS對混凝土的抗硫酸鹽性能有不利的影響。試驗結(jié)果表明，在NaSO4和MgSO4的混合溶液中浸泡365 d，混凝土強度損失率隨GWS摻量增加而增加，GWS摻量為25%時，混凝土強度損失率比基準(zhǔn)組增加64.3%。這可能是由于該文中用到的GWS來源廠家在鋸切和拋光花崗巖石材過程中使用了含硫的潤滑劑，而鋸切產(chǎn)生的大量熱量將硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫，混合在GWS中。這些硫離子的存在增加了NaSO4和MgSO4溶液中的硫酸鹽濃度，并增強了鈣礬石的形成，從而導(dǎo)致混凝土的劣化。

4.4.2 GWP取代水泥對水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕的影響

Aarthi等[9]研究了摻入5%～20%GWP取代水泥對自密實混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響。結(jié)果表明，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaSO4溶液中浸泡120 d，混凝土強度損失率均小于基準(zhǔn)組，且隨摻量的增加而減小，摻量為20%，強度損失率最小。Shamsabadi等[24]通過摻入5%～40%GWP，研究其對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能，結(jié)果表明，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaSO4溶液中浸泡180 d，混凝土強度損失率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)GWP摻量小于20%，強度損失率均小于基準(zhǔn)組；GWP摻量為20%時，混凝土強度損失率最小，比基準(zhǔn)組減小38.5%；當(dāng)摻量大于20%，混凝土強度損失率隨摻量增加而增加，且摻量為40%時，混凝土強度損失率略大于基準(zhǔn)組，而加入減水劑可降低混凝土強度損失率。Mashaly等[12]研究表明，在硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合作用下，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)15次時，砂漿強度損失率隨GWP摻量(10%～40%)增加先減小后增大；GWP摻量為10%時，砂漿的強度損失率最小，比基準(zhǔn)組下降22%。GWP砂漿質(zhì)量增加率與基準(zhǔn)組接近，這和文獻(xiàn)[50]的結(jié)論類似。這是由于GWP的填充效應(yīng)，降低了孔的連通性，提高了結(jié)構(gòu)的密實度，在一定程度上抑制了硫酸鹽的侵入。但當(dāng)GWP超過最佳摻量，水泥用量減少，水化產(chǎn)物減少，從而使水泥基體疏松而多孔。

綜上所述，GWS取代細(xì)骨料時，摻量小于30%可提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；GWP取代水泥時，摻量小于20%可提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

4.5 GWSP對水泥基材料抗鋼筋銹蝕的影響

4.5.1 GWS取代細(xì)骨料對水泥基材料抗鋼筋銹蝕的影響

Singh等[10,32]利用宏電流和半電池電位法研究不同水膠比(0.3、0.35、0.4和0.5)條件下，GWS(細(xì)骨料取代率為10%～70%)對混凝土鋼筋銹蝕的影響。結(jié)果表明：在相同的銹蝕齡期下，當(dāng)GWS摻量小于40%時，腐蝕電流與基準(zhǔn)組接近；當(dāng)GWS摻量大于40%時，混凝土具有更高的腐蝕電流、半電池電位絕對值和腐蝕速率。

4.5.2 GWP取代水泥對水泥基材料抗鋼筋銹蝕的影響

Ghorbani等[23]研究了摻入GWP取代水泥對混凝土開路電位的影響。結(jié)果表明：基準(zhǔn)組中的鋼筋在43 d時基本處于腐蝕狀態(tài)；GWP摻量為10%時，混凝土中的鋼筋在92 d時在腐蝕和不確定狀態(tài)波動；GWP摻量為20%時，混凝土鋼筋在92 d時仍未出現(xiàn)腐蝕狀態(tài)。這表明摻入GWP可延長混凝土中鋼筋的初始腐蝕時間。通過交流阻抗測試可得到等效電路的電荷遷移電阻，試驗結(jié)果表明，GWP摻量為20%的混凝土在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中侵蝕90 d，其電荷遷移電阻為基準(zhǔn)組的1.8倍，這表明摻入GWP顯著增大了有害離子遷移到鋼筋表面的阻力。這是由于當(dāng)GWP的粒徑比水泥更細(xì)時，摻入GWP可充分發(fā)揮其微集料填充效應(yīng)，降低孔隙率和滲透性，從而降低氯離子滲透的速度，減緩鋼筋銹蝕[41]。文獻(xiàn)[38]進(jìn)一步對比了GWP混凝土浸泡在H2SO4和NaCl溶液中的鋼筋銹蝕結(jié)果，發(fā)現(xiàn)摻入5%～20%GWP可延長混凝土中鋼筋的初始腐蝕時間。Elmoaty[25]發(fā)現(xiàn)，摻入5.0%GWP延遲了混凝土鋼筋銹蝕導(dǎo)致的第一條裂縫出現(xiàn)的時間，并且當(dāng)摻量大于5.0%時，第一條銹蝕裂縫出現(xiàn)的時間沒有明顯變化。

綜上所述，GWS取代細(xì)骨料時，對于混凝土抵抗鋼筋銹蝕的影響存在一個最優(yōu)摻量為40%。而當(dāng)GWP取代水泥，取代率小于20%時，可提高混凝土的抗鋼筋銹蝕能力。

5 結(jié)語與展望

通過對國內(nèi)外GWSP取代細(xì)骨料和膠凝材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和總結(jié)，得出：

(1)GWSP中SiO2和Al2O3含量較高，CaO含量較低，取代細(xì)骨料時的細(xì)度模數(shù)范圍為0.9～2.76，取代水泥時的中值粒徑范圍為3.48～22.61 μm。

(2)當(dāng)GWS取代細(xì)骨料，取代率為10%～70%時，降低了混凝土的坍落度。取代率為5%～30%時，混凝土抗壓強度有所增加，當(dāng)取代率大于30%，混凝土抗壓強度下降，但通過復(fù)摻其他礦物摻合料和纖維可適當(dāng)提高混凝土抗壓強度。摻入10%～70%GWS可降低混凝土的滲水高度，而對于抗硫酸侵蝕性能存在一個最優(yōu)摻量。當(dāng)GWS摻量小于30%，可提高混凝土的抗氯離子滲透能力和抗硫酸鹽侵蝕性能。GWS對于混凝土抵抗鋼筋銹蝕的影響存在一個最優(yōu)摻量為40%。因此，建議GWS取代細(xì)骨料時的取代率不超過30%，可提高GWS混凝土的綜合性能。

(3)當(dāng)GWP取代水泥，取代率為10%～40%時，增加了稠度和需水量，縮短了凝結(jié)時間，且提高GWP的比表面積可進(jìn)一步縮短凝結(jié)時間。當(dāng)取代率不超過10%時，可提高混凝土抗壓和抗拉強度，且在GWP取代率相同的情況下，減小GWP粒徑，復(fù)摻其他礦物摻合料和采取高溫蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)等方法可進(jìn)一步提高水泥基材料的抗壓強度。摻入10%～40%GWP時，對水泥基材料的毛細(xì)吸水性能和抗氯離子滲透性有不利影響。當(dāng)GWP摻量小于20%時，可提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕、抗硫酸侵蝕和抗鋼筋銹蝕能力。

基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，為推進(jìn)GWP的規(guī)?；こ虘?yīng)用，仍需加強以下問題研究：

(1)GWSP對水泥基材料耐久性的研究主要包括抗?jié)B性、抗酸性、抗硫酸鹽侵蝕性以及抗鋼筋銹蝕等性能，而對水泥基材料的抗碳化、干燥收縮和抗凍融等其他耐久性能的影響以及機理缺乏研究。

(2)復(fù)摻其他礦物摻合料、纖維、提高GWP細(xì)度以及高溫蒸養(yǎng)等方式可提高GWP水泥基材料的性能，而對于這些活性激發(fā)方式的研究主要集中在宏觀性能階段，相關(guān)微觀作用機制還有待進(jìn)一步探究。