石粉摻量和細(xì)度對(duì)水工混凝土耐久性能影響試驗(yàn)研究

楊詞范

(九江市科翔水利工程監(jiān)理有限公司，江西 九江 332000)

在礦山開(kāi)采和石材加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的花崗巖石粉，這些石粉沒(méi)有得到合理利用而被大量遺棄，不僅占用了大量土地資源，還破壞了生態(tài)環(huán)境，給周圍農(nóng)作物生長(zhǎng)帶來(lái)諸多影響，因此有必要通過(guò)一定的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)花崗巖石粉的資源化利用[1]。

水利工程是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，自1949年以來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展水利事業(yè)，目前已取得巨大的成效，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行之后，很多水工建筑物混凝土均出現(xiàn)了開(kāi)裂、銹蝕、滲漏等現(xiàn)象[2- 3]，“北凍南銹”成為我國(guó)水工混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，因此有必要對(duì)水工混凝土的耐久性展開(kāi)研究，如果能將花崗巖石粉利用到改良混凝土耐久性上，更是可以起到一舉兩得的效果，目前，已有一些關(guān)于花崗巖石粉改良混凝土性能的研究[4- 9]，但一般還是集中于石粉摻量上，很少有針對(duì)石粉細(xì)度和摻量耦合作用的研究。

鑒于此，文章開(kāi)展了不同細(xì)度花崗巖石粉摻量下水工混凝土耐久性對(duì)比試驗(yàn)，以期能為提升水工混凝土長(zhǎng)期耐久性提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

花崗巖石粉：主要化學(xué)成分為SiO2(67.3%)和Al2O3(15.9%)，平均密度為2650kg/m3，平均燒失量為0.61%；細(xì)度水平Ⅰ(0～150um)的平均粒徑為19.38um，比表面積為387m2/kg，28d活性指數(shù)為65.5%；細(xì)度水平Ⅱ(0～80um)平均粒徑為9um，比表面積為824m2/kg，活性指數(shù)為69.2%。

水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝和終凝時(shí)間分別為180min和230min，28d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為45.9MPa和8.4MPa，平均比表面積為343m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26%。

骨料：細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8(中砂)，平均密度為2700kg/m3，含泥量為1.2%；粗骨料為5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，平均密度為2675kg/m3，含泥量為2%。

減水劑：FDN-C萘系高效減水劑，減水率為27%。

水：實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用質(zhì)量比法和外摻方式，即花崗巖石粉(細(xì)度水平Ⅰ和Ⅱ)按照5%、7.5%、10%、12.5%、15%、20%、25%、30%的水泥質(zhì)量作為添加劑摻入，不改變?cè)兴せ炷恋某跏寂浜媳?，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)配比方案 單位：Ag/m3

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

耐久性試驗(yàn)包括抗?jié)B性能試驗(yàn)、抗氯離子侵蝕試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)和抗碳化性能試驗(yàn)。抗?jié)B性能采用1MPa恒壓24h的滲水高度來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)值，抗氯離子侵蝕采用NJ-RCM型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀(快速氯離子遷移系數(shù)法)進(jìn)行測(cè)試，抗凍試驗(yàn)采用快速凍融法，抗碳化性能采用NJ-HTX型混凝土碳化試驗(yàn)箱進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗?jié)B性能

不同細(xì)度水平花崗巖石粉在不同外摻情況下的滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可知：在相同細(xì)度水平下，花崗巖石粉外摻水工混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)呈先減小后增大的變化特征；在細(xì)度水平Ⅰ情況下，當(dāng)外摻量達(dá)到25%時(shí)，混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)最小，僅為0.96×10-7cm/h，在細(xì)度水平Ⅱ情況下，當(dāng)外摻量達(dá)到20%時(shí)，混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)最小，也為0.96×10-7cm/h，與基準(zhǔn)試驗(yàn)A組相比，摻入花崗巖石粉后，可以使混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)最大降低，約為58.3%；在外摻方式下，并未減少混凝土中水泥用量，因而水化反應(yīng)產(chǎn)物并未減少，花崗巖石粉主要還是充當(dāng)填充料的作用，可以對(duì)混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，使水泥石和膠結(jié)界面結(jié)構(gòu)更加致密，因而滲透系數(shù)減小，且粒徑越小的花崗巖石粉填充效應(yīng)越顯著，對(duì)滲透性的改良效果更好，但是當(dāng)摻量超過(guò)一定比例后，由于花崗巖石粉具有很強(qiáng)的吸水性，會(huì)造成水化反應(yīng)所需的水量不足，從而導(dǎo)致混凝土中水化產(chǎn)物減少，骨料之間黏結(jié)作用減弱，從而使得在水壓作用下更容易形成孔隙，導(dǎo)致抗?jié)B性明顯降低。

圖1 花崗巖石粉對(duì)水工混凝土抗?jié)B性的影響

2.2 抗氯離子侵蝕性能

不同細(xì)度水平花崗巖石粉在不同外摻情況下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知：隨著花崗巖石粉含量的增加，水工混凝土的抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈先減小后增大的變化特征，當(dāng)花崗巖石粉摻量小于20%時(shí)，外摻細(xì)度水平Ⅰ的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)大于外摻細(xì)度水平Ⅱ的混凝土，當(dāng)花崗巖石粉摻量大于20%后，外摻細(xì)度水平Ⅱ的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)大于外摻細(xì)度水平Ⅰ的混凝土，外摻細(xì)度水平Ⅰ的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)在花崗巖石粉外摻量為20%時(shí)達(dá)到最小值5.8×10-12cm2/s，外摻細(xì)度水平Ⅱ的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)在花崗巖石粉外摻量為15%時(shí)達(dá)到最小值6.0×10-12cm2/s，分別較基準(zhǔn)試驗(yàn)A組降低21.6%和18.9%。細(xì)度Ⅱ的花崗巖石粉較細(xì)度Ⅰ的比表面積大得多，可以吸收更多的自由水，起到分散膠凝材料和水化產(chǎn)物的作用，同時(shí)可以大大增加吸附氯離子的面積，降低孔隙溶液中自由氯離子的含量，但是當(dāng)摻量超過(guò)一定值后，會(huì)導(dǎo)致混凝土水化反應(yīng)不充分，反而會(huì)增加孔隙中自由氯離子數(shù)量，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土抗氯離子侵蝕性能下降。

圖2 花崗巖石粉對(duì)水工混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

2.3 抗碳化性能

不同細(xì)度水平花崗巖石粉在不同外摻情況下的抗碳化性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知：隨著花崗巖石粉摻量的增加，混凝土的碳化深度呈先減小后增大的變化特征，特別是當(dāng)摻量小于10%時(shí)，碳化深度隨摻量下降幅度十分明顯，當(dāng)摻量為20%時(shí)，碳化深度最小，僅為6mm，與基準(zhǔn)試驗(yàn)A組相比，碳化深度減小21.1%；花崗巖石粉的良好填充性能大大降低了混凝土的孔隙率，同時(shí)使水化產(chǎn)物分布更加均勻，可以大大降低CO2的滲透速率，當(dāng)摻量過(guò)多時(shí)，水化產(chǎn)物減少，混凝土中連通孔隙增多，CO2更容易侵蝕到混凝土內(nèi)部，因而其碳化性能降低；當(dāng)花崗巖石粉摻量≤20%時(shí)，細(xì)度水平對(duì)混凝土抗碳化性能的影響不大。

圖3 花崗巖石粉對(duì)水工混凝土抗碳化性能的影響

2.4 抗凍性能

經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量隨花崗巖石粉摻量的變化特征如圖4所示。從圖4中可知：隨著花崗巖石粉外摻量的增加，混凝土的質(zhì)量損失率呈先減小后增大的變化特征，當(dāng)花崗巖石粉摻量達(dá)到20%時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率最小，僅為2.8%(細(xì)度水平Ⅰ)和3%(細(xì)度水平Ⅱ)，較對(duì)照試驗(yàn)A組分別降低36.4%和31.8%，細(xì)度水平Ⅰ較細(xì)度水平Ⅱ具有更好的改善效果；花崗巖石粉摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響規(guī)律不是很明顯，不過(guò)可以看到的是，當(dāng)摻量達(dá)到15%～20%時(shí)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量最大，且細(xì)度水平Ⅱ的相對(duì)動(dòng)彈性模量更大，且均超過(guò)60%。

圖4 快速凍融試驗(yàn)結(jié)果

3 凍滲比分析

從上文分析可以看出，花崗巖石粉摻量對(duì)水工混凝土的抗?jié)B、抗碳化、抗凍等耐久性有重要影響，但對(duì)每種耐久性指數(shù)的影響程度不同，總體而言，當(dāng)花崗巖石粉摻量為15～20%時(shí)，水工混凝土的耐久性更好。為進(jìn)一步得到細(xì)度對(duì)水工混凝土耐久性的影響程度，文章定義凍滲比K為

K=DF/Kr

(1)

DF=E1/E0(E1>60%或M<5%)

(2)

式中，K—凍滲比；DF—抗凍耐久性指數(shù)；Kr—相對(duì)滲透性系數(shù)；E1—經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量；E0—初始動(dòng)彈性模量；M—質(zhì)量損失率。凍滲比不僅考慮了石粉摻量的影響，也考慮了石粉細(xì)度的影響。

計(jì)算得到的不同細(xì)度花崗巖石粉摻量下的凍滲比K的變化曲線特征如圖5所示。從圖5中可以看到：隨著石粉摻量的增加，滲凍比呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)摻量≤15%時(shí)，采用細(xì)度水平Ⅱ的水工混凝土滲凍比略大于細(xì)度水平Ⅰ的水工混凝土滲凍比，當(dāng)摻量≥20%后，采用細(xì)度水平Ⅰ的水工混凝土滲凍比要大于細(xì)度水平Ⅱ的水工混凝土滲凍比，當(dāng)石粉摻量為20%時(shí)，凍滲比最大；同時(shí)考慮到花崗巖石粉的利用率和篩分難度，采用粒徑更大一些的花崗巖石粉配制水工混凝土效率更高，因此最終決定采用外摻20%細(xì)度水平Ⅰ花崗巖石粉(0～150um)為水工混凝土耐久性的最佳改良方案。

圖5 凍滲比隨石粉摻量變化關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

采用室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)不同細(xì)度花崗巖石粉摻量下的水工混凝土耐久性能進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明：

(1)隨著花崗巖石粉摻量的增加，水工混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、碳化深度、質(zhì)量損失率隨花崗巖石粉摻量的增加呈先減小后增大的變化特征。

(2)花崗巖石粉細(xì)度對(duì)混凝土抗?jié)B性、抗氯離子侵蝕性以及抗凍性有一定程度影響，但對(duì)抗碳化性能影響不大。

(3)滲凍比隨著花崗巖石粉摻量的增加呈先增大后減小的變化特征，結(jié)合滲凍比，同時(shí)考慮花崗巖石粉利用率和篩分難度，認(rèn)為采用外摻20%細(xì)度水平Ⅰ花崗巖石粉(0～150um)可有效提升水工混凝土的耐久性。