大理石石粉對(duì)水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響研究

信佰伶

（建平縣水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122400）

0 引言

大理石是一種十分重要的建筑和裝飾材料，質(zhì)地優(yōu)良、品種眾多，我國(guó)作為全球重要的大理石生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，近年來(lái)大理石的開(kāi)采和利用量不斷增加。在大理石材料生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢料、廢粉和廢漿等固體廢棄物[1]。如今，大理石產(chǎn)業(yè)的廢棄物處理已經(jīng)成為世界性難題。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的重視，大理石產(chǎn)業(yè)逐漸向綠色、環(huán)保及可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)變。例如，在大理石生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大理石石粉，具有粒徑分布廣、礦物純度高和成本低廉的特點(diǎn)，是十分理想的礦物摻合料[2]。

混凝土是水利工程建設(shè)中使用最為廣泛的建筑材料，隨著水利工程建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其對(duì)高性能混凝土的需求日漸強(qiáng)烈[3]。在混凝土中添加一定量的礦物摻合料可以有效改善其性能，同時(shí)還可以降低工程成本。在粉煤灰、硅灰等礦物摻合料供不應(yīng)求、價(jià)格不斷攀升的背景下，將大理石石粉作為水工混凝土的礦物摻合料具有重要的工程意義、經(jīng)濟(jì)意義和生態(tài)意義。目前，大理石石粉作為一種鈣質(zhì)非活性摻合料，其對(duì)水泥基材料力學(xué)和耐久性的影響差異較大，尚沒(méi)有系統(tǒng)化的研究結(jié)論。

對(duì)水利工程而言，硫酸鹽侵蝕是影響水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要環(huán)境因素，特別是我國(guó)的沿海和鹽湖地區(qū)存在大量的含硫酸鹽水體，對(duì)上述地區(qū)的水利工程結(jié)構(gòu)造成明顯的侵蝕破壞，從而影響其安全性和耐久性[4]?；诖?，此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討大理石石粉對(duì)水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，以便為大理石石粉在水工混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用和相關(guān)工程建設(shè)提供支持和借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥是水工混凝土制作中的主要膠凝材料，對(duì)水工高性能混凝土而言，比較適合使用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥[5]。此次試驗(yàn)中使用的是沈陽(yáng)沈北建材有限公司的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)樣本測(cè)定，其比表面積為342 m2/kg，初凝和終凝時(shí)間分別為155 min和238 min；28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為8.4 MPa和52.9 MPa，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)中使用賀州永通粉體有限公司生產(chǎn)的大理石粉，來(lái)源為大理石切割加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢漿經(jīng)沉淀脫水干燥后形成的白色粉末。在試驗(yàn)中將大理石粉再次研磨后過(guò)3 000目篩，以保證大理石石粉的細(xì)度。

試驗(yàn)用骨料：細(xì)骨料為普通河沙，其細(xì)度模數(shù)為2.63，為中砂，表觀密度為2 670 kg/m3；粗骨料為粒徑5～20 mm、級(jí)配良好的人工石灰?guī)r碎石，其表觀密度為2 720 kg/m3。

試驗(yàn)用減水劑為大連西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

為了減少試驗(yàn)工作量，選擇水利工程建設(shè)中常用的C30混凝土為試驗(yàn)對(duì)象，以《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》為基礎(chǔ)確定混凝土的配合比[6]。其中，水泥、水、細(xì)骨料和粗骨料的每立方米用量分別為275，175，835，1 025 kg。為了研究大理石石粉對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，研究中質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定摻加比例。結(jié)合相關(guān)研究成果，確定對(duì)0%，5%，10%，15%，20%，25%和30%等不同的摻量水平進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用棱長(zhǎng)為150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。根據(jù)試驗(yàn)方案，稱(chēng)量好各種材料的用量后進(jìn)行試件制作，并將制作的試件放入養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期[7]。每組試驗(yàn)方案制作4個(gè)試件，試驗(yàn)中每組方案試驗(yàn)3個(gè)試件，以試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，剩余的一個(gè)試件備用。

硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)采用自然浸泡的方式開(kāi)展，使用的實(shí)驗(yàn)儀器為干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)機(jī)。在試件養(yǎng)護(hù)至齡期之后，將其取出并擦拭干凈，然后在陰涼通風(fēng)處?kù)o置48 h。待自然風(fēng)干之后稱(chēng)量其質(zhì)量和初始彈性波的波速，然后放入試驗(yàn)桶，并倒入濃度為5%硫酸鈉溶液，將試驗(yàn)溫度穩(wěn)定于25℃，開(kāi)始試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，每30 d對(duì)硫酸鈉溶液進(jìn)行更換，試驗(yàn)歷時(shí)150 d[8]。在試驗(yàn)結(jié)束后，取出試件擦拭干凈其表面的水分，然后在陰涼通風(fēng)處風(fēng)干48 h，再測(cè)量試件的質(zhì)量和彈性波波速，然后利用WHY-3000型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件的單軸壓縮試驗(yàn)，獲取其極限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和對(duì)比分析，獲取混摻纖維對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

對(duì)7 d和28 d齡期不同大理石石粉摻量方案的試件進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算獲取硫酸鹽侵蝕條件下的質(zhì)量損失率，并繪制出質(zhì)量損失率隨大理石石粉摻量的變化曲線(xiàn)，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，在摻加大理石石粉的情況下，試件的質(zhì)量損失率均明顯偏小。由此可見(jiàn)，在水工混凝土中摻加一定量的大理石石粉，可以顯著降低硫酸鹽侵蝕條件下混凝土的質(zhì)量損失率，有利于混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的提高。由圖1還可看出，隨著試件中大理石石粉摻量的增加，混凝土在7 d和28 d齡期的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢(shì)。究其原因，主要是在混凝土摻加一定量的大理石石粉，可以有效填充混凝土內(nèi)部的微小孔隙，因此，可以提高混凝土的密實(shí)度，減少硫酸鹽溶液向混凝土內(nèi)部的滲流通道，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。但是，過(guò)量摻加大理石石粉則會(huì)降低混凝土中膠凝材料作用的發(fā)揮，反而不利于提高抗硫酸鹽侵蝕性能。從具體的試驗(yàn)數(shù)值來(lái)看，當(dāng)大理石石粉的摻量為15%時(shí)，試件的質(zhì)量損失率最小，為最佳摻量。

圖1 質(zhì)量損失率變化曲線(xiàn)

2.2 相對(duì)動(dòng)彈模量

對(duì)7 d和28 d齡期不同大理石石粉摻量方案的試件進(jìn)行動(dòng)彈模量試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算獲取各方案試驗(yàn)后的相對(duì)動(dòng)彈模量，并繪制出相對(duì)動(dòng)彈模量隨大理石石粉摻量的變化曲線(xiàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，摻加大理石石粉方案試件的相對(duì)動(dòng)彈模量顯著大于沒(méi)有摻加大理石石粉方案，由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加一定量的大理石石粉，可以有效提升硫酸鹽侵蝕條件下水工混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量，對(duì)提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有利。從相對(duì)動(dòng)彈模量的變化曲線(xiàn)來(lái)看，隨著大理石石粉摻量的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn)，其原因與質(zhì)量損失率類(lèi)似，這里不再敷述。從具體數(shù)值來(lái)看，當(dāng)大理石石粉的摻量為15%時(shí)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量值最大，為最佳摻量。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線(xiàn)

2.3 抗壓強(qiáng)度

對(duì)7 d和28 d齡期不同大理石石粉摻量方案的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算獲取各方案試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，并繪制出抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨大理石石粉摻量的變化曲線(xiàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，摻加大理石石粉方案試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)顯著大于沒(méi)有摻加大理石石粉方案，由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加一定量的大理石石粉，可以有效提升硫酸鹽侵蝕條件下水工混凝土的抗壓強(qiáng)度值，對(duì)提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有利。從圖3可以看出，隨著大理石石粉摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn)，當(dāng)大理石石粉的摻量為15%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)最大，為最佳摻量。

圖3 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了大理石石粉對(duì)水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響：在水工混凝土中摻加一定量的大理石石粉，可以有效提升混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，減小其質(zhì)量損失率，對(duì)提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有利；當(dāng)大理石石粉的摻量為15%時(shí)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)最大，質(zhì)量損失率最小。建議在工程應(yīng)用中摻入15%左右的大理石石粉，以獲得最佳抗硫酸鹽侵蝕性能。