礦物摻合量對水工混凝土物理學性能影響研究

王 藍

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 昌吉 831100)

隨著我國基礎建設的不斷發展，對于建筑材料的要求也越來越高，如何在保障工程安全穩定的前提下，提高資源的綜合利用效率，對于工程而言具有重要意義。由于在生產建設過程中會產生大量的廢棄礦物，不僅占用很多土地資源，還在一定程度上對環境產生影響，因此，研究廢棄礦物的合理處置和利用非常有必要[1- 4]。

水利工程建設需要用到大量的混凝土，這對于廢棄礦物的回收利用而言具有巨大的發展潛力，一些工程建設者、技術研究者已經開展了相關研究。林育強等研究了磷渣粉和粉煤灰對于膠凝材料以及水工混凝土新能的影響，認為磷渣粉對于水工混凝土而言能極大提高抗滲、抗凍性能，可替代粉煤灰在水利工程建設當中的作用[5]。饒美娟等開展了石灰石粉對水工混凝土宏觀力學行為及微觀物理性質的影響，并總結了合理的配合比設計[6]。張俊芝等對水工混凝土氯離子擴散系數的時變模型進行了探討[7]。嚴捍東等對水膠比為0.50、粉煤灰摻量在0%～55%范圍內的高摻量粉煤灰水工混凝土的氣泡參數和抗凍性能進行了研究，認為高抗凍混凝土的氣泡間距必須小于0.25mm這一規定是不適用的[8]。周立霞，張粉芹等對礦物摻合料對混凝土的孔隙結構和新能進行了分析，認為礦物摻料對混凝土孔隙結構的細化和優化即有明顯的提高作用[9- 10]。

本文基于研究經驗，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性質進行研究，豐富了前人研究成果，為廢棄礦物在水利工程當中的利用提供了試驗及理論支撐。

1 抗侵蝕試驗結果分析

1.1 配合比設計

為了對比分析廢棄礦物含量對水工混凝土抗氯離子侵蝕的影響規律，需要保證除礦物含量變化外，其余參數盡量保持一致。本試驗共設計基準配合比及試驗配合比情況，具體的配合比情況見表1。

表1 配合比設計 單位:kg

1.2 抗侵蝕結果分析

采用RCM測試方法，對標準養護了28d后的各試驗配合比下的混凝土試件進行氯離子擴散系數的測定，測試結果如圖1所示。從圖1可以看出，當用廢棄礦物代替水泥膠凝材料時，隨著摻量的增加，氯離子擴散系數均呈先減后增，這是因為當礦物摻加量較小時，礦物可以對在混凝土內部起到填充和密實的作用，降低了混凝土結構的孔隙率，進而提高混凝土的抗滲性能；但是，當摻加量超過某一含量時，氯離子擴散系數又開始增加，這主要是由于水泥被礦物替代后，產生的水化產物已不能夠保證內部具有足夠的物理固化作用對混凝土試件的氯離子進行固化(即固化作用明顯降低)，因而氯離子擴散系數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，煤矸石的氯離子擴散系數最小，粉煤灰的氯離子擴散系數最大。

圖1 氯離子擴散系數與礦物摻量關系

2 抗碳化試驗結果分析

2.1 配合比設計及試驗方法

抗碳化試驗所用的配合比與抗侵蝕時一致。抗碳化試驗主要通過快速碳化試驗方法，即利用CO2環境下混凝土在特定養護齡期下的碳化程度，主要用到的實驗儀器有:碳化箱、CO2供氣設施、1%的乙醇溶液、鋼尺、劈裂裝置等。可用冪函數關系來表示碳化程度與養護齡期之間的關系：

d=α·xβ

(1)

式中，d—碳化深度，mm;α—碳化性能影響系數；x—養護齡期；β—碳化速率影響因子。

2.2 抗碳化結果分析

廢棄礦物(以花崗巖為例)粉各摻量下在不同養護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試驗組，表明添加礦物會在一定程度上降低混凝土的抗碳化性能，在相同養護齡期下，礦物添加量越多，混凝土的碳化深度越大；在同一摻量下，隨著養護齡期的增加，碳化深度很好地符合了冪函數型的變化關系。

不同礦物組別在28d養護齡期下的碳化深度對比如圖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，這是因為水泥被礦物代替后，一方面會使試件內部保留更多的自由水，給CO2的侵蝕提供了便捷通道，同時也會使試件內的堿儲備量降低，由于在二氧化碳含量一定時，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關系；在相同添加量下，礦物對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 碳化深度與養護齡期關系

圖3 碳化深度與礦物組別關系

3 對微觀孔隙結構的影響分析

采用壓汞法對混凝土試件進行試驗，即測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構，試驗廢棄礦物摻合量為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比曲線如圖4所示。從圖4曲線的變化趨勢可以看到，四種礦物對于注汞量的影響距有先減小后增大的趨勢，這與氯離子擴散系數表現一致，表明了混凝土試件內部經歷了孔隙率從降低到增大，連通數和孔徑從減少到增多的過程。對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，特別是當摻合比大于10%以后，更加明顯，當摻和比達到20%時，花崗巖和煤矸石注汞量最小，表明在此配合比下，混凝土的抗滲性和耐久性更佳。

圖4 注汞量與摻合比關系

4 結論

礦物種類和摻合量對于水工混凝土的物理力學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構特征認為：花崗巖和煤矸石對于水工混凝土抗滲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難題，可為工程建設領域提供新的發展思路。

[1] 戈雪良, 曾力, 方坤河, 等. 磷渣粉對水工混凝土性能的影響[J]. 水力發電學報, 2008, 27(02): 84- 88.

[2] 孔祥芝, 紀國晉, 劉艷霞, 等. 水工混凝土滲透溶蝕試驗研究[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2012, 10(01): 63- 68.

[3] 王萬生. 高性能抗磨蝕水工混凝土的試驗研究及應用[J]. 水利技術監督, 2007, 15(02): 56- 59.

[4] 陳雯龍. 水工混凝土耐久性影響因素分析及防治措施[J]. 水利規劃與設計, 2011(05): 35- 38.

[5] 林育強, 李家正, 楊華全. 磷渣粉替代粉煤灰在水工混凝土中的應用研究[J]. 長江科學院院報, 2009, 26(12): 93- 97.

[6] 饒美娟, 劉數華, 方坤河. 石灰石粉在水工混凝土中的應用研究綜述[J]. 人民長江, 2009, 40(20): 41- 43.

[7] 張俊芝, 王建澤, 孔德玉, 等. 既有水工混凝土氯離子擴散系數的時變模型[J]. 水利水運工程學報, 2010(02): 14- 20.

[8] 嚴捍東, 孫偉, 李鋼. 大摻量粉煤灰水工混凝土的氣泡參數和抗凍性研究[J]. 工業建筑, 2001, 31(08): 46- 48.

[9] 張粉芹, 王海波, 王起才. 摻合料和引氣劑對混凝土孔結構與性能影響的研究[J]. 水力發電學報, 2010, 29(01): 180- 185.