摻花崗巖石粉低強渠道水工混凝土的力學(xué)性能研究

武允超

(水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對石材的需求量也越來越大，而花崗巖則是被廣泛應(yīng)用于建筑、水利、交通等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，我國對花崗巖的年需求量達到了7億t，并呈持續(xù)增長的勢頭，然而在花崗巖石材生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的石粉，這些石粉占用大量的土地、污染環(huán)境和水體，給人們的生產(chǎn)生活帶來諸多不利；因此，必須想辦法解決花崗巖石粉的處置問題，提高其再生利用率和社會經(jīng)濟效益。

水工混凝土最重要的特性和要求之一便是耐久性，如何提高混凝土的耐久性是工程建設(shè)領(lǐng)域一直在研究討論的話題，在一些寒冷地區(qū)，對混凝土的抗裂、抗凍和抗?jié)B性能要求更高，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻加花崗巖石粉，能夠隨混凝土的工作性能起到一定的強化作用。我國80%以上的灌溉面積均依托渠道輸水來實現(xiàn)，但目前渠道的防滲成本較高且防滲效果也不太理想，故而如若能將花崗巖石粉應(yīng)用于水工混凝土的抗裂、抗凍和抗?jié)B性能提高，同時滿足設(shè)計強度的需要，則可以在很大程度上解決花崗巖石粉的再生利用，不僅節(jié)約了工程成本，也節(jié)約了自然資源，一舉兩得，可很好地實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益。

本文主要以某在建渠道低強水工混凝土為研究對象，對其開展了0%、5%、10%、15%、20%、25%以及30%摻量情況下的混凝土宏觀及微觀試驗，以期找出最佳摻量范圍，為工程實踐提供幫助。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配比

試驗所用花崗巖石粉為當(dāng)?shù)厥膹S生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石材廢料，主要化學(xué)成分為二氧化硅、三氧化二鋁，花崗巖石粉細度為0～150um；水泥采用P.C32.5R級，石子級配為5～20mm，篩子采用普通的河砂，級配在0～4.75mm之間，采用苯系減水劑減水率大于20%。采用等量替代原則，在混凝土中分別摻0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的花崗巖石粉，水膠比為0.4。

1.2 試驗方法簡介

將拌合好的混凝土制作成邊長為15cm的正方體試件，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱(溫度20±2℃，濕度95%)中養(yǎng)護28d。抗壓試驗采用萬能材料試驗機，加載速率為0.3～0.5MPa/s；抗?jié)B試驗采用相對滲透性系數(shù)法，即一次性加壓至0.8MPa，持續(xù)24h后分別測量滲水高度；抗凍性能采用凍融循環(huán)試驗，分別在每凍融循環(huán)25次時測定質(zhì)量損失率和相對動彈性模量降低值(質(zhì)量損失率超過5%、相對動彈模低于60%、循環(huán)次數(shù)超過125次后停止試驗)；采用壓汞法測試摻花崗巖石粉混凝土的孔徑分布和微觀結(jié)構(gòu)情況。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強度分析

不同花崗巖石粉摻量下混凝土抗壓強度的變化情況如1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)摻量小于等于5%時，3組試件的強度與純水泥組比，略有升高或者降低，但都相差不大；當(dāng)花崗巖石粉摻量超過5%以后，混凝土強度隨摻量的增加呈逐漸降低趨勢。這是因為在低摻量時，花崗巖石粉一方面充當(dāng)了毛管孔隙和過渡區(qū)域微填料，一方面充當(dāng)微晶核賣出荊軻水化產(chǎn)物的附著，但當(dāng)摻量逐漸提高后，由于花崗巖石粉不具備火山灰活性，不會進行二次的水化反應(yīng)，同時花崗巖石粉對混凝土強度的提升作用已逐漸弱于水泥減少對混凝土強度的減少作用。

圖1 抗壓強度隨摻量的變化

2.2 抗?jié)B特性分析

隨著花崗巖石粉摻量的增加，相對滲透率呈先降低后升高趨勢，當(dāng)摻量等于5%時，相對滲透率較純水泥組降低約40%，當(dāng)摻量超過5%后，相對滲透率逐漸增加，但含量在20%以下時，其相對滲透率均低于純水泥組，這表明花崗巖石粉摻量在0～20%時，對混凝土的抗?jié)B性能有一定程度的提高，而含量高于20%后，則對抗?jié)B性有弱化作用。混凝土的抗?jié)B性與其中的連通孔隙率有關(guān)，低摻量能充當(dāng)微填料，減少孔隙通道，但摻量較高時，由于二次水化反應(yīng)不充分，故而可能會存在較多的孔隙，增大滲透率，如圖2所示。

圖2 相對滲透率隨摻量的變化

2.3 抗凍性能分析

質(zhì)量損失率、相對動彈性模量在不同凍融循環(huán)作用下的對應(yīng)值如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)摻量為5%時，其質(zhì)量損失率與純水泥組相比略有減小，摻量10%時，質(zhì)量損失率相差不大，當(dāng)摻量超過10%時，質(zhì)量損失率逐漸增加，表明抗凍性逐漸減弱；相對動彈性模量的變化趨勢與質(zhì)量損失率類似。

圖3 抗凍性能隨摻量、凍融循環(huán)次數(shù)變化

表1為不同規(guī)模、不同地區(qū)渠道工程的混凝土性能指標(biāo)要求。從表1中對應(yīng)值可以看出：當(dāng)花崗巖石粉摻量在20%時，其強度、相對滲透性系數(shù)以及抗凍等級滿足所有溫和地區(qū)、寒冷地區(qū)中小型工程以及嚴(yán)寒地區(qū)小型工程的使用標(biāo)準(zhǔn)要求；而當(dāng)含量為10%時，除了寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)的大型工程外，基本滿足其它地區(qū)的使用要求；而當(dāng)含量為5%時，基本滿足所有地區(qū)大中小型工程的使用要求。

表1 渠道混凝土使用要求

2.4 壓汞試驗結(jié)果分析

壓汞實驗試驗可對凝膠孔、過渡孔、毛細孔以及大孔進行分布測量，結(jié)果如圖4所示。凝膠孔隨著摻量增加呈先增后減的趨勢，當(dāng)摻量在10%時，凝膠孔孔隙率達到了最大含量；過渡孔含量最高，摻量低于20%時，過渡孔含量逐漸增加，摻量高于20%后，過渡孔孔隙率迅速降低；毛細孔孔隙率隨摻量逐漸降低，而大孔孔隙率則隨摻量呈先降低后增加的趨勢，當(dāng)石粉摻量大于20%時，大孔孔隙率迅速增加，這也揭示了為何摻量大于20%時，相對滲透率大于純水泥組的原因。

圖4 各孔隙百分比隨摻量變化特征

3 討論

當(dāng)花崗巖石粉摻量小于10%時，石粉可促進混凝土內(nèi)部更好的包裹和附著，確保水泥分布更加合理，能夠有效減小孔隙直徑和喉道的直徑，宏觀上則表現(xiàn)為抗?jié)B性能顯著增強，且抗壓強度和抗凍性能基本不變，故10%以內(nèi)的花崗巖石粉摻量為最佳摻量；而當(dāng)摻量為10%～20%后，抗?jié)B性略有增強，但抗壓和抗凍性會有一定程度的降低；當(dāng)石粉摻量超過20%后，喉道對混凝土抗?jié)B性能的增強作用已弱于孔隙直徑對混凝土抗?jié)B性的降低作用，故而在宏觀上表現(xiàn)為強度、抗?jié)B性、抗凍性均降低，故不建議大摻量花崗巖石粉。

4 結(jié)語

本文以渠道低強混凝土為研究對象，對其進行了摻不同花崗巖石粉后的宏觀及微觀試驗，研究結(jié)果表明：當(dāng)摻量小于10%時，能夠有效提高抗?jié)B性，同時確保足夠強度和抗凍性，在此摻量下的混凝土能夠滿足更地區(qū)環(huán)境及工程規(guī)模下渠道混凝土的使用要求。