石粉摻量和細度對水工混凝土耐久性能影響試驗研究

楊詞范

(九江市科翔水利工程監(jiān)理有限公司，江西 九江 332000)

在礦山開采和石材加工過程中會產生大量的花崗巖石粉，這些石粉沒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，給周圍農作物生長帶來諸多影響，因此有必要通過一定的技術手段實現花崗巖石粉的資源化利用[1]。

水利工程是關系國計民生的重要基礎設施，自1949年以來，我國大力發(fā)展水利事業(yè)，目前已取得巨大的成效，但是經過一段時間的運行之后，很多水工建筑物混凝土均出現了開裂、銹蝕、滲漏等現象[2- 3]，“北凍南銹”成為我國水工混凝土結構破壞的主要原因，因此有必要對水工混凝土的耐久性展開研究，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，很少有針對石粉細度和摻量耦合作用的研究。

鑒于此，文章開展了不同細度花崗巖石粉摻量下水工混凝土耐久性對比試驗，以期能為提升水工混凝土長期耐久性提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

花崗巖石粉：主要化學成分為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活性指數為65.5%；細度水平Ⅱ(0～80um)平均粒徑為9um，比表面積為824m2/kg，活性指數為69.2%。

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

骨料：細骨料為天然河砂，細度模數為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：實驗室自來水。

1.2 試驗方案

試驗采用質量比法和外摻方式，即花崗巖石粉(細度水平Ⅰ和Ⅱ)按照5%、7.5%、10%、12.5%、15%、20%、25%、30%的水泥質量作為添加劑摻入，不改變原有水工混凝土的初始配合比，具體試驗方案見表1。

表1 試驗配比方案 單位：Ag/m3

1.3 試驗內容及方法

耐久性試驗包括抗?jié)B性能試驗、抗氯離子侵蝕試驗、抗凍試驗和抗碳化性能試驗。抗?jié)B性能采用1MPa恒壓24h的滲水高度來計算滲透系數值，抗氯離子侵蝕采用NJ-RCM型氯離子擴散系數測定儀(快速氯離子遷移系數法)進行測試，抗凍試驗采用快速凍融法，抗碳化性能采用NJ-HTX型混凝土碳化試驗箱進行快速碳化試驗。

2 試驗結果分析

2.1 抗?jié)B性能

不同細度水平花崗巖石粉在不同外摻情況下的滲透試驗結果如圖1所示。從圖1中可知：在相同細度水平下，花崗巖石粉外摻水工混凝土的相對滲透系數呈先減小后增大的變化特征；在細度水平Ⅰ情況下，當外摻量達到25%時，混凝土的相對滲透系數最小，僅為0.96×10-7cm/h，在細度水平Ⅱ情況下，當外摻量達到20%時，混凝土的相對滲透系數最小，也為0.96×10-7cm/h，與基準試驗A組相比，摻入花崗巖石粉后，可以使混凝土的相對滲透系數最大降低，約為58.3%；在外摻方式下，并未減少混凝土中水泥用量，因而水化反應產物并未減少，花崗巖石粉主要還是充當填充料的作用，可以對混凝土中的孔隙結構進行填充，使水泥石和膠結界面結構更加致密，因而滲透系數減小，且粒徑越小的花崗巖石粉填充效應越顯著，對滲透性的改良效果更好，但是當摻量超過一定比例后，由于花崗巖石粉具有很強的吸水性，會造成水化反應所需的水量不足，從而導致混凝土中水化產物減少，骨料之間黏結作用減弱，從而使得在水壓作用下更容易形成孔隙，導致抗?jié)B性明顯降低。

圖1 花崗巖石粉對水工混凝土抗?jié)B性的影響

2.2 抗氯離子侵蝕性能

不同細度水平花崗巖石粉在不同外摻情況下的氯離子擴散系數試驗結果如圖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散系數呈先減小后增大的變化特征，當花崗巖石粉摻量小于20%時，外摻細度水平Ⅰ的混凝土氯離子擴散系數大于外摻細度水平Ⅱ的混凝土，當花崗巖石粉摻量大于20%后，外摻細度水平Ⅱ的混凝土氯離子擴散系數大于外摻細度水平Ⅰ的混凝土，外摻細度水平Ⅰ的混凝土氯離子擴散系數在花崗巖石粉外摻量為20%時達到最小值5.8×10-12cm2/s，外摻細度水平Ⅱ的混凝土氯離子擴散系數在花崗巖石粉外摻量為15%時達到最小值6.0×10-12cm2/s，分別較基準試驗A組降低21.6%和18.9%。細度Ⅱ的花崗巖石粉較細度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物的作用，同時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，但是當摻量超過一定值后，會導致混凝土水化反應不充分，反而會增加孔隙中自由氯離子數量，進而導致混凝土抗氯離子侵蝕性能下降。

圖2 花崗巖石粉對水工混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

2.3 抗碳化性能

不同細度水平花崗巖石粉在不同外摻情況下的抗碳化性能試驗結果如圖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，特別是當摻量小于10%時，碳化深度隨摻量下降幅度十分明顯，當摻量為20%時，碳化深度最小，僅為6mm，與基準試驗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，同時使水化產物分布更加均勻，可以大大降低CO2的滲透速率，當摻量過多時，水化產物減少，混凝土中連通孔隙增多，CO2更容易侵蝕到混凝土內部，因而其碳化性能降低；當花崗巖石粉摻量≤20%時，細度水平對混凝土抗碳化性能的影響不大。

圖3 花崗巖石粉對水工混凝土抗碳化性能的影響

2.4 抗凍性能

經歷300次凍融循環(huán)后，混凝土的質量損失率和相對動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，混凝土的質量損失率呈先減小后增大的變化特征，當花崗巖石粉摻量達到20%時，混凝土的質量損失率最小，僅為2.8%(細度水平Ⅰ)和3%(細度水平Ⅱ)，較對照試驗A組分別降低36.4%和31.8%，細度水平Ⅰ較細度水平Ⅱ具有更好的改善效果；花崗巖石粉摻量對相對動彈性模量的影響規(guī)律不是很明顯，不過可以看到的是，當摻量達到15%～20%時，混凝土的相對動彈性模量最大，且細度水平Ⅱ的相對動彈性模量更大，且均超過60%。

圖4 快速凍融試驗結果

3 凍滲比分析

從上文分析可以看出，花崗巖石粉摻量對水工混凝土的抗?jié)B、抗碳化、抗凍等耐久性有重要影響，但對每種耐久性指數的影響程度不同，總體而言，當花崗巖石粉摻量為15～20%時，水工混凝土的耐久性更好。為進一步得到細度對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；Kr—相對滲透性系數；E1—經歷300次凍融循環(huán)后的動彈性模量；E0—初始動彈性模量；M—質量損失率。凍滲比不僅考慮了石粉摻量的影響，也考慮了石粉細度的影響。

計算得到的不同細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，當摻量≤15%時，采用細度水平Ⅱ的水工混凝土滲凍比略大于細度水平Ⅰ的水工混凝土滲凍比，當摻量≥20%后，采用細度水平Ⅰ的水工混凝土滲凍比要大于細度水平Ⅱ的水工混凝土滲凍比，當石粉摻量為20%時，凍滲比最大；同時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系

4 結語

采用室內試驗方法對不同細度花崗巖石粉摻量下的水工混凝土耐久性能進行了對比研究，結果表明：

(1)隨著花崗巖石粉摻量的增加，水工混凝土的相對滲透系數、氯離子擴散系數、碳化深度、質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)花崗巖石粉細度對混凝土抗?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，結合滲凍比，同時考慮花崗巖石粉利用率和篩分難度，認為采用外摻20%細度水平Ⅰ花崗巖石粉(0～150um)可有效提升水工混凝土的耐久性。