凍融循環下巖粉改良水工混凝土力學性能試驗研究

王界元

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

在我國水利工程建設中，水利工程混凝土的性質是影響工程建設質量和長期安全性的重要因素。為此，研究開發并改良得到工程性能更加優良的水工混凝土對水利工程建設至關重要[1-3]。此外，在水利工程建設中，花崗巖作為一種常見的廢料，具有較高的回收利用價值。因此，如何回收利用花崗巖廢料并將其有效運用起來十分重要[4-6]。

目前，我國學者針對水工混凝土的改良工作展開了大范圍的研究。劉麗梅等[7]基于室內試驗對不同配比的粉煤灰/改性硅灰的改良混凝土配比展開了力學性能試驗，并指出改性混凝土的強度隨著粉煤灰摻量的增大而逐漸減小，且當摻量比為粉煤灰24%/改性硅灰6%時，改良混凝土抗壓強度最大。劉拼等[8]深入分析了不同煅燒工藝摻MgO膨脹劑改良水工混凝土的力學性能，發現摻加回轉窯生產的MgO膨脹劑的水工混凝土的抗壓強度最高。蔣理等[9]基于室內試驗指出新型凝灰巖粉中可以有效替代粉煤灰，以制備改良高原水工混凝土。

上述研究針對改良水工混凝土展開了試驗分析，但所獲得的成果比較有限。本次研究利用建筑廢料花崗巖制備巖粉并摻入混凝土中，制備巖粉改良水工混凝土并對其展開試驗研究。同時進一步考慮區域環境，分析凍融循環對改良混凝土質量、力學性質以及微觀結構的影響。研究成果可為我國水利工程建設提供一定的指導作用。

1 工程背景

本次研究依托于新疆某水利工程引水隧洞建設項目。根據工程資料，該水利工程項目沿途規劃線路總長超過283.0 km。本次研究涉及標段的規劃長度約為9.0 km，根據現場勘察結果可知，引水隧洞的圍巖中存在較多的IV級圍巖和V級圍巖。其中，Ⅳ級圍巖段總長約8.0 km，Ⅴ級圍巖段總長接近1.1 km。本次研究依托于該水利工程建設項目，深入分析探討巖粉改良水工混凝土的工程力學性質及其在水利工程建設中的應用前景。

2 試樣制備與試驗方法

2.1 試樣制備

巖粉改良水工混凝土試樣制備使用基本材料見表1。本次研究混凝土試樣的制備參考相關規范設計，根據現有研究成果，最終確定混凝土的配合比為水∶水泥∶細骨料∶粗骨料=0.55∶1∶1.72∶2.58。巖粉改良水工混凝土中，花崗巖巖粉的摻量為5.0%。此外，為對比研究巖粉改良水工混凝土的性能，本次試驗研究還設計了基準水工混凝土試驗組，其基礎配比與巖粉改良水工混凝土相同，差別僅在于其中不摻花崗巖巖粉。

表1 混凝土試樣建筑材料物理參數

2.2 試驗方法

利用凍融循環試驗機(圖1)，對養護成型后的巖粉改良混凝土試樣進行凍融循環處理。在開展凍融試驗的過程中，設置試驗設備的凍結溫度下限為-20℃，解凍溫度為室溫(約20℃)，每次凍結時間為10 min。凍融循環次數設置方法如下：0～50次以內的凍融循環，每間隔10次設置一組試樣；50～300次的凍融循環，每間隔25次設置一組試樣。

圖1 凍融試驗機

3 試驗結果分析

3.1 質量損失率

圖2為不同凍融循環次數下，巖粉改良水工混凝土試樣的質量損失率隨凍融循環次數的變化關系。由圖2可知，隨著凍融循環次數的增加，基準水工混凝土和巖粉改良水工混凝土的質量損失率也逐漸增大，二者的變化規律基本一致。此外，可以觀察到，當凍融循環在100次以內尤其是50次以內時，兩種混凝土的質量損失率的增長速率較慢；而當凍融循環次數超過100次時，混凝土的質量損失率隨凍融循環次數增加而快速增大，整體呈線性增大趨勢。根據現有研究成果分析認為，當凍融循環次數超過100次后，混凝土內部結構可能受到破壞，因此內部細小顆粒也隨著凍融循環次數增加而快速流失。

圖2 混凝土試樣的質量損失率隨凍融循環次數的變化曲線

進一步對比基準水工混凝土和巖粉改良水工混凝土的質量損失率變化曲線之間的差異可以發現，在相同的凍融循環次數下，巖粉改良水工混凝土的質量損失率始終低于基準水工混凝土，這表明巖粉改良水工混凝土的抗凍融循環破壞能力更強。當凍融循環次數達到300次時，基準水工混凝土的最大質量損失率為0.62%，而巖粉改良水工混凝土的最大質量損失率為0.51%，較基準水工混凝土降低17.74%。

3.2 單軸抗壓強度

表2為不同凍融循環次數條件下，基準水工混凝土和巖粉改良水工混凝土的抗壓強度隨凍融循環次數變化關系。由表2可知，隨著凍融循環次數的增加，兩種混凝土式樣的單軸抗壓強度均呈現出逐漸減小的變化趨勢。當凍融循環次數為0次時，基準水工混凝土的抗壓強度為48.82 MPa，改良混凝土的抗壓強度為57.29 MPa；隨著凍融循環次數的增大，混凝土試樣的強度逐漸降低，當凍融循環次數為300次時，兩種混凝土的抗壓強度分別為31.36和45.96 MPa，分別下降35.77%和19.78%。

表2 兩種混凝土的抗壓強度隨凍融循環次數變化關系

綜上所述，巖粉改良混凝土不僅能夠增強水工混凝土的抗壓能力，不同條件下巖粉混凝土的抗壓強度均高于基準混凝土，而且還能夠增強水工混凝土的抗凍融破壞能力，300次凍融循環后巖粉改良水工混凝土抗壓強度下降幅度遠低于基準混凝土。

3.3 微觀機理分析

利用SEM電鏡掃描技術，對經歷300次凍融循環的基準水工混凝土和巖粉改良水工混凝土展開微觀掃描，掃描結果見圖3。由圖3可以看出，經歷300次凍融循環后，基準混凝土和巖粉改良混凝土內部均產生了大量的裂隙以及孔洞，混凝土的性質嚴重劣化，這也從內在微觀結構角度解釋了前文混凝土質量損失和抗壓強度劣化的現象。同時，進一步對比兩種不同混凝土的微觀結構掃描圖可以發現，300次凍融循環后，巖粉改良混凝土內部裂隙的寬度、孔隙的直徑等都要小于基準混凝土，這也解釋了凍融循環后巖粉改良混凝土抗壓強度更高、質量損失率更低的現象。

圖3 300次凍融循環后兩種不同混凝土的微觀掃描圖

4 結 論

1) 隨著凍融循環次數的增加，基準混凝土和巖粉改良混凝土的質量損失率均逐漸增大，同時抗壓強度逐漸降低。微觀掃描結果顯示，凍融循環后兩種混凝土內部均產生了大量的裂隙和孔洞。

2) 當凍融循環次數達到300次時，兩種混凝土的最大質量損失率分別為0.62%和0.51%，抗壓強度分別為31.36 和45.96 MPa，同時巖粉改良水工混凝土內部裂隙的寬度、孔隙的直徑等都要小于基準混凝土試樣。

3) 受限于試驗手段條件，本次研究僅分析了質量損失率、抗壓強度以及微觀結構3個方面的結果，而未能從物質成分角度探討內在機理，下一步可以考慮增加XRD分析試驗。