水工建筑混凝土抗?jié)B抗凍性能的試驗分析

羅青云

（湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 引 言

每年都有大量的花崗巖石粉在石材加工處理中產(chǎn)生，這些石粉的處理方式比較隨意，給土地和水資源造成了嚴(yán)重的污染。因為氣泡和孔隙的存在，會大大降低混凝土的防滲能力，增加侵入的水量，加劇了混凝土的凍害，削弱了水工混凝土的抗凍性，尤其是對寒冷地區(qū)的水工建筑而言，會嚴(yán)重削弱建筑的結(jié)構(gòu)耐久性。

通過對加入了不同細度、不同比例花崗巖石粉的水工混凝土開展?jié)B透試驗和凍融循環(huán)試驗，探究花崗巖石粉細度和含量對其抗凍防滲能力的影響，為水工混凝土的發(fā)展和水工建筑的設(shè)計提供相應(yīng)的助力和指導(dǎo)。

2 試驗材料及方案

2.1 工程概況

某水庫大壩位于北方某地區(qū)，冬季較為寒冷，季節(jié)交替時溫度變化過程較大，易對大壩混凝土抗凍性和滲透性造成影響。此壩頂高程和壩長分別為202 m和300 m。P·O 42.5為所用水泥等級，混凝土坍落度30～50 mm，表1所示為其基本物理性質(zhì)。試驗所用的花崗巖石粉有三種細度，分別為0～45（I）、0～80（II）、0～150（III）μm，三個等級石粉的比表面積和平均粒徑分別為：1 280、814、375 m2/kg與3.151、8.981、19.376 μm。試驗所用砂為粒徑0～4.65 mm的普通河砂，其表觀密度是2 697 kg/m3，所用石子為級配連續(xù)的碎石，其粒徑為5～22 mm，2 668 kg/m3為其表觀密度；減水劑選用的是高效減水劑，其減水率最大可以達到25%。

表1 水泥力學(xué)和物理性質(zhì)表

2.2 試驗方法

水工混凝土所制滲透試驗的樣品質(zhì)量配合比為水：水泥：石子：砂子=0.45：1：3.20：2.22，并編號為C0。對于細度花崗巖石粉在混凝土中的摻入量，本文設(shè)置了三種不同的含量來進行凍融循環(huán)下的耐久性試驗，分別為0～150、0～80、0～45 μm。將同種細度視為一組，并分別設(shè)定了10種摻入量，摻入量從大到小分別為30%、27.50%、25%、22.50%、20%、17.50%、15%、12.50%、10%、7.50%，并對編號為Gθ-ε，其中石粉摻入量表示為θ，石粉細度表示為ε。混凝土的耐久性和滲透性試驗都嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 抗?jié)B性能結(jié)果分析

將水工混凝土試樣置于1.20 MPa的恒定水壓中，通過其在一天內(nèi)的滲水高度來計算出對應(yīng)的相對滲透系數(shù)（Kr）。如圖1 所示即為不同細度水工混凝土相對滲透系數(shù)與石粉摻量的關(guān)系曲線。

圖1 石粉比例和混凝土Kr關(guān)系圖

從圖1能夠明顯看出，當(dāng)花崗巖石粉的摻量在0～30%范圍內(nèi)時，三種細度的水工混凝土試樣的滲透系數(shù)都呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，其相對滲透系數(shù)都隨著摻量的增加，而呈現(xiàn)出先逐漸減小，隨后快速增大的趨勢。細度為I、II、III的水工混凝土，其相對滲透系數(shù)分別在摻量17.50%、20%和22.20時達到最小值（各為1.002×10-7、0.989×10-7、0.951×10-7cm/h），即防滲效果最佳值。三種細度的相對滲透系數(shù)最小值與0 摻量的對照組最小值2.31×10-7cm/h 相比，各減小了56.47%、57.03%和58.07%，這一現(xiàn)象說明當(dāng)混凝土中摻入比例合適的花崗巖石粉時，能夠使水工混凝土的抗?jié)B性能得到較大的提高，且第三種細度提高效果最好。各組混凝土的抗?jié)B性隨著花崗巖石粉摻量的持續(xù)提高而降低。這是由于花崗巖石粉的顆粒形態(tài)比較復(fù)雜，并且顆粒級配優(yōu)良，所以有著較好的微晶核效應(yīng)與填充效應(yīng)，在優(yōu)化混凝土性質(zhì)時也產(chǎn)生了很多附著體，使石粉表面的水化產(chǎn)物能夠更加快速的進行析晶反應(yīng)，并產(chǎn)生微骨料。這種微骨料大量存在于顆粒之間，間接提高了顆粒間的膠結(jié)能力，增大了界面結(jié)構(gòu)和水泥石結(jié)構(gòu)的密實性，抑制了水泥漿的自收縮性，大大降低了微小裂縫和孔隙出現(xiàn)的概率，增大了水工混凝土的強度，能使其具有更強的抗侵蝕、抗?jié)B透能力。但總歸而言，花崗巖石粉并不具備膠結(jié)能力，行業(yè)內(nèi)也未將其視為膠結(jié)材料，所以當(dāng)花崗巖石粉的比例越來越高時，大量水分會被其吸附，繼而減少了參與水泥水化反應(yīng)的水量，降低了單位體積內(nèi)混凝土水化產(chǎn)物的數(shù)量，數(shù)量減少的水化產(chǎn)物無法對這些花崗巖石粉顆粒進行很好的連接和包裹，降低了混凝土的密實度，增加了孔隙數(shù)量，最終造成混凝土抗?jié)B效果不佳。

三種花崗巖石粉細度下水工混凝土Kr隨石粉摻量改變而呈現(xiàn)的變化規(guī)律大致相同，但當(dāng)石粉含量相同時，各細度混凝土間的Kr 值有所差異，即抗?jié)B能力大小不一。當(dāng)石粉含量小于15%時，GII類的水工混凝土Kr值最小，其次是GI，Kr值最大的是GIII，這說明此時水工混凝土的抗?jié)B能力從小到大分別是GIII、GI 和GII；當(dāng)石粉含量大于15%小于20%時，三種類型的混凝土Kr值相近，表明其有著相同的抗?jié)B能力；當(dāng)石粉含量大于20%時，GIII類的水工混凝土Kr值最小，其次是GII，Kr值最大的是GI，這說明此時水工混凝土的抗?jié)B能力從小到大分別是GI、GII和GIII。對此現(xiàn)象進行分析得出：摻入的花崗巖石粉不僅有著很好的填充能力，還含有很多的鈣質(zhì)材料和活性物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠與水泥中的鐵鋁酸四鈣（C4AF）和鋁酸三鈣（C3A）再次發(fā)生水化反應(yīng)，可以生成強度更高的單碳鋁酸鈣，這種水化產(chǎn)物可以將混凝土變得更加密實，并且活性會隨著細度的減小而增大。花崗巖石粉在細度為II時要比I的粒徑分布廣，對孔隙的填充效果較好，并且II 類的活性要大于III 類，水化反應(yīng)能夠更加深入，所以當(dāng)石粉含量小于15%時，在晶核效應(yīng)、填充效應(yīng)和水化作用下，對混凝土抗?jié)B能力的提高幅度最大。在石粉含量為20%左右時，石粉的填充效果已發(fā)揮完全，I、II 類與III 類相比，前兩類由于比表面積較大，可以更好的吸附水水分子，影響了水化產(chǎn)物的反應(yīng)數(shù)量，降低了混凝土的密實度，使其抗?jié)B能力快速下降。

2.2 抗凍結(jié)果分析

不同細度花崗巖石粉含量的水工混凝土開展凍融試驗，記錄不同凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率。得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增加，各參量、各細度下的水工混凝土質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的變化去時基本一致。當(dāng)摻量和細度相同時，損失率逐漸上升，而相對彈性模量則逐漸減少。同時可以發(fā)現(xiàn)，在三種細度下的混凝土中，都有一組混凝土有著最強的抗凍能力，分別是I類細度，摻量17.50%、II類細度，摻量20%、III 類細度，摻量22.50%。三類混凝土在試驗范圍內(nèi)的最大凍融次數(shù)（350 次）下，分別有4.06%、3.57%、2.85%的質(zhì)量損失率和66.52%、68.34%、70.44%的動彈性模量。前者與基準(zhǔn)對照組（7.05%）相比分別降低了42.41%、49.36%、59.57%；后者與基準(zhǔn)對照組（45.24%）相比分別增加了21.28%、23.10%、25.20%，明顯提高了混凝土的抗凍能力。對原因進一步分析可知，添加合適比例的花崗巖石粉，使水化產(chǎn)物得到增加，對大孔隙進行填充，減少了混凝土內(nèi)部水量，減少了水結(jié)冰而形成的膨脹力，在一定程度上減緩了混凝土剝落速度和裂縫產(chǎn)生速度，降低了動彈性模量和質(zhì)量的損失程度。即使摻量相同的水工混凝土，其抗凍能力也會因花崗巖細度的不同而不同。細度為III 時，花崗巖石粉的比例范圍是7.50%～27.50%，細度為II 時，花崗巖石粉的比例范圍是7.50%～25%，細度為I時，花崗巖石粉的比例范圍是12.50%～22.50%，在這些范圍內(nèi)時，混凝土的抗凍等級才高于F350。研究結(jié)果還表明，當(dāng)石粉比例不高于17.50%，且摻量相同時，II類混凝土的質(zhì)量、相對模量損失率都要比另外兩種細度的水工混凝土小，具有優(yōu)越的抗凍能力。當(dāng)石粉比例比20%高，且摻量相同時，III類混凝土的抗凍性能比較優(yōu)越。綜上所述，只有添加比例合適的花崗巖石粉，才可以在最大程度上提高混凝土的抗凍能力。

3 結(jié)論

通過對加入了不同細度、不同比例花崗巖石粉的水工混凝土開展?jié)B透試驗和凍融循環(huán)試驗，探究花崗巖石粉細度和含量對其抗凍防滲能力的影響，得出如下結(jié)論：①三種細度的水工混凝土試樣的滲透系數(shù)都表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律，即相對滲透系數(shù)都隨著摻量的增加，而呈現(xiàn)出先逐漸減小，隨后快速增大的趨勢。細度為I、II、III 的水工混凝土，其相對滲透系數(shù)分別在摻量17.5%、20%和22.20 時達到最小值，與0 摻量的對照組最小值2.31×10-7cm/h 相比，各減小了56.47%、57.03%和58.07%。②當(dāng)石粉含量小于15%時，水工混凝土的抗?jié)B能力從小到大分別是GIII、GI 和GII；當(dāng)石粉含量大于15%小于20%時，三種類型的混凝土有著相同的抗?jié)B能力；當(dāng)石粉含量大于20%時，水工混凝土的抗?jié)B能力從小到大分別是GI、GII 和GIII。③在三種細度下的混凝土中，都有一組混凝土的抗凍能力最強，分別是I類細度，摻量17.50%、II類細度，摻量20%、III類細度，摻量22.50%。三類混凝土分別有4.06%、3.57%、2.85%的質(zhì)量損失率和66.52%、68.34%、70.44%的動彈性模量。前者與基準(zhǔn)對照組（7.05%）相比分別降低了42.41%、49.36%、59.57%；后者與基準(zhǔn)對照組（45.24%）相比分別增加了21.28%、23.10%、25.20%，明顯提高了混凝土的抗凍能力。這也表明只有添加比例合適的花崗巖石粉，才可以在最大程度上提高混凝土的抗凍能力。