復摻硅灰和片麻巖石粉對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

黃 婷

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523716)

1 研究背景

混凝土憑借其施工方便、性價比高等諸多優勢，在水利工程建設中得到了廣泛應用。水泥是混凝土的主要膠凝材料，但是其生產過程會產生比較嚴重的環境污染，造成比較大的環境壓力[1]。因此，如何降低水工混凝土的水泥用量，同時又能滿足質量要求，就成為工程界關注的重要問題。在長期實踐中，人們發現許多種具有潛在化學活性的礦物摻合料，在水工混凝土制作中不僅可以替代部分水泥作為膠凝材料，甚至還可以制備出性能更為優異的混凝土[2]。目前，在水工混凝土領域應用最為廣泛的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰和石粉等。

我國作為石材生產和消費大國，在各種石材的開采和加工過程中會產生大量的廢棄石粉，這些石粉一般都沒有得到妥善處置，不僅占用大量的土地資源，同時還會破壞生態環境。相關研究顯示，低摻量石粉可以有效填充混凝土內部的細小孔隙和裂縫，強化界面過渡區的黏結性能，在一定程度上改善和提升混凝土材料的力學和耐久性[3]。硅灰粒徑較小，具有較高的活性，將其摻入混凝土不僅可以提升混凝土的強度和耐久性，其細微顆粒也可以產生良好的填充作用，使混凝土結構更為密實[4]。

對水利工程而言，硫酸鹽侵蝕是影響水工混凝土結構耐久性的重要環境因素，特別是我國的沿海和鹽湖地區存在大量的含硫酸鹽水體，對上述地區的水利工程結構造成明顯的侵蝕破壞，從而影響其安全性和耐久性[5]。目前，國內外的研究中對石灰石粉和花崗巖石粉在混凝土中的應用研究較多，但是針對片麻巖石粉和硅灰聯合使用的研究不多，尚沒有關于復摻片麻巖石粉和硅灰對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗中水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，樣本的測定結果顯示其密度為3.01g/cm3，比表面積為387m2/kg，28g抗壓強度為46MPa，抗折強度為7.8MPa，各項技術指標均滿足相關規范要求，可以用于此次試驗研究。

試驗用硅灰容重為1650kg/m3，平均粒徑為0.1μm，二氧化硅含量不低于98%，堆積密度為0.67g/cm3，比表面積為20000m2/kg；試驗用片麻巖石粉為制砂過程中產生的粒徑0.0075mm以下的石粉，其表觀密度為2750kg/m3，比表面積為295m2/kg，亞甲藍值為1.5。

試驗中細骨料為天然河沙，其細度模數為2.7，為中砂，堆積密度為1450kg/m3，含泥量小于3.0%；試驗用粗骨料為人工石灰巖碎石，其粒徑范圍為5～20mm，級配良好，壓碎率小于5.0%，含泥量小于2.0%。

試驗所采用的減水劑為SBTJM-Ⅱ標準型高效減水劑，其固含量18.2%，減水率21.6%。試驗用水為普通自來水，其氯離子含量為0.02%，滿足JGJ63—2006《混凝土用水標準》的要求。

2.2 試驗方案

試驗以水工建設領域常用的C30混凝土為參照確定主要材料的配合比。其中，水泥用量為340kg/m3、細骨料用量為810kg/m3、粗骨料用量為1250kg/m3、水用量為240kg/m3。

此次研究的主要目的是探討復摻硅灰和片麻巖石粉對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響?？紤]到不同摻合料的摻量會對試驗結果存在加大影響，直接進行復摻試驗需要考慮較多的影響因素，試驗工作量較大[6]。因此，試驗中采用首先進行單摻試驗，分別獲得硅灰和片麻巖石的最佳摻量水平的基礎上，再進行復摻試驗。試驗中的硅灰和片麻巖石粉均以內摻的方式等質量取代混凝土中的膠凝材料。結合片麻巖石粉和硅灰在混凝土領域的應用研究成果，以混凝土中的膠凝材料用量為標準，其質量比的形式確定0%、2%、4%、6%、8%、10%等6種不同的硅灰摻量水平；確定0%、4%、8%、12%、16%、20%等6種不同的片麻巖石粉摻量水平進行試驗。通過對單摻試驗結果的分析，獲得最佳摻量水平[7]。在單摻試驗結果的基礎上，以硅灰和片麻巖石粉的最佳單摻比為基礎進行復摻方案試驗。試驗過程中以硅灰和片麻巖石粉最佳摻量水平的120%、100%、80%、60%、40%、20%確定復摻比。

2.3 試驗方法

在硫酸鹽侵蝕試驗中采用的是150mm×150mm×150mm的立方體標準試件。根據上節的試驗方案設計，稱量好混凝土制作所需要的各種材料，然后制作好混凝土試件并在標準養護條件下養護至28d齡期[7]。

試件的硫酸鹽侵蝕試驗采取自然浸泡方式，試驗儀器為TVN350型干濕循環硫酸鹽侵蝕試驗機[8]。在試驗之前，首先將養護至28d齡期的試件取出，在擦拭干凈表面水分之后放在陰涼通風處靜置48h，然后稱量其質量以及初始彈性波的波速，測量完畢之后將其放入試驗桶，然后倒入5%的硫酸鈉溶液，液面高度以高出試件上表面5cm為宜。試驗中將溫度穩定在約25℃。為了保持硫酸鈉溶液的濃度，每隔25d更換一次硫酸鈉溶液，整個試驗歷時150d。在浸泡試驗結束之后，取出試件擦拭干凈其表面的水分，然后在陰涼通風處風干48h，再測量試件的質量和彈性波波速，然后利用WHY- 3000型全自動壓力試驗機進行試件的單軸壓縮試驗，獲取其極限抗壓強度和抗折強度。

3 試驗結果與分析

3.1 單摻試驗結果與分析

根據不同單摻方案的試驗數據，計算獲取摻加硅灰和片麻巖石粉方案的質量損失率、抗壓強度損失率、抗折強度損失率以及相對動彈模量，試驗結果見表1—2。

表1 單摻硅灰方案試驗結果 單位：%

由表1可知，單摻硅灰方案下水工混凝土的質量損失率、抗壓強度損失率、抗折強度損失率均小于普通混凝土，相對動彈模量值均大于普通混凝土。隨著硅灰摻量的增加，混凝土的質量損失率、抗壓和抗折強度損失率均先減小后增大，當硅灰摻量為8%時取得最小值；相對動彈模量則先增大后減小，當硅灰摻量為8%時取得最大值。由此可見，從改善水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的視角來看，硅灰的最佳摻量約為膠凝材料用量的8%。

由表2可知，摻入片麻巖石粉方案試件在硫酸鹽侵蝕條件下的質量損失率、抗壓強度損失率、抗折強度損失率以及相對動彈模量呈現出類似的變化規律：隨著片麻巖石粉摻量的增加，質量損失率、抗壓和抗折強度損失率先減小后增大，相對動彈模量先增大后減小。當片麻巖石粉摻量為12%時水工混凝土的質量損失率、抗壓強度損失率和抗折強度損失率最小，相對動彈模量值最大。

表2 單摻片麻巖石粉方案試驗結果 單位：%

總體來看，單摻硅灰和片麻巖石粉均可以改善水工混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，但是改善效果存在一定的差異：摻入硅灰與摻入片麻巖石粉相比，在提升混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能方面的效果更為顯著。以質量損失率為例。摻入8%的硅灰可以將質量損失率由2.77%降低到1.39%；而摻入12%的片麻巖石粉僅可以將質量損失率降低到2.35%，隨著進一步增加片麻巖石粉摻量，質量損失率會大幅上升，并顯著超過普通混凝土。究其原因，主要是摻入片麻巖石粉僅可以實現對混凝土內部孔隙的填充，提高混凝土的密實度，而摻入硅灰不僅可以起到孔隙的填充作用，還可以依靠自身活性參與水化反應，產生水化硅酸產物，使混凝土內部界面過渡區的黏結性能進一步增強。

3.2 復摻試驗結果與分析

對不同復摻率方案進行硫酸鹽侵蝕試驗，根據試驗獲得的數據，計算獲取不同復摻比方案的質量損失率、抗壓強度損失率、抗折強度損失率以及相對動彈模量，結果見表3。

表3 單摻片麻巖石粉方案試驗結果 單位：%

根據表中的試驗數據，繪制出質量損失率、抗壓強度損失率、抗折強度損失率以及相對動彈模量隨復摻率的變化曲線，結果如圖1—4所示。

圖1 質量損失率隨復摻比變化曲線

圖2 抗壓強度損失率隨復摻比變化曲線

圖3 抗折強度損失率隨復摻比變化曲線

圖4 相對動彈模量隨復摻比變化曲線

由試驗結果可以看出，隨著復摻率的增大，質量損失率、抗壓和抗折強度損失率先不斷減小后小幅上升，相對動彈模量先不斷增大后小幅減小。從變化規律本身來看，當復摻率大于40%時，混凝土的質量損失率、抗壓強度損失率、抗折強度損失率和相對動彈模量的變化不大，當復摻率小于40%時的變化相對較大。

另一方面，當復摻率為40%時，混凝土的質量損失率低于單摻最佳方案，相對動彈模量高于單摻最佳方案，抗壓強度損失率和抗折強度損失率雖然略大于單摻最佳方案，但是差別較小。由此可見，采用復摻比為40%的方案即可獲得與單摻最佳方案相似的抗硫酸鹽侵蝕性能提升效果。另一方面，采用較高的復摻比不僅有助于改善抗硫酸鹽侵蝕性能，同時還可以通過礦物摻合料的用量的增加，進一步降低工程成本。由此可見，復摻方案與單摻方案相比具有一定的工程和經濟性優勢，原因是復摻方案可以充分發揮兩種摻合料性能的互補性。當然，在具體的工程應用過程中，可以根據實際需求和工程的經濟性要求，選擇合適的復摻比。

4 結語

摻入合適種類和比例的礦物摻合料可以有效提升水工混凝土的性能和耐久性，是制作高性能的水工混凝土的重要途徑。此次研究利用室內試驗的方式，探討了復摻硅灰和片麻巖石粉對提高水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。試驗結果顯示，單摻硅灰在提升水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能方面作用優于單摻片麻巖石粉，而復摻方案與單摻方案相比更具優勢，且復摻率為40%時，可以獲得與單摻最佳方案類似的效果。當然，影響工程質量的混凝土性能是多方面的，在今后的研究中需要就復摻片麻巖石粉和硅灰混凝土的抗凍性以及工作性能進行研究，通過綜合考慮各方面的性能，獲得最佳的摻加比例，為工程應用提供更有力的支撐。