花崗巖石粉參數和摻量對水工混凝土性能的影響研究

馮崖竹

(滄州水利勘測規劃設計院有限公司，河北 滄州 061000)

1 研究背景

在水利工程建設質量要求不斷提高的背景下，研發具有良好工作性能、力學性能和耐久性的混凝土材料成為必然趨勢[1]。目前，在傳統混凝土中摻入不同種類和數量的礦物摻合料是改善混凝土性能的重要途徑，同時也是高性能水工混凝土研究和制作的重要領域[2]。因此，對不同種類和不同性能的礦物摻合料進行對比研究和篩選，是配制高性能水工混凝土，促進環境和諧的重要手段，在這方面進行深入研究和分析具有重要意義[3]。花崗巖鋸泥再加工形成的花崗巖石粉粒徑較小，其中的硅質和鈣質顆粒具有一定的反應活性，可以和水泥水化物緩慢反應，提高混凝土的強度和耐久性[4]，是水工混凝土的理想礦物摻合料，將其推廣應用到混凝土生產領域可以實現變廢為寶，還可減輕石材產業的環境污染[5]。此次研究選擇比表面積、摻量和MB值3個花崗巖石粉參數，通過試驗研究的方式分析不同水平對水工混凝土強度和抗滲性影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項技術指標均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的相關要求。試驗中采用的細骨料為級配良好的細河河砂，其細度模數為2.38，為中砂；試驗用粗骨料為粒徑范圍5～20 mm的連續級配人工石灰巖碎石；試驗用減水劑為聚羥酸高效減水劑；試驗中使用的花崗巖石粉來自花崗巖石材加工廠，在試驗前對其進行必要的篩分處理，利用激光粒度儀 Mastersizer2000對其進行檢測[6]。試驗中根據參數設計，分別過400目、600目、1000目和3000目篩得到不同細度的試驗樣品；試驗用水為普通自來水。

2.2 試件制作和養護

在混凝土試件的制作過程中，要注意控制好攪拌時間、攪拌方式以及材料投放順序，以保證混凝土材料能夠拌和均勻[7]。在拌合方式上，試驗采用容量為60 L強制式攪拌機進行機械拌合。在拌合過程中適當控制拌合時間，保證新拌制混凝土的質量。具體的步驟如下：對攪拌機進行清洗，避免機內殘余砂漿的影響，將拌制好的混凝土裝入100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模，然后將模具放在50 Hz的振動臺上振動30 s，在試件成型之后，利用抹刀將表面抹平，再覆蓋一層保鮮膜防止水分蒸發，然后靜置1 d脫模編號，分別養護至7 d和28 d齡期備用。

2.3 試驗方案與方法

與粉煤灰、礦粉等傳統摻合料不同，花崗巖石灰粉的活性相對較低，其水化反應對水工混凝土強度的貢獻較小，對混凝土強度與耐久性的改善和提升作用主要來自其對混凝土內部孔隙的填充作用。結合相關研究成果和石料加工廠回收的花崗巖石粉的實際情況，試驗研究中選擇比表面積、摻量以MB值三個主要參數。

試驗中采用WN-200微機電液伺服萬能試驗機進行試件的抗壓強度測試[8]。在試驗過程中將養護至試驗規定齡期的試件取出并擦拭干凈，然后將其放置在試驗機壓板的中間，然后調整儀器開始試驗。在試驗過程中以0.1 mm/s速率施加均勻荷載，直至試件破壞，并記錄下破壞極限荷載。

在試件的抗折試驗過程中，按照四點彎曲加載的方式進行，加載速率為0.1 mm/s，當試件接近破壞而達到最大荷載時停止試驗機，記錄下破壞極限荷載。

對水工混凝土而言，抗滲性能具有十分重要的意義，是決定混凝土結構耐久性的重要因素。研究中按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2020)中的相關要求進行試件的抗滲性試驗，根據試驗結果計算獲取試件的相對滲透系數。

為了保證試驗結果的科學性和有效性，每個試驗方案取三個試件進行試驗。通過對試驗結果的對比分析，探討摻加花崗巖石粉對水工混凝土強度和抗滲性的影響。

3 試驗結果分析

3.1 比表面積

比表面積是衡量花崗巖石粉細度的重要指標。研究中對根據對過400目、600目、1000目和3000目篩花崗巖石粉的比表面積進行測定，其比表面積參數分別為510 m2/kg、620 m2/kg、740 m2/kg、960 m2/kg。研究中保持10%的摻量和0.75的MB值不變，對摻加不同比表面積花崗巖石粉混凝土試件的7d和28d齡期的抗壓強度和抗折強度以及28d齡期抗滲性進行試驗。根據試驗結果，繪制出如圖1～圖3所示的抗壓強度、抗折強度以及相對滲透系數隨比表面積的變化曲線。

圖1 抗壓強度隨比表面積變化曲線

圖2 抗折強度隨比表面積變化曲線

圖3 相對滲透系數隨比表面積變化曲線

由抗壓和抗折強度試驗結果可知，花崗巖石粉比表面積對水工混凝土抗壓強度和抗折強度的作用效果和影響規律基本一致。具體來看，水工混凝土的抗壓和抗折強度隨著花崗巖石粉比表面積的增大，呈現出不斷增大最終趨于穩定的趨勢。由此可見，增大花崗巖石粉的比表面積也就是采用更細的石粉可以增強花崗巖石粉對水工混凝土抗壓和抗折強度的提升作用。但是，大幅增加石粉的細度并不能獲得更為顯著的工程效果。

從圖3可以看出，隨著比表面積的增加，混凝土試件的相對滲透系數呈現出減小趨勢，但是減小的速率明顯變小。其原因和抗壓強度和抗折強度類似，較細的花崗巖石粉對混凝土內部的微裂隙和孔隙具有更好的填充作用，但是隨著細度的進一步增加，上述作用會趨于減弱，因此降低相對滲透系數的作用也趨于弱化。

總體來看，當花崗巖石粉比表面積為620 m2/kg，也就是過600目篩的情況下，對水工混凝土的強度和抗滲性的提升作用效果最為顯著，再進一步增加比表面積時對強度和抗滲性的提升效果一般，但是會明顯增加制作成本。綜合考慮工程效果和經濟性，建議在水工混凝土制作中摻入過600目篩的花崗巖石粉。

3.2 摻 量

花崗巖石粉作為一種礦物摻合料，其摻量必然會對混凝土的強度和耐久性造成明顯的影響。研究中保持620 m2/kg的比表面積以及0.75的MB值不變，以外摻的方式分別質量比為的0%、5%、10%、15%、20%花崗巖石粉，并測定7 d和28 d抗壓強度以及28 d齡期的抗滲性。根據試驗結果繪制出如圖4～圖6所示的抗壓強度、抗折強度以及相對滲透系數隨花崗巖石粉摻量的變化曲線。

圖4 抗壓強度隨摻量變化曲線

圖5 抗折強度隨摻量變化曲線

圖6 相對滲透系數隨摻量變化曲線

由抗壓和抗折強度試驗結果可知，水工混凝土的抗壓和抗折強度隨著花崗巖石粉摻量的增加，呈現出先增大后減小的變化趨勢，當花崗巖石粉的摻量為15%時，其對水工混凝土抗壓和抗折強度的提升作用最顯著。

從圖6可以看出，相對滲透系數隨著摻量的增加不斷減小，但是減小速率也不斷減小。說明在一定范圍內增加花崗巖石粉的摻量可以有效提升水工混凝土的抗滲性。

總體來看，當花崗巖石粉摻量為15%時水工混凝土的抗壓強度和抗折強度最大，而進一步增加摻量對抗滲性的改善極為有限。因此，水工混凝土中花崗巖石粉的最佳摻量應為膠凝材料用量的15%。

3.3 MB值

MB值為石粉的亞甲藍值，是反應石粉吸附性能的重要技術指標，將石粉用于混凝土制作時其MB值往往會對混凝土性能產生重要影響。為了探究花崗巖石粉MB值對水工混凝土強度和抗滲性的影響，研究中在保持15%的花崗巖石粉摻量和620 m2/kg的比表面積不變，對0.50、0.75、1.00、1.25和1.50等5種不同的MB值方案進行試驗。根據試驗結果，繪制出抗壓強度、抗折強度以及相對滲透系數隨MB值的變化曲線，分別如圖7～圖9所示。

圖7 抗壓強度隨MB值變化曲線

由圖7和圖8可以看出，抗壓強度和抗折強度隨著花崗巖石粉MB值的增加呈現出波動變化上的趨勢，且無較為明顯的規律性，而其中個別偏差較大的點位應為試驗中的誤差或其他因素所致。

圖8 抗折強度隨MB值變化曲線

從圖9可以看出，隨著MB值的增加，相對滲透系數不斷減小，但是變化的幅度極為有限。

圖9 相對滲透系數隨MB值變化曲線

總之，花崗巖石粉的MB值對水工混凝土的抗壓強度、抗折強度以及抗滲性不存在顯著影響，在工程設計中可以不予考慮。

4 結 論

(1)隨著比表面積的增大，抗壓強度和抗折強度不斷增大，相對滲透系數不斷減小；綜合考慮工程效果和經濟性，建議在水工混凝土制作中摻入過600目篩的花崗巖石粉。

(2)隨著摻量的增加，抗壓強度和抗折強度先增大后減小，相對滲透系數不斷減小；綜合試驗結果，水工混凝土中花崗巖石粉的最佳摻量應為膠凝材料用量的15%。

(3)花崗巖石粉的MB值對水工混凝土的抗壓強度、抗折強度以及抗滲性不存在顯著影響，在工程設計中可以不予考慮。