滿奇斐

(河北省子牙河河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，水利行業(yè)的投資力度和建設(shè)規(guī)模也不斷增加，一大批重大的水源工程、農(nóng)田水利工程以及引水調(diào)水工程陸續(xù)實施，并帶來巨量的水工混凝土需求[1]。由于水工混凝土的使用條件復(fù)雜，容易受到各種不利環(huán)境因素的影響，要求水工混凝土具有較高的力學(xué)性能和耐久性。因此，高品質(zhì)的綠色高性能混凝土就成為混凝土材料研究的重要方向[2]。玄武巖石粉是我國重要的廉價尾礦資源，對其進(jìn)行資源化利用可以起到良好的生態(tài)環(huán)境保護作用。另一方面，在水工混凝土中添加一定數(shù)量的玄武巖石粉，可以起到一定的填充和密集效應(yīng)，有利于提高混凝土的和易性和力學(xué)性能，而石粉對水泥的替代還有助于凝固過程中的絕熱溫升控制，提高混凝土抗裂性能[3]。但是玄武巖石粉的大量摻入也會降低混凝土的流動性和抗壓強度[4]?；诖?，此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探求玄武巖石粉摻量對水工混凝土力學(xué)性能的影響，為玄武巖石粉在水工混凝土領(lǐng)域的摻加應(yīng)用提供支持。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

此次試驗所使用的水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)測定水泥樣本的初凝時間在133 min，終凝時間為156 min，標(biāo)準(zhǔn)黏稠度為26.4%，比表面積為415 m2/kg，28 d抗壓強度和抗折強度分別為52.6 MPa和9.4 MPa；試驗用粉煤灰為電廠Ⅱ級粉煤灰，含水量為0.2%，燒失量為1.37%，活性指數(shù)為81%；試驗用玄武巖石粉為制砂過程中的副產(chǎn)品，其粒徑為75 μm，表觀密度為3160 kg/m3，比表面積為328 m2/kg，燒失量為41%；試驗用細(xì)集料為天然河沙，其含泥量小于5%，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2550 kg/m3，堆積密度為1450 kg/m3；試驗用粗集料為玄武巖碎石，具有形狀均勻、硬度高的特點，其表觀密度為2660 kg/m3，堆積密度為 1520 kg/m3，壓碎指標(biāo)為10.65%；試驗用減水劑為SBTJM-Ⅱ型高效減水劑，減水率為21.6%；拌合用水為普通自來水。

1.2 試驗方案

試驗中按照水工混凝土的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，將混凝土強度設(shè)計為C40，水膠比確定為0.35，砂率為0.39。玄武巖石粉采用內(nèi)摻的方式代替部分水泥用量，設(shè)計了0、5%、10%、15%、20%、25%、30%等7種不同的摻加比例，設(shè)計出如表1所示的不同試驗方案。

1.3 試驗方法

試驗中按照《混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)的相關(guān)要求，抗壓試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，抗折強度試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體試件，抗?jié)B性試驗采用上口和下口直徑分別為175 mm和 185 mm、高 150 mm 的圓臺形試件[5]。在混凝土制作過程中，首先按照表1中的不同方案的配合比稱量好相應(yīng)的材料，然后將水泥、粉煤灰、玄武巖石粉、粗集料和細(xì)集料加入攪拌機干拌2 min，然后將減水劑加入水中攪拌均勻慢慢加入攪拌機，然后再繼續(xù)攪拌3 min，再將混凝土裝入試模并用振搗臺振實[6]。在裝模之前應(yīng)該將試模內(nèi)部清理干凈，然后均勻涂刷一層有機脫模劑。將制作好的試件靜置24 h后脫模，再在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室分別養(yǎng)護至3 d、7 d和28 d齡期進(jìn)行相應(yīng)的試驗。

表1 各試驗方案配合比

1.4 試驗方法

試件的抗壓強度在萬能試驗機上進(jìn)行，試驗過程中以0.3 MPa/s的速率均勻施加荷載，當(dāng)試件接近破壞狀態(tài)并產(chǎn)生比較迅速的變形時，對施加的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)直至破壞，并記錄下破壞荷載[7]。試件的抗折強度采用簡支梁三分點加荷法進(jìn)行測試，試驗儀器為電腦恒應(yīng)力試驗機，加載的速率控制在100 N/s左右。試件的抗?jié)B性能采取相對滲透性的試驗方法，試驗儀器為混凝土抗?jié)B儀[8]。試驗過程中，水壓力設(shè)置為1.2 MPa，運行時間為24 h，試驗結(jié)束之后將試件由壓力機劈裂，在劈裂后試件的底邊上畫出水痕的位置，量出滲水的高度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

抗壓強度是水工混凝土力學(xué)性能評價中最重要的指標(biāo)。對不同玄武巖石粉摻量方案下3 d、7 d和28 d齡期的抗壓強度進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖1所示的抗壓強度變化曲線。由圖1可知，隨著玄武巖石粉摻量的增加，水工混凝土在3 d、7 d和28 d的抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點。由此可見，在水工混凝土中摻加適量的玄武巖石粉，對抗壓強度的提升具有較好的作用。但是，摻入量過大時抗壓強度反而會降低。究其原因，主要是玄武巖石粉具有較大的比表面積，可以吸附大量的水分子。如果摻入量過多，一方面會導(dǎo)致混凝土參加水化反應(yīng)的自由水量減少，使水化生成物的數(shù)量不足，難以充分包裹混凝土中的集料，從而形成諸多稀疏結(jié)構(gòu)。另一方面，如果石粉的摻入量過多，就會降低混凝土的流動性，從而影響混凝土成型后的內(nèi)部均質(zhì)性。從具體的試驗結(jié)果來看，當(dāng)玄武巖石粉的摻量為20%時，3 d、7 d和28 d齡期的抗壓強度值均達(dá)到最大，分別為 35.1 MPa、46.4 MPa和61.6 MPa，與沒有摻加玄武巖石粉時的25.5 MPa、35.4 MPa和45.6 MPa的抗壓強度值相比，分別增加了約37.6%、31.1%和35.1%。因此，從抗壓強度的視角來看，玄武巖石粉的最佳摻量應(yīng)該以20%左右為宜。

圖1 抗壓強度變化曲線

2.2 抗折強度

抗折強度也是水工混凝土力學(xué)性能評價中最重要的指標(biāo)。對不同玄武巖石粉摻量方案下3 d、7 d 和28 d齡期的抗折強度進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖2所示的抗折強度變化曲線。由圖2可知，隨著玄武巖石粉摻量的增加，水工混凝土在3 d、7 d和28 d的抗折強度變化特征與抗壓強度類似，也是先增大后減小。由此可見，在水工混凝土中摻加適量的玄武巖石粉，對抗折強度的提升具有較好的作用。但是，玄武巖石粉摻入量過大時抗折強度反而會降低，其原因與抗壓強度類似。從具體的試驗結(jié)果來看，當(dāng)玄武巖石粉的摻量為20%時，3 d、7 d和28 d齡期的抗折強度值均達(dá)到最大，分別為5.72 MPa、7.42 MPa和9.26 MPa，與沒有摻加玄武巖石粉時的4.08 MPa、5.66 MPa和7.30 MPa的抗折強度值相比，分別增加了約40.2%、31.1%和26.8%。因此，從抗折強度的視角來看，玄武巖石粉的最佳摻量應(yīng)該以20%左右為宜。

圖2 抗折強度變化曲線

2.3 抗?jié)B性

抗?jié)B性是水工混凝土耐久性的最重要評價指標(biāo)，對不同玄武巖石粉摻量方案下3 d、7 d和28 d 齡期的抗?jié)B性進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖3所示的相對滲透系數(shù)變化曲線。由圖3可知，隨著玄武巖石粉摻量的增加，試件的相對滲透系數(shù)均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征。究其原因，主要是摻加玄武巖石粉，可以起到一定的填充和密集效應(yīng)，增加混凝土的密實度，從而提高了混凝土抗?jié)B性，而過量摻入反而會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成更多的稀疏結(jié)構(gòu)，反而不利于抗?jié)B性的提升。從具體的數(shù)值來看，除了3 d齡期摻入量為15%時抗?jié)B性最佳外，其余齡期均為摻入量為20%時抗?jié)B性能最佳。

圖3 相對滲透系數(shù)變化曲線

3 結(jié) 論

(1)隨著玄武巖石粉摻量的增加，水工混凝土的抗壓強度和抗折強度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點，當(dāng)摻量為20%時的抗壓和抗折強度最大。

(2)隨著玄武巖石粉摻量的增加，水工混凝土的相對滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，當(dāng)摻量為15%～20%時的抗?jié)B性最好。

(3)在條件允許時，在水工混凝土施工中可以摻加20%左右的玄武巖石粉，不僅有利于提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性，還有利于提高工程的經(jīng)濟性和生態(tài)性。