肖婷婷，楊春艷

(1.遼陽(yáng)市發(fā)展改革事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽(yáng) 111000；2.遼陽(yáng)市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于石材加工我國(guó)每年產(chǎn)生的花崗巖石粉高達(dá)1000萬(wàn)t，這些石粉的利用率偏低，年消耗量少，由此導(dǎo)致的水體與空氣污染、土地侵占等問(wèn)題突出[1]。受材料自身?xiàng)l件和制備工藝限制，內(nèi)部存在氣泡和孔隙等缺陷使得水工混凝土抗?jié)B能力大大減弱，入侵水量增多加劇凍害破壞，而水工結(jié)構(gòu)耐久性與凍害密切相關(guān)[2]。壩體、閘門(mén)、渠道等結(jié)構(gòu)每年因凍融及滲透破壞導(dǎo)致大量水資源的浪費(fèi)，并且需要投入巨大的維修費(fèi)用。隨著環(huán)境保護(hù)和資源利用要求的提升，人們?cè)絹?lái)越注重廢棄礦物的再生利用，將礦物摻合料加入混凝土中逐漸成為性能改善的主要手段。我國(guó)諸多學(xué)者深入探討了摻合料的影響作用，有學(xué)者認(rèn)為摻量較低時(shí)能夠減小孔隙率，在不同程度上提升抗腐蝕、抗氯離子滲透及力學(xué)性能，但不同類型的摻合料對(duì)改善抗凍性的作用效果有所差異[3-6]。趙井輝等[7]從微觀上探討了內(nèi)摻花崗巖石粉的影響作用，結(jié)果表明摻量適當(dāng)時(shí)有利于改善試件的抗凍、抗?jié)B性，這是因?yàn)榛◢弾r石粉會(huì)優(yōu)化孔級(jí)分配及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且粒徑分布越廣其增強(qiáng)作用越好；石妍等[8]認(rèn)為混凝土的宏觀性能受水泥石界面微觀特征及氣孔結(jié)構(gòu)的影響顯著，增大混凝土整體性、密實(shí)度及減少內(nèi)部缺陷已成為現(xiàn)階段微觀結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)之一；郭育霞等[9]分析了混凝土性能受內(nèi)摻和外摻石粉摻量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)外摻15%～20%石粉時(shí)的整體性能最優(yōu)；宋華等[10]探究了混凝土抗碳化性能受不同礦物摻合料的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨摻合料混合方式、種類的改變混凝土抗碳化性能發(fā)生相應(yīng)變化，摻入適量摻合料能夠改善抗碳化性能。雖然現(xiàn)有研究分析了混凝土性能受花崗巖石粉的影響，但較少涉及水工混凝土耐久性能、力學(xué)及工作性能受不同花崗巖石粉摻量的影響規(guī)律，對(duì)于花崗巖石粉最優(yōu)摻量及其作用機(jī)理的研究更少。因此，本文利用抗凍抗?jié)B、抗折抗壓和坍落度試驗(yàn)，探討了水工混凝土耐久性能、力學(xué)及工作性能受花崗巖石粉摻量的影響，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出最優(yōu)摻量范圍，以期為實(shí)現(xiàn)水工混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)及花崗巖石粉資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

采用P·O 42.5級(jí)普硅水泥，密度3100 kg/m3，燒失量3.60%，標(biāo)稠用水量24.7%，初凝時(shí)間、終凝時(shí)間225 min和290 min，比表面積358 m2/kg，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度21.4 MPa和46.5 MPa，氯離子含量0.010%，堿含量0.52%，氧化鎂2.47%，其主要性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)有關(guān)規(guī)定。花崗巖石粉選用大連本地石材廠提供的石材廢料，經(jīng)檢測(cè)其化學(xué)成分及技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 花崗巖石粉的成分及技術(shù)指標(biāo)

集料選用大連建材廠生產(chǎn)的天然河砂，其表觀密度2700 kg/m3，粒徑范圍0～4.75 mm；碎石選用粒徑5～10 mm(小石)、10～20 mm(中石)和16～31.5 mm(大石)三種規(guī)格的碎石，表觀密度2680 kg/m3，吸水率0.80%；試驗(yàn)選用萘系高效減水劑，減水率26.1%，拌和水選用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)對(duì)0%、5%、10%、15%、20%、25%花崗巖石粉摻量水工混凝土進(jìn)行抗氯離子侵蝕、快速碳化、快速凍融、抗折抗壓以及坍落度試驗(yàn)，設(shè)計(jì)3 d、7 d、14 d、28 d不同碳化時(shí)間，50次、100次、150次、200次和300次不同凍融循環(huán)次數(shù)，3 d、7 d和28 d不同養(yǎng)護(hù)齡期，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析混凝土保水性、黏聚性、抗壓抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲透性隨花崗巖石粉摻量的變化規(guī)律。采用花崗巖石粉等質(zhì)量替代水泥，內(nèi)摻花崗巖石粉混凝土配合比如表2。

表2 試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物的工作性能

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定0%、5%、10%、15%、20%和25%花崗巖石粉摻量條件下拌合物的保水性、黏聚性及坍落度，如表3和圖1。

圖1 拌合物坍落度變化特征

表3 拌合物保水性和黏聚性

由圖1可知，拌合物坍落度隨花崗巖石粉摻量的增加呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢(shì)，而坍落度增長(zhǎng)率則表現(xiàn)出下降趨勢(shì)；摻5%、10%、15%、20%、25%花崗巖石粉組相比于基準(zhǔn)對(duì)照組的坍落度增幅分別為17.50%、31.25%、40.63%、48.13%和52.50%。結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)，摻5%、10%、15%花崗巖石粉組與基準(zhǔn)對(duì)照組的保水性、黏聚性相當(dāng)，而摻量超過(guò)20%時(shí)拌合物的保水性與黏聚性變差，說(shuō)明摻入適量范圍花崗巖石粉有利于改善拌合物的工作性[11]。

2.2 硬化力學(xué)性能

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定0%、5%、10%、15%、20%和25%摻量條件下各組試件的3 d、7 d、28 d齡期強(qiáng)度，如圖2。

圖2 力學(xué)性能變化特征

從圖2可以看出，不同花崗巖石粉摻量時(shí)各組試塊的3 d、7 d、28 d齡期抗折和抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，試件強(qiáng)度均隨著齡期的延長(zhǎng)逐漸上升，且隨著花崗巖石粉摻量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律，摻5%～10%花崗巖石粉時(shí)的強(qiáng)度達(dá)到最高。通過(guò)分析最優(yōu)摻量試塊強(qiáng)度指標(biāo)可知，摻5%花崗巖石粉組的3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組分別增加72.55%、10.39%和7.76%，其抗折強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組分別增加47.62%、31.25%和10.81%；摻10%花崗巖石粉組的3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組分別增加60.78%、3.26%和0.89%，其抗折強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組分別增加33.33%、27.08%和5.41%。因此，在水工混凝土中摻入花崗巖石粉能夠明顯改善其力學(xué)性能，特別是對(duì)早期強(qiáng)度的促進(jìn)作用更加顯著，摻5%～10%花崗巖石粉時(shí)試塊的抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高[12]。

2.3 耐久性分析

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定0%、5%、10%、15%、20%和25%花崗巖石粉摻量條件下混凝土的耐久性能，如圖3。

圖3 耐久性能變化特征

從圖3(a)～圖3(b)可以看出，不同花崗巖石粉摻量試塊的質(zhì)量損失與相對(duì)動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)基本相同，凍融次數(shù)越大試塊的動(dòng)彈模量越小，質(zhì)量損失則呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；隨花崗巖石粉摻量的提升相對(duì)動(dòng)彈模量呈先上升后下降的變化特征，質(zhì)量損失則表現(xiàn)出相反的變化特征。摻5%～10%花崗巖石粉組的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率可能達(dá)到峰值，凍融循環(huán)300次時(shí)，摻5%、10%、15%、20%、25%花崗巖石粉組相較于基準(zhǔn)對(duì)照組質(zhì)量損失分別增加為-14.44%、-9.78%、4.89%、21.78%、36.00%，相對(duì)動(dòng)彈模量相較于基準(zhǔn)組分別增加10.24%、7.56%、-4.25%、-9.29%、-17.80%，說(shuō)明在水工混凝土中摻入適量石粉能夠提升其抗凍性[13-14]。

從圖3(c)可以看出，擴(kuò)散系數(shù)隨花崗巖石粉摻量的提升呈現(xiàn)出先下降后上升的變化特征，摻5%～10%花崗巖石粉石時(shí)出現(xiàn)峰值，摻5%、10%、15%、20%、25%花崗巖石粉組相較于基準(zhǔn)對(duì)照組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別增大-6.06%、-4.55%、1.52%、13.64%和22.73%。一般試塊的抗侵蝕能力越強(qiáng)其擴(kuò)散系數(shù)就越小，結(jié)果試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知抗氯離子侵蝕性隨花崗巖石粉摻量的提升表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，且摻5%～10%花崗巖石粉時(shí)的抗氯離子侵蝕能力最高，說(shuō)明在水工混凝土中摻入適量花崗巖石粉有利于提高其抗離子侵蝕能力。

從圖3(d)可以看出，碳化時(shí)間相同情況下，混凝土碳化深度隨花崗巖石粉摻量的增加呈現(xiàn)出先下降后上升的變化特征，摻5%～10%花崗巖石粉時(shí)出現(xiàn)峰值，摻5%、10%、15%、20%、25%花崗巖石粉組相較于基準(zhǔn)對(duì)照組的28 d齡期的碳化深度分別增大-34.31%、-27.82%、0.31%、11.44%、13.29%。碳化深度越小代表混凝土抗碳化能力越強(qiáng)，隨花崗巖石粉摻量的增加混凝土抗碳化性能表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的變化特征，并且摻5%～10%花崗巖石粉時(shí)的抗碳化能力最高，說(shuō)明在水工混凝土中摻入適量的花崗巖石粉有利于提高其抗碳化能力。

3 結(jié) 論

(1)在水工混凝土中加入一定的花崗巖石粉能夠有效改善其耐久性、力學(xué)和工作性能，并且摻5%～10%時(shí)的綜合性能最優(yōu)。

(2)水工混凝土的各項(xiàng)性能受花崗巖石粉摻量的影響存在一定差異，拌合物坍落度隨花崗巖石粉摻量的增加逐漸增大，而保水性和黏聚性隨其摻量的增加逐漸減弱；混凝土抗碳化能力、抗氯離子滲透性、抗凍性、抗折及抗壓強(qiáng)度均花崗巖石粉摻量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化特征。