水工建筑混凝土抗渗抗冻性能的试验分析

罗青云

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

1 引 言

每年都有大量的花岗岩石粉在石材加工处理中产生，这些石粉的处理方式比较随意，给土地和水资源造成了严重的污染。因为气泡和孔隙的存在，会大大降低混凝土的防渗能力，增加侵入的水量，加剧了混凝土的冻害，削弱了水工混凝土的抗冻性，尤其是对寒冷地区的水工建筑而言，会严重削弱建筑的结构耐久性。

通过对加入了不同细度、不同比例花岗岩石粉的水工混凝土开展渗透试验和冻融循环试验，探究花岗岩石粉细度和含量对其抗冻防渗能力的影响，为水工混凝土的发展和水工建筑的设计提供相应的助力和指导。

2 试验材料及方案

2.1 工程概况

某水库大坝位于北方某地区，冬季较为寒冷，季节交替时温度变化过程较大，易对大坝混凝土抗冻性和渗透性造成影响。此坝顶高程和坝长分别为202 m和300 m。P·O 42.5为所用水泥等级，混凝土坍落度30～50 mm，表1所示为其基本物理性质。试验所用的花岗岩石粉有三种细度，分别为0～45（I）、0～80（II）、0～150（III）μm，三个等级石粉的比表面积和平均粒径分别为：1 280、814、375 m2/kg与3.151、8.981、19.376 μm。试验所用砂为粒径0～4.65 mm的普通河砂，其表观密度是2 697 kg/m3，所用石子为级配连续的碎石，其粒径为5～22 mm，2 668 kg/m3为其表观密度；减水剂选用的是高效减水剂，其减水率最大可以达到25%。

表1 水泥力学和物理性质表

2.2 试验方法

水工混凝土所制渗透试验的样品质量配合比为水：水泥：石子：砂子=0.45：1：3.20：2.22，并编号为C0。对于细度花岗岩石粉在混凝土中的掺入量，本文设置了三种不同的含量来进行冻融循环下的耐久性试验，分别为0～150、0～80、0～45 μm。将同种细度视为一组，并分别设定了10种掺入量，掺入量从大到小分别为30%、27.50%、25%、22.50%、20%、17.50%、15%、12.50%、10%、7.50%，并对编号为Gθ-ε，其中石粉掺入量表示为θ，石粉细度表示为ε。混凝土的耐久性和渗透性试验都严格按照国家标准进行。

3 试验结果和分析

3.1 抗渗性能结果分析

将水工混凝土试样置于1.20 MPa的恒定水压中，通过其在一天内的渗水高度来计算出对应的相对渗透系数（Kr）。如图1 所示即为不同细度水工混凝土相对渗透系数与石粉掺量的关系曲线。

图1 石粉比例和混凝土Kr关系图

从图1能够明显看出，当花岗岩石粉的掺量在0～30%范围内时，三种细度的水工混凝土试样的渗透系数都呈现出相同的变化规律，其相对渗透系数都随着掺量的增加，而呈现出先逐渐减小，随后快速增大的趋势。细度为I、II、III的水工混凝土，其相对渗透系数分别在掺量17.50%、20%和22.20时达到最小值（各为1.002×10-7、0.989×10-7、0.951×10-7cm/h），即防渗效果最佳值。三种细度的相对渗透系数最小值与0 掺量的对照组最小值2.31×10-7cm/h 相比，各减小了56.47%、57.03%和58.07%，这一现象说明当混凝土中掺入比例合适的花岗岩石粉时，能够使水工混凝土的抗渗性能得到较大的提高，且第三种细度提高效果最好。各组混凝土的抗渗性随着花岗岩石粉掺量的持续提高而降低。这是由于花岗岩石粉的颗粒形态比较复杂，并且颗粒级配优良，所以有着较好的微晶核效应与填充效应，在优化混凝土性质时也产生了很多附着体，使石粉表面的水化产物能够更加快速的进行析晶反应，并产生微骨料。这种微骨料大量存在于颗粒之间，间接提高了颗粒间的胶结能力，增大了界面结构和水泥石结构的密实性，抑制了水泥浆的自收缩性，大大降低了微小裂缝和孔隙出现的概率，增大了水工混凝土的强度，能使其具有更强的抗侵蚀、抗渗透能力。但总归而言，花岗岩石粉并不具备胶结能力，行业内也未将其视为胶结材料，所以当花岗岩石粉的比例越来越高时，大量水分会被其吸附，继而减少了参与水泥水化反应的水量，降低了单位体积内混凝土水化产物的数量，数量减少的水化产物无法对这些花岗岩石粉颗粒进行很好的连接和包裹，降低了混凝土的密实度，增加了孔隙数量，最终造成混凝土抗渗效果不佳。

三种花岗岩石粉细度下水工混凝土Kr随石粉掺量改变而呈现的变化规律大致相同，但当石粉含量相同时，各细度混凝土间的Kr 值有所差异，即抗渗能力大小不一。当石粉含量小于15%时，GII类的水工混凝土Kr值最小，其次是GI，Kr值最大的是GIII，这说明此时水工混凝土的抗渗能力从小到大分别是GIII、GI 和GII；当石粉含量大于15%小于20%时，三种类型的混凝土Kr值相近，表明其有着相同的抗渗能力；当石粉含量大于20%时，GIII类的水工混凝土Kr值最小，其次是GII，Kr值最大的是GI，这说明此时水工混凝土的抗渗能力从小到大分别是GI、GII和GIII。对此现象进行分析得出：掺入的花岗岩石粉不仅有着很好的填充能力，还含有很多的钙质材料和活性物质，这些物质能够与水泥中的铁铝酸四钙（C4AF）和铝酸三钙（C3A）再次发生水化反应，可以生成强度更高的单碳铝酸钙，这种水化产物可以将混凝土变得更加密实，并且活性会随着细度的减小而增大。花岗岩石粉在细度为II时要比I的粒径分布广，对孔隙的填充效果较好，并且II 类的活性要大于III 类，水化反应能够更加深入，所以当石粉含量小于15%时，在晶核效应、填充效应和水化作用下，对混凝土抗渗能力的提高幅度最大。在石粉含量为20%左右时，石粉的填充效果已发挥完全，I、II 类与III 类相比，前两类由于比表面积较大，可以更好的吸附水水分子，影响了水化产物的反应数量，降低了混凝土的密实度，使其抗渗能力快速下降。

2.2 抗冻结果分析

不同细度花岗岩石粉含量的水工混凝土开展冻融试验，记录不同冻融循环次数下的相对动弹性模量和质量损失率。得出随着冻融循环次数的持续增加，各参量、各细度下的水工混凝土质量损失率和相对动弹性模量的变化去时基本一致。当掺量和细度相同时，损失率逐渐上升，而相对弹性模量则逐渐减少。同时可以发现，在三种细度下的混凝土中，都有一组混凝土有着最强的抗冻能力，分别是I类细度，掺量17.50%、II类细度，掺量20%、III 类细度，掺量22.50%。三类混凝土在试验范围内的最大冻融次数（350 次）下，分别有4.06%、3.57%、2.85%的质量损失率和66.52%、68.34%、70.44%的动弹性模量。前者与基准对照组（7.05%）相比分别降低了42.41%、49.36%、59.57%；后者与基准对照组（45.24%）相比分别增加了21.28%、23.10%、25.20%，明显提高了混凝土的抗冻能力。对原因进一步分析可知，添加合适比例的花岗岩石粉，使水化产物得到增加，对大孔隙进行填充，减少了混凝土内部水量，减少了水结冰而形成的膨胀力，在一定程度上减缓了混凝土剥落速度和裂缝产生速度，降低了动弹性模量和质量的损失程度。即使掺量相同的水工混凝土，其抗冻能力也会因花岗岩细度的不同而不同。细度为III 时，花岗岩石粉的比例范围是7.50%～27.50%，细度为II 时，花岗岩石粉的比例范围是7.50%～25%，细度为I时，花岗岩石粉的比例范围是12.50%～22.50%，在这些范围内时，混凝土的抗冻等级才高于F350。研究结果还表明，当石粉比例不高于17.50%，且掺量相同时，II类混凝土的质量、相对模量损失率都要比另外两种细度的水工混凝土小，具有优越的抗冻能力。当石粉比例比20%高，且掺量相同时，III类混凝土的抗冻性能比较优越。综上所述，只有添加比例合适的花岗岩石粉，才可以在最大程度上提高混凝土的抗冻能力。

3 结论

通过对加入了不同细度、不同比例花岗岩石粉的水工混凝土开展渗透试验和冻融循环试验，探究花岗岩石粉细度和含量对其抗冻防渗能力的影响，得出如下结论：①三种细度的水工混凝土试样的渗透系数都表现为相同的变化规律，即相对渗透系数都随着掺量的增加，而呈现出先逐渐减小，随后快速增大的趋势。细度为I、II、III 的水工混凝土，其相对渗透系数分别在掺量17.5%、20%和22.20 时达到最小值，与0 掺量的对照组最小值2.31×10-7cm/h 相比，各减小了56.47%、57.03%和58.07%。②当石粉含量小于15%时，水工混凝土的抗渗能力从小到大分别是GIII、GI 和GII；当石粉含量大于15%小于20%时，三种类型的混凝土有着相同的抗渗能力；当石粉含量大于20%时，水工混凝土的抗渗能力从小到大分别是GI、GII 和GIII。③在三种细度下的混凝土中，都有一组混凝土的抗冻能力最强，分别是I类细度，掺量17.50%、II类细度，掺量20%、III类细度，掺量22.50%。三类混凝土分别有4.06%、3.57%、2.85%的质量损失率和66.52%、68.34%、70.44%的动弹性模量。前者与基准对照组（7.05%）相比分别降低了42.41%、49.36%、59.57%；后者与基准对照组（45.24%）相比分别增加了21.28%、23.10%、25.20%，明显提高了混凝土的抗冻能力。这也表明只有添加比例合适的花岗岩石粉，才可以在最大程度上提高混凝土的抗冻能力。