花岗岩石粉参数和掺量对水工混凝土性能的影响研究

2024-03-08冯崖竹

水利科学与寒区工程 2024年1期

冯崖竹

(沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北沧州 061000)

1 研究背景

在水利工程建设质量要求不断提高的背景下，研发具有良好工作性能、力学性能和耐久性的混凝土材料成为必然趋势[1]。目前，在传统混凝土中掺入不同种类和数量的矿物掺合料是改善混凝土性能的重要途径，同时也是高性能水工混凝土研究和制作的重要领域[2]。因此，对不同种类和不同性能的矿物掺合料进行对比研究和筛选，是配制高性能水工混凝土，促进环境和谐的重要手段，在这方面进行深入研究和分析具有重要意义[3]。花岗岩锯泥再加工形成的花岗岩石粉粒径较小，其中的硅质和钙质颗粒具有一定的反应活性，可以和水泥水化物缓慢反应，提高混凝土的强度和耐久性[4]，是水工混凝土的理想矿物掺合料，将其推广应用到混凝土生产领域可以实现变废为宝，还可减轻石材产业的环境污染[5]。此次研究选择比表面积、掺量和MB值3个花岗岩石粉参数，通过试验研究的方式分析不同水平对水工混凝土强度和抗渗性影响。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其各项技术指标均满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的相关要求。试验中采用的细骨料为级配良好的细河河砂，其细度模数为2.38，为中砂；试验用粗骨料为粒径范围5～20 mm的连续级配人工石灰岩碎石；试验用减水剂为聚羟酸高效减水剂；试验中使用的花岗岩石粉来自花岗岩石材加工厂，在试验前对其进行必要的筛分处理，利用激光粒度仪 Mastersizer2000对其进行检测[6]。试验中根据参数设计，分别过400目、600目、1000目和3000目筛得到不同细度的试验样品；试验用水为普通自来水。

2.2 试件制作和养护

在混凝土试件的制作过程中，要注意控制好搅拌时间、搅拌方式以及材料投放顺序，以保证混凝土材料能够拌和均匀[7]。在拌合方式上，试验采用容量为60 L强制式搅拌机进行机械拌合。在拌合过程中适当控制拌合时间，保证新拌制混凝土的质量。具体的步骤如下：对搅拌机进行清洗，避免机内残余砂浆的影响，将拌制好的混凝土装入100 mm×100 mm×100 mm的立方体试模，然后将模具放在50 Hz的振动台上振动30 s，在试件成型之后，利用抹刀将表面抹平，再覆盖一层保鲜膜防止水分蒸发，然后静置1 d脱模编号，分别养护至7 d和28 d龄期备用。

2.3 试验方案与方法

与粉煤灰、矿粉等传统掺合料不同，花岗岩石灰粉的活性相对较低，其水化反应对水工混凝土强度的贡献较小，对混凝土强度与耐久性的改善和提升作用主要来自其对混凝土内部孔隙的填充作用。结合相关研究成果和石料加工厂回收的花岗岩石粉的实际情况，试验研究中选择比表面积、掺量以MB值三个主要参数。

试验中采用WN-200微机电液伺服万能试验机进行试件的抗压强度测试[8]。在试验过程中将养护至试验规定龄期的试件取出并擦拭干净，然后将其放置在试验机压板的中间，然后调整仪器开始试验。在试验过程中以0.1 mm/s速率施加均匀荷载，直至试件破坏，并记录下破坏极限荷载。

在试件的抗折试验过程中，按照四点弯曲加载的方式进行，加载速率为0.1 mm/s，当试件接近破坏而达到最大荷载时停止试验机，记录下破坏极限荷载。

对水工混凝土而言，抗渗性能具有十分重要的意义，是决定混凝土结构耐久性的重要因素。研究中按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)中的相关要求进行试件的抗渗性试验，根据试验结果计算获取试件的相对渗透系数。

为了保证试验结果的科学性和有效性，每个试验方案取三个试件进行试验。通过对试验结果的对比分析，探讨掺加花岗岩石粉对水工混凝土强度和抗渗性的影响。

3 试验结果分析

3.1 比表面积

比表面积是衡量花岗岩石粉细度的重要指标。研究中对根据对过400目、600目、1000目和3000目筛花岗岩石粉的比表面积进行测定，其比表面积参数分别为510 m2/kg、620 m2/kg、740 m2/kg、960 m2/kg。研究中保持10%的掺量和0.75的MB值不变，对掺加不同比表面积花岗岩石粉混凝土试件的7d和28d龄期的抗压强度和抗折强度以及28d龄期抗渗性进行试验。根据试验结果，绘制出如图1～图3所示的抗压强度、抗折强度以及相对渗透系数随比表面积的变化曲线。

图1 抗压强度随比表面积变化曲线

图2 抗折强度随比表面积变化曲线

图3 相对渗透系数随比表面积变化曲线

由抗压和抗折强度试验结果可知，花岗岩石粉比表面积对水工混凝土抗压强度和抗折强度的作用效果和影响规律基本一致。具体来看，水工混凝土的抗压和抗折强度随着花岗岩石粉比表面积的增大，呈现出不断增大最终趋于稳定的趋势。由此可见，增大花岗岩石粉的比表面积也就是采用更细的石粉可以增强花岗岩石粉对水工混凝土抗压和抗折强度的提升作用。但是，大幅增加石粉的细度并不能获得更为显著的工程效果。

从图3可以看出，随着比表面积的增加，混凝土试件的相对渗透系数呈现出减小趋势，但是减小的速率明显变小。其原因和抗压强度和抗折强度类似，较细的花岗岩石粉对混凝土内部的微裂隙和孔隙具有更好的填充作用，但是随着细度的进一步增加，上述作用会趋于减弱，因此降低相对渗透系数的作用也趋于弱化。

总体来看，当花岗岩石粉比表面积为620 m2/kg，也就是过600目筛的情况下，对水工混凝土的强度和抗渗性的提升作用效果最为显著，再进一步增加比表面积时对强度和抗渗性的提升效果一般，但是会明显增加制作成本。综合考虑工程效果和经济性，建议在水工混凝土制作中掺入过600目筛的花岗岩石粉。

3.2 掺量

花岗岩石粉作为一种矿物掺合料，其掺量必然会对混凝土的强度和耐久性造成明显的影响。研究中保持620 m2/kg的比表面积以及0.75的MB值不变，以外掺的方式分别质量比为的0%、5%、10%、15%、20%花岗岩石粉，并测定7 d和28 d抗压强度以及28 d龄期的抗渗性。根据试验结果绘制出如图4～图6所示的抗压强度、抗折强度以及相对渗透系数随花岗岩石粉掺量的变化曲线。

图4 抗压强度随掺量变化曲线

图5 抗折强度随掺量变化曲线

图6 相对渗透系数随掺量变化曲线

由抗压和抗折强度试验结果可知，水工混凝土的抗压和抗折强度随着花岗岩石粉掺量的增加，呈现出先增大后减小的变化趋势，当花岗岩石粉的掺量为15%时，其对水工混凝土抗压和抗折强度的提升作用最显著。

从图6可以看出，相对渗透系数随着掺量的增加不断减小，但是减小速率也不断减小。说明在一定范围内增加花岗岩石粉的掺量可以有效提升水工混凝土的抗渗性。

总体来看，当花岗岩石粉掺量为15%时水工混凝土的抗压强度和抗折强度最大，而进一步增加掺量对抗渗性的改善极为有限。因此，水工混凝土中花岗岩石粉的最佳掺量应为胶凝材料用量的15%。

3.3 MB值

MB值为石粉的亚甲蓝值，是反应石粉吸附性能的重要技术指标，将石粉用于混凝土制作时其MB值往往会对混凝土性能产生重要影响。为了探究花岗岩石粉MB值对水工混凝土强度和抗渗性的影响，研究中在保持15%的花岗岩石粉掺量和620 m2/kg的比表面积不变，对0.50、0.75、1.00、1.25和1.50等5种不同的MB值方案进行试验。根据试验结果，绘制出抗压强度、抗折强度以及相对渗透系数随MB值的变化曲线，分别如图7～图9所示。