石粉掺量和细度对水工混凝土耐久性能影响试验研究

杨词范

(九江市科翔水利工程监理有限公司，江西 九江 332000)

在矿山开采和石材加工过程中会产生大量的花岗岩石粉，这些石粉没有得到合理利用而被大量遗弃，不仅占用了大量土地资源，还破坏了生态环境，给周围农作物生长带来诸多影响，因此有必要通过一定的技术手段实现花岗岩石粉的资源化利用[1]。

水利工程是关系国计民生的重要基础设施，自1949年以来，我国大力发展水利事业，目前已取得巨大的成效，但是经过一段时间的运行之后，很多水工建筑物混凝土均出现了开裂、锈蚀、渗漏等现象[2- 3]，“北冻南锈”成为我国水工混凝土结构破坏的主要原因，因此有必要对水工混凝土的耐久性展开研究，如果能将花岗岩石粉利用到改良混凝土耐久性上，更是可以起到一举两得的效果，目前，已有一些关于花岗岩石粉改良混凝土性能的研究[4- 9]，但一般还是集中于石粉掺量上，很少有针对石粉细度和掺量耦合作用的研究。

鉴于此，文章开展了不同细度花岗岩石粉掺量下水工混凝土耐久性对比试验，以期能为提升水工混凝土长期耐久性提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验原材料

花岗岩石粉：主要化学成分为SiO2(67.3%)和Al2O3(15.9%)，平均密度为2650kg/m3，平均烧失量为0.61%；细度水平Ⅰ(0～150um)的平均粒径为19.38um，比表面积为387m2/kg，28d活性指数为65.5%；细度水平Ⅱ(0～80um)平均粒径为9um，比表面积为824m2/kg，活性指数为69.2%。

水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为180min和230min，28d抗压和抗折强度分别为45.9MPa和8.4MPa，平均比表面积为343m2/kg，标准稠度用水量为26%。

骨料：细骨料为天然河砂，细度模数为2.8(中砂)，平均密度为2700kg/m3，含泥量为1.2%；粗骨料为5～20mm连续级配碎石，平均密度为2675kg/m3，含泥量为2%。

减水剂：FDN-C萘系高效减水剂，减水率为27%。

水：实验室自来水。

1.2 试验方案

试验采用质量比法和外掺方式，即花岗岩石粉(细度水平Ⅰ和Ⅱ)按照5%、7.5%、10%、12.5%、15%、20%、25%、30%的水泥质量作为添加剂掺入，不改变原有水工混凝土的初始配合比，具体试验方案见表1。

表1 试验配比方案 单位：Ag/m3

1.3 试验内容及方法

耐久性试验包括抗渗性能试验、抗氯离子侵蚀试验、抗冻试验和抗碳化性能试验。抗渗性能采用1MPa恒压24h的渗水高度来计算渗透系数值，抗氯离子侵蚀采用NJ-RCM型氯离子扩散系数测定仪(快速氯离子迁移系数法)进行测试，抗冻试验采用快速冻融法，抗碳化性能采用NJ-HTX型混凝土碳化试验箱进行快速碳化试验。

2 试验结果分析

2.1 抗渗性能

不同细度水平花岗岩石粉在不同外掺情况下的渗透试验结果如图1所示。从图1中可知：在相同细度水平下，花岗岩石粉外掺水工混凝土的相对渗透系数呈先减小后增大的变化特征；在细度水平Ⅰ情况下，当外掺量达到25%时，混凝土的相对渗透系数最小，仅为0.96×10-7cm/h，在细度水平Ⅱ情况下，当外掺量达到20%时，混凝土的相对渗透系数最小，也为0.96×10-7cm/h，与基准试验A组相比，掺入花岗岩石粉后，可以使混凝土的相对渗透系数最大降低，约为58.3%；在外掺方式下，并未减少混凝土中水泥用量，因而水化反应产物并未减少，花岗岩石粉主要还是充当填充料的作用，可以对混凝土中的孔隙结构进行填充，使水泥石和胶结界面结构更加致密，因而渗透系数减小，且粒径越小的花岗岩石粉填充效应越显著，对渗透性的改良效果更好，但是当掺量超过一定比例后，由于花岗岩石粉具有很强的吸水性，会造成水化反应所需的水量不足，从而导致混凝土中水化产物减少，骨料之间黏结作用减弱，从而使得在水压作用下更容易形成孔隙，导致抗渗性明显降低。

图1 花岗岩石粉对水工混凝土抗渗性的影响

2.2 抗氯离子侵蚀性能

不同细度水平花岗岩石粉在不同外掺情况下的氯离子扩散系数试验结果如图2所示。从图2中可知：随着花岗岩石粉含量的增加，水工混凝土的抗氯离子扩散系数呈先减小后增大的变化特征，当花岗岩石粉掺量小于20%时，外掺细度水平Ⅰ的混凝土氯离子扩散系数大于外掺细度水平Ⅱ的混凝土，当花岗岩石粉掺量大于20%后，外掺细度水平Ⅱ的混凝土氯离子扩散系数大于外掺细度水平Ⅰ的混凝土，外掺细度水平Ⅰ的混凝土氯离子扩散系数在花岗岩石粉外掺量为20%时达到最小值5.8×10-12cm2/s，外掺细度水平Ⅱ的混凝土氯离子扩散系数在花岗岩石粉外掺量为15%时达到最小值6.0×10-12cm2/s，分别较基准试验A组降低21.6%和18.9%。细度Ⅱ的花岗岩石粉较细度Ⅰ的比表面积大得多，可以吸收更多的自由水，起到分散胶凝材料和水化产物的作用，同时可以大大增加吸附氯离子的面积，降低孔隙溶液中自由氯离子的含量，但是当掺量超过一定值后，会导致混凝土水化反应不充分，反而会增加孔隙中自由氯离子数量，进而导致混凝土抗氯离子侵蚀性能下降。

图2 花岗岩石粉对水工混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

2.3 抗碳化性能

不同细度水平花岗岩石粉在不同外掺情况下的抗碳化性能试验结果如图3所示。从图3中可知：随着花岗岩石粉掺量的增加，混凝土的碳化深度呈先减小后增大的变化特征，特别是当掺量小于10%时，碳化深度随掺量下降幅度十分明显，当掺量为20%时，碳化深度最小，仅为6mm，与基准试验A组相比，碳化深度减小21.1%；花岗岩石粉的良好填充性能大大降低了混凝土的孔隙率，同时使水化产物分布更加均匀，可以大大降低CO2的渗透速率，当掺量过多时，水化产物减少，混凝土中连通孔隙增多，CO2更容易侵蚀到混凝土内部，因而其碳化性能降低；当花岗岩石粉掺量≤20%时，细度水平对混凝土抗碳化性能的影响不大。

图3 花岗岩石粉对水工混凝土抗碳化性能的影响

2.4 抗冻性能

经历300次冻融循环后，混凝土的质量损失率和相对动弹性模量随花岗岩石粉掺量的变化特征如图4所示。从图4中可知：随着花岗岩石粉外掺量的增加，混凝土的质量损失率呈先减小后增大的变化特征，当花岗岩石粉掺量达到20%时，混凝土的质量损失率最小，仅为2.8%(细度水平Ⅰ)和3%(细度水平Ⅱ)，较对照试验A组分别降低36.4%和31.8%，细度水平Ⅰ较细度水平Ⅱ具有更好的改善效果；花岗岩石粉掺量对相对动弹性模量的影响规律不是很明显，不过可以看到的是，当掺量达到15%～20%时，混凝土的相对动弹性模量最大，且细度水平Ⅱ的相对动弹性模量更大，且均超过60%。

图4 快速冻融试验结果

3 冻渗比分析

从上文分析可以看出，花岗岩石粉掺量对水工混凝土的抗渗、抗碳化、抗冻等耐久性有重要影响，但对每种耐久性指数的影响程度不同，总体而言，当花岗岩石粉掺量为15～20%时，水工混凝土的耐久性更好。为进一步得到细度对水工混凝土耐久性的影响程度，文章定义冻渗比K为

K=DF/Kr

(1)

DF=E1/E0(E1>60%或M<5%)

(2)

式中，K—冻渗比；DF—抗冻耐久性指数；Kr—相对渗透性系数；E1—经历300次冻融循环后的动弹性模量；E0—初始动弹性模量；M—质量损失率。冻渗比不仅考虑了石粉掺量的影响，也考虑了石粉细度的影响。

计算得到的不同细度花岗岩石粉掺量下的冻渗比K的变化曲线特征如图5所示。从图5中可以看到：随着石粉掺量的增加，渗冻比呈先增大后减小的变化特征，当掺量≤15%时，采用细度水平Ⅱ的水工混凝土渗冻比略大于细度水平Ⅰ的水工混凝土渗冻比，当掺量≥20%后，采用细度水平Ⅰ的水工混凝土渗冻比要大于细度水平Ⅱ的水工混凝土渗冻比，当石粉掺量为20%时，冻渗比最大；同时考虑到花岗岩石粉的利用率和筛分难度，采用粒径更大一些的花岗岩石粉配制水工混凝土效率更高，因此最终决定采用外掺20%细度水平Ⅰ花岗岩石粉(0～150um)为水工混凝土耐久性的最佳改良方案。

图5 冻渗比随石粉掺量变化关系

4 结语

采用室内试验方法对不同细度花岗岩石粉掺量下的水工混凝土耐久性能进行了对比研究，结果表明：

(1)随着花岗岩石粉掺量的增加，水工混凝土的相对渗透系数、氯离子扩散系数、碳化深度、质量损失率随花岗岩石粉掺量的增加呈先减小后增大的变化特征。

(2)花岗岩石粉细度对混凝土抗渗性、抗氯离子侵蚀性以及抗冻性有一定程度影响，但对抗碳化性能影响不大。

(3)渗冻比随着花岗岩石粉掺量的增加呈先增大后减小的变化特征，结合渗冻比，同时考虑花岗岩石粉利用率和筛分难度，认为采用外掺20%细度水平Ⅰ花岗岩石粉(0～150um)可有效提升水工混凝土的耐久性。