不同凝灰?guī)r粉摻量的水工混凝土性能研究

周 爽

（遼寧省北票市下府水利服務站，遼寧 北票 122113）

近年來，水利事業(yè)的快速發(fā)展，使得水利工程建設對礦物摻合料的需求量急劇增大，特別是東北地區(qū)面臨著嚴重的礦粉、粉煤灰短缺問題，市場上礦物摻合料供不應求，價格居高不下。為加快轉(zhuǎn)變原材料短缺的局面，結合當?shù)靥攸c尋找性能穩(wěn)定、價格低廉的礦物摻合料已勢在必行[1-3]。

我國東北部的凝灰?guī)r(火山碎屑巖)儲量豐富，將其破碎、球磨后替代部分水泥，既能夠有效解決混凝土成本增加和當?shù)氐V物摻合料短缺的問題，還可以在一定程度上減輕環(huán)境污染壓力[4]。一般地，凝灰?guī)r內(nèi)部含有較多的無定型玻璃體和鋁、硅等元素，其火山灰活性明顯。關于凝灰?guī)r國內(nèi)諸多學者開展了廣泛研究，有學者利用沸石化凝灰?guī)r、鈣質(zhì)凝灰?guī)r探討了制備環(huán)境友好型凝膠材料和水工混凝土的可能性；UZAL等在水泥中摻入火山灰質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)特定細度和水膠比下?lián)?5%火山灰質(zhì)復合水泥與純水泥具有相當?shù)?20d抗壓強度，并提出與火山灰效應的關系[5-7]。

本研究將凝灰?guī)r破碎、球磨至合適的比表面積，試驗分析了水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性、抗凍抗?jié)B性受凝灰?guī)r粉摻量的影響，從微觀上利用壓汞法探討了混凝土摻凝灰?guī)r粉后的孔隙結構，旨在為水工混凝土中凝灰?guī)r的資源化利用提供一定借鑒。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥：大連天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級通用硅酸鹽水泥，比表面積320m2/kg，標稠用水量24%，化學成分如表1所示。

凝灰?guī)r粉：來源于遼寧丹東地區(qū)，將凝灰?guī)r破碎、球磨至比表面積350m2/kg，450m2/kg的粉末，化學成分如表1所示。

表1 凝灰?guī)r粉和水泥的化學成分 %

粗、細骨料：粗骨料用天然花崗巖碎石，粒徑5～20mm，密度2.6g/cm3，含泥量0.5%，細骨料用渾河河砂，細度模數(shù)2.8，最大粒徑4.75mm，密度2.4g/cm3，含泥量2.0%。

外加劑：試驗用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，摻量取膠凝材料用量的2.0%，含固量15.1%，減水率25%。

拌合水：當?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比設計

試驗采用等質(zhì)量的方式，用凝灰?guī)r粉取代10%、20%、30%的水泥，配合比設計如表2所示。其中J0代表基準組，M1、M2代表比表面積350m2/kg，450m2/kg的凝灰?guī)r粉。

表2 配合比設計

1.3 試驗方法

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》推薦的快速硫酸鹽侵蝕法、快速凍融試驗法和相對滲透性試驗法測定水工混凝土性能，其中抗硫酸鹽侵蝕試樣為100mm×100mm×100m，每組試樣3個；快速凍融試件為400mm×100mm×100m，每組試樣3個，相對滲透性試件尺寸為高150mm×下口徑185mm×上口徑175mm截頭圓錐體，每組6個試樣。采用設計配合比拌制混凝土，拆模成型后標養(yǎng)至規(guī)定齡期依次開展相應試驗。

采用MIP全自動壓汞儀進行水工混凝土壓汞試驗，將標養(yǎng)28d的試樣劈裂取中心區(qū)樣，控制水泥漿顆粒直徑不超過5mm，將試樣完全浸入無水乙醇，促使水泥水化終止，然后用真空干燥箱(溫度40～50℃)干燥24h，冷卻至室溫后按操作流程開展壓汞試驗。

2 結果與分析

2.1 抗?jié)B抗凍性

水工混凝土抗?jié)B性受不同凝灰?guī)r粉摻量的影響，如圖1所示。

圖1 摻凝灰?guī)r粉的相對滲透系數(shù)

由圖1可知，水工混凝土中摻凝灰?guī)r粉可以有效改善其抗?jié)B性。對于比表面積350m2/kg的凝灰?guī)r粉，水工混凝土的相對滲透系數(shù)隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加而增大，但都低于J0基準組。究其原因，雖然凝灰?guī)r粉取代水泥后減少了C-S-H凝膠數(shù)量，但C-S-H凝膠空間結構的復雜性以及基體材料內(nèi)部的曲折性、孔隙長度明顯增加，外界水分的滲透路徑得到一定程度的延伸，外界水的滲透阻力隨之增大[8-9]。因此，水工混凝土中摻30%以下的凝灰?guī)r粉，有利于減小相對滲透系數(shù)，從而增強其抗?jié)B性能。此外，摻量相同情況下，M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)低于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)的相對滲透系數(shù)，說明細度越高則凝灰?guī)r粉改善抗?jié)B性能的效應越優(yōu)。

水工混凝相對動彈模量、質(zhì)量損失率受不同凝灰?guī)r粉摻量的影響，如圖2所示。

圖2 摻凝灰?guī)r粉的質(zhì)量損失率與相對動彈模量

由圖2可知，對于比表面積350m2/kg的凝灰?guī)r粉，水工混凝土的質(zhì)量損失率隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加整體呈上升趨勢，而相對動彈模量呈波動下降趨勢；摻10%、20%凝灰?guī)r粉時，水工混凝土的相對動彈模量都在65%以上，質(zhì)量損失率均不超過5%，該摻量下的水工混凝土抗凍等級(F300)與基準混凝土相當，究其原因是摻入適量的凝灰?guī)r粉可以填充內(nèi)部的孔隙，使得水分遷移和滲透受阻，水結冰膨脹的凍脹力以及試樣的動彈模量損失、質(zhì)量損失減小[10]；摻30%凝灰?guī)r粉時，水工混凝土的相對動彈模量顯著減小，而質(zhì)量損失率明顯增大，其抗凍等級(F200)低于基準對照組(F300)，究其原因是摻過多的凝灰?guī)r粉致使水泥用量明顯減少，水化生成的C-S-H凝膠量過多減少，不利于增強基體與骨料間的黏結強度以及結構的整體性，水工混凝土相對動彈模量隨著凍融循環(huán)的持續(xù)明顯降低，質(zhì)量損失率明顯增大，抗凍等級也隨之下降。此外，摻量相同情況下，M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)優(yōu)于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)的抗凍性能，說明細度越高則凝灰?guī)r粉改善抗凍性能的效應越優(yōu)。

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性

定義基準強度為標準養(yǎng)護同齡期受硫酸鹽腐蝕試件的抗壓強度，腐蝕后強度為受硫酸鹽腐蝕干濕循環(huán)150次的試件抗壓強度，水工混凝土摻凝灰?guī)r粉的抗壓強度和耐腐蝕系數(shù)，如圖3所示。

圖3 水工混凝土抗壓強度與耐腐蝕系數(shù)

由圖3可知，受腐蝕后J0基準組的抗壓強度下降較多，其抗硫酸鹽侵蝕性較差。水工混凝土摻比表面積350m2/kg凝灰?guī)r粉后的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)明顯高于J0組，這表明凝灰?guī)r粉的加入有效增強了抗硫酸鹽侵蝕性；控制摻量20%以內(nèi)時，受腐蝕后水工混凝土抗壓強度降幅隨凝灰?guī)r粉摻量的增加而減小，耐腐蝕系數(shù)不斷上升；摻量超過20%時，其抗壓強度耐腐蝕系數(shù)隨凝灰?guī)r粉摻量的增大明顯下降。此外，摻量相同情況下，M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)高于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)，說明細度越高則凝灰?guī)r粉改善抗硫酸鹽侵蝕性能的效應越優(yōu)。

2.3 微觀孔結構

水工混凝土摻凝灰?guī)r粉后的微觀孔徑分布參數(shù)如表3所示，孔結構受凝灰?guī)r粉的影響特征如圖4所示。

表3 微觀孔徑分布參數(shù)

由表3可知，摻20%比表面積350m2/kg的凝灰?guī)r粉時，M1-20組的孔隙率較J0基準組減小了10.2%，該組的孔隙率也最低。此外，摻量相同情況下，M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)的孔隙率低于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)。

宏觀上，水工混凝土耐久性受孔結構的影響較大，結合相關研究成果將混凝土孔劃分成多害孔、有害孔、少害孔、無害孔，所對應的孔徑為≥200nm、50～200nm、20～50nm、＜20nm。由圖4可知，摻20%及以下比表面積350m2/kg凝灰?guī)r粉的水工混凝土組，其少害孔和無害孔體積占比之和明顯高于J0基準組，究其原因是水工混凝土中摻凝灰?guī)r粉有效增強了其抗硫酸鹽侵蝕、抗凍抗?jié)B性能；摻量提高到30%時，水泥減少帶來的負效應高于凝灰?guī)r的微集料正效應，致使多害孔和有害孔數(shù)量增加，抗凍等級也隨之下降，但其抗硫酸鹽侵蝕性、抗?jié)B性仍高于J0基準組[11-12]。此外，摻量相同情況下，M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)的少害孔和無害孔體積占比之和低于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)，說明細度越高則凝灰?guī)r粉改善孔結構的效應越優(yōu)，混凝土耐久性也就越好。

圖4 孔結構受影響特征

3 結 論

1）控制比表面積350m2/kg凝灰?guī)r粉摻量不超過30%，可以增強水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性和抗?jié)B性；水工混凝土中摻20%以內(nèi)凝灰?guī)r粉時，其抗凍等級與基準組相當，摻量達到30%時其抗凍等級有所下降。

2）比表面積越大則凝灰?guī)r粉填充水工混凝土小孔的效應越好，但填充大孔的效應較差，控制凝灰?guī)r粉摻量20%以內(nèi)時有利于優(yōu)化混凝土孔級分配。

3）摻凝灰?guī)r粉提高水工混凝土內(nèi)少害孔和無害孔體積占比之和是其增強抗硫酸侵蝕性、抗?jié)B性、抗凍性的內(nèi)在原因。