掺花岗岩石粉对低强水工混凝土强度及微观结构的影响研究

(本溪市水务事务服务中心，辽宁 本溪 117000)

花岗岩在水利、交通、建筑等工程中已普遍使用，但对使用过程中废弃的花岗岩的资源化利用程度并不高，由此造成了一系列生态环境问题。加强对废弃矿物料的回收利用，不仅可以节约工程投资，改善混凝土材料的力学性能，同时也响应国家节能减排和加强环保建设的号召，可以产生很好的社会经济效益[1-3]。

国家近些年来加大了对水电等清洁能源的投资力度，水工混凝土作为水电建设中最为重要的结构材料之一，如何既提高其耐久性能，又节约投资，是一项十分艰巨的任务[4]。影响水工混凝土力学性能的因素有材料本身、外加剂、掺和料、施工因素、环境因素等[5-8]，在设计施工过程中应引起高度的重视。经研究发现，花岗岩对混凝土的力学性能有一定的提升作用，在宏观力学和微观结构上可对混凝土起到一定的改善作用，因此，可将花岗岩石粉充分利用于水工建设当中[9-13]。

水工渠道、坝基混凝土回填、次要建筑物等水工结构部位的混凝土的设计强度一般不高，由于设计和施工等原因，造成了防渗成本较高且防渗效果也不是很理想，故而将花岗岩石粉运用于低强水工混凝土，既可提升其整体防渗性能，又能满足设计强度，对于工程实践具有很重要的现实意义。本文开展了掺量为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%情况下的宏观和微观试验，试图找到最佳花岗岩石粉掺量，并建立微观参数和宏观参数之间的相关关系，为今后工程的设计施工提供借鉴。

1 试验概况

图1 花岗岩粒度测试曲线

试验所选用的花岗岩石粉为当地一家石材厂生产过程中丢弃的石材废料，主要化学成为SiO2、Al2O3和Na2O，细度范围为0～150um，粒度测试曲线见图1。水泥等级为P.C32.5R，石子的级配范围为5～20mm，河砂级配为0～4.75mm，减水剂类型为苯系减水剂，其减水率大于20%。采用等量替换的试验准则，在混凝土中分别添加0、5%、10%、15%、20%、25%、30%花岗岩石粉，水胶比均为0.4。将各配合比下的混凝土制成边长为20cm的正方体试件，放置于标准养护箱(20℃±2℃恒温，95%恒湿)中进行标准养护3天、7天和28天。采用万能材料试验机对混凝土进行抗压试验，应力加载速率为0.3～0.5MPa/s，采用压汞试验结合电镜扫描仪对试件进行微观孔隙结构的测试和分析。

2 试验结果分析

2.1 强度特征分析

图2 强度随掺量变化关系

各试验组下不同标准养护时间的混凝土强度变化特征见图2。从图2可以观察到：掺入不同量花岗岩石粉后，对混凝土的强度有比较大的影响，具体情况为：当花岗岩石粉掺入量为0～10%时，混凝土的强度呈逐渐递增趋势，当掺入量大于10%之后，混凝土的抗压强度呈逐渐降低趋势，表明花岗岩石粉掺入量并不是越多越好，其最佳掺入量为10%左右，这是因为花岗岩石粉在混凝土中主要发挥两种作用，一是充当毛管孔隙和过渡区的微填料；二是充当微晶核，促进水化产物大量附着，减小水化产物浓度。但是当花岗岩石粉超过一定量之后，由于其不具备火山灰的活性，不能参与二次水化反应，因此导致其对混凝土强度的贡献率小于凝胶材料减少对强度的贡献率，故而整体的强度会有所减小。标准养护3天后，混凝土的强度达到养护28天后的57%～70%；标准养护7天后，混凝土强度已经达到养护28天后的75%～80%。与纯水泥组相比，当花岗岩石粉掺入量为10%时，其早期强度提升幅度更快，3天后达到了67%，7天后达到75%，而纯水泥组3天的强度仅为57%，7天也为75%。

2.2 孔隙结构特征分析

采用压汞试验对不同花岗岩石粉掺量混凝土试件的凝胶孔、过渡孔、毛细孔以及大孔等进行了分布影响的测试，其结果见图3。从图中可以看到：凝胶孔的分布量在4种孔隙中是最小的，基本小于10%，且随着花岗岩石粉掺量的增大，凝胶孔呈先增大后减小的变化特征：在掺量10%时，达到最大值10.2%，过渡孔的含量最大；当花岗岩石粉掺量小于20%时，过渡孔呈逐渐增大趋势；当含量超过20%后，过渡孔含量迅速降低；毛细孔的含量变化最为稳定，且幅度不大，在12.5%～20.2%之间，随着花岗岩石粉掺量的增大，毛细孔孔隙百分比逐渐减小。大孔孔隙率变化特征与过渡孔相反，呈先减小后增大趋势，且突变点也是在掺量20%处。表明了花岗岩石粉掺入后主要通过过渡孔与大孔之间的相互转化，改变了混凝土的孔隙结构特征，进而导致其强度、渗透性等力学行为发生改变。

图3 孔隙分布随掺量变化关系

2.3 电镜扫描结果分析

图4为花岗岩石粉掺量为0、10%、20%、30%的电镜扫描结果(龄期均为28天)。从图中可以看到：没有掺入花岗岩石粉时，混凝土孔隙较少，结构致密，颗粒直径较小；当掺入10%的花岗岩石粉后，混凝土仍然较为致密，水化产物有明显挤压孔隙的现象，孔隙直径减小，形成部分喉道；当掺入量为20%时，混凝土颗粒直径较大，结构致密性在一定程度上有所减小，孔隙直径和数量均较纯水泥组增加很多，有很多喉道产生；当花岗岩石粉掺入量为30%后，混凝土的结构整体性较差，颗粒间更加疏松，水化产物明显减少，喉道大量存在，孔隙直径和数量大大增加。喉道在一定程度上可增加强度，提升抗渗性能，但孔隙直径和数量的增加又会削弱骨架之间的联系，使得混凝土的强度和抗渗性降低，故而表现为随掺量增加呈先增后减的趋势。

图4 电镜扫描结果

2.4 强度-孔隙率-孔隙体积-分形维数模型

孔隙率P是影响混凝土强度的主要因素之一，一般认为孔隙率越大的物质，其强度越低，而孔隙率在混凝土内部又是无规则分布的，因此，对混凝土内部无规则孔隙分布引入分形维数D进行描述，同时在孔隙体积上认为小于20mm的孔隙为无害孔，即考虑孔隙体积大于20mm的孔隙体积量V。首先，通过试验及测试数据分别得到了P、V、D与花岗岩石粉掺量λ之间的相互关系，见图5。从图中可以看出：孔隙率随花岗岩石粉掺量呈先减后增的趋势，孔隙体积呈先增后减特征，而分形维数也与掺量呈先略微减小后逐渐增大趋势，且三者与掺量之间均呈良好的二次拟合关系。

P=0.0088λ2-0.0786λ+14.088

(1)

V=-2E-05λ2+0.0007λ+0.0354

(2)

D=5E-05λ2-0.0005λ+2.7862

(3)

图5 P、V、D与掺量关系

考虑混凝土强度受孔隙率、孔隙体积以及分形维数三者的相互交叉作用，拟确定如下关系式：

σ=a0+a1P+a2V+a3D+a4P2+a5V2+a6D2+

a7PV+a8PD+a9VD

(4)

式中，a0～a9为计算系数。对式(4)进行非线性参数拟合分析，最终分析得到如下参数结果(见表1)的相关性最高，相关性系数R2=0.95。将参数代入式(4)，最终得到混凝土强度与P、V、D的关系：

σ=19840-13890D+2435D2-24PV

(5)

表1 各参数拟合情况

将式(1)～式(3)代入式(5)，得到强度与花岗岩掺量的关系，然后以28天抗压强度为标准值，得到模型预测值与试验强度值的相关关系，见图6。从图中可以看出：模型拟合得到的强度值与试验所得强度值有较高的拟合精度，由于在低掺量情况下，混凝土内部结构变化较为复杂，因而拟合精度稍差，但整体来讲文中建立的强度-孔隙率-孔隙体积-分形维数模型具有工程适用性。

图6 强度预测、试验值关系

3 结 论

a.随着花岗岩石粉掺量的增加，混凝土的强度呈先增后减变化特征；凝胶孔和过渡孔随掺量增加呈先增后减趋势，毛细孔呈逐渐减小特征，大孔呈先减小后增大的变化特征；花岗岩石粉的最佳掺量为10%左右。

b.花岗岩石粉掺量的增加，使得混凝土内部喉道逐渐增多，且孔隙数量和直径也随之增加，这是混凝土强度、渗透性变化的主要影响因素。

c.根据试验结果，建立了低强水工混凝土“强度-孔隙率-孔隙体积-分形维数”模型，可初步描述不同花岗岩石粉掺量情况下混凝土的强度变化关系，可在工程实践中推广使用。