花岗岩石粉对水工混凝土性能的影响分析

肖婷婷，杨春艳

(1.辽阳市发展改革事务服务中心，辽宁 辽阳 111000；2.辽阳市水利事务服务中心，辽宁 辽阳 111000)

据统计，由于石材加工我国每年产生的花岗岩石粉高达1000万t，这些石粉的利用率偏低，年消耗量少，由此导致的水体与空气污染、土地侵占等问题突出[1]。受材料自身条件和制备工艺限制，内部存在气泡和孔隙等缺陷使得水工混凝土抗渗能力大大减弱，入侵水量增多加剧冻害破坏，而水工结构耐久性与冻害密切相关[2]。坝体、闸门、渠道等结构每年因冻融及渗透破坏导致大量水资源的浪费，并且需要投入巨大的维修费用。随着环境保护和资源利用要求的提升，人们越来越注重废弃矿物的再生利用，将矿物掺合料加入混凝土中逐渐成为性能改善的主要手段。我国诸多学者深入探讨了掺合料的影响作用，有学者认为掺量较低时能够减小孔隙率，在不同程度上提升抗腐蚀、抗氯离子渗透及力学性能，但不同类型的掺合料对改善抗冻性的作用效果有所差异[3-6]。赵井辉等[7]从微观上探讨了内掺花岗岩石粉的影响作用，结果表明掺量适当时有利于改善试件的抗冻、抗渗性，这是因为花岗岩石粉会优化孔级分配及孔隙结构参数，并且粒径分布越广其增强作用越好；石妍等[8]认为混凝土的宏观性能受水泥石界面微观特征及气孔结构的影响显著，增大混凝土整体性、密实度及减少内部缺陷已成为现阶段微观结构研究的热点之一；郭育霞等[9]分析了混凝土性能受内掺和外掺石粉掺量的影响，结果发现外掺15%～20%石粉时的整体性能最优；宋华等[10]探究了混凝土抗碳化性能受不同矿物掺合料的影响，结果发现随掺合料混合方式、种类的改变混凝土抗碳化性能发生相应变化，掺入适量掺合料能够改善抗碳化性能。虽然现有研究分析了混凝土性能受花岗岩石粉的影响，但较少涉及水工混凝土耐久性能、力学及工作性能受不同花岗岩石粉掺量的影响规律，对于花岗岩石粉最优掺量及其作用机理的研究更少。因此，本文利用抗冻抗渗、抗折抗压和坍落度试验，探讨了水工混凝土耐久性能、力学及工作性能受花岗岩石粉掺量的影响，结合试验数据提出最优掺量范围，以期为实现水工混凝土优化设计及花岗岩石粉资源化利用提供科学依据。

1 试验方法

1.1 原材料准备

采用P·O 42.5级普硅水泥，密度3100 kg/m3，烧失量3.60%，标稠用水量24.7%，初凝时间、终凝时间225 min和290 min，比表面积358 m2/kg，3 d、28 d抗压强度21.4 MPa和46.5 MPa，氯离子含量0.010%，碱含量0.52%，氧化镁2.47%，其主要性能指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)有关规定。花岗岩石粉选用大连本地石材厂提供的石材废料，经检测其化学成分及技术指标如表1。

表1 花岗岩石粉的成分及技术指标

集料选用大连建材厂生产的天然河砂，其表观密度2700 kg/m3，粒径范围0～4.75 mm；碎石选用粒径5～10 mm(小石)、10～20 mm(中石)和16～31.5 mm(大石)三种规格的碎石，表观密度2680 kg/m3，吸水率0.80%；试验选用萘系高效减水剂，减水率26.1%，拌和水选用当地自来水。

1.2 试验设计

根据《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)对0%、5%、10%、15%、20%、25%花岗岩石粉掺量水工混凝土进行抗氯离子侵蚀、快速碳化、快速冻融、抗折抗压以及坍落度试验，设计3 d、7 d、14 d、28 d不同碳化时间，50次、100次、150次、200次和300次不同冻融循环次数，3 d、7 d和28 d不同养护龄期，结合试验数据深入分析混凝土保水性、黏聚性、抗压抗折强度和抗氯离子渗透性随花岗岩石粉掺量的变化规律。采用花岗岩石粉等质量替代水泥，内掺花岗岩石粉混凝土配合比如表2。

表2 试验配合比

2 结果与分析

2.1 拌合物的工作性能

根据试验规程测定0%、5%、10%、15%、20%和25%花岗岩石粉掺量条件下拌合物的保水性、黏聚性及坍落度，如表3和图1。

图1 拌合物坍落度变化特征

表3 拌合物保水性和黏聚性

由图1可知，拌合物坍落度随花岗岩石粉掺量的增加呈现出逐渐上升趋势，而坍落度增长率则表现出下降趋势；掺5%、10%、15%、20%、25%花岗岩石粉组相比于基准对照组的坍落度增幅分别为17.50%、31.25%、40.63%、48.13%和52.50%。结合表3中的数据，掺5%、10%、15%花岗岩石粉组与基准对照组的保水性、黏聚性相当，而掺量超过20%时拌合物的保水性与黏聚性变差，说明掺入适量范围花岗岩石粉有利于改善拌合物的工作性[11]。

2.2 硬化力学性能

根据试验规程测定0%、5%、10%、15%、20%和25%掺量条件下各组试件的3 d、7 d、28 d龄期强度，如图2。

图2 力学性能变化特征

从图2可以看出，不同花岗岩石粉掺量时各组试块的3 d、7 d、28 d龄期抗折和抗压强度变化趋势基本一致，试件强度均随着龄期的延长逐渐上升，且随着花岗岩石粉掺量的增加表现出先上升后下降的变化规律，掺5%～10%花岗岩石粉时的强度达到最高。通过分析最优掺量试块强度指标可知，掺5%花岗岩石粉组的3 d、7 d、28 d抗压强度相较于基准组分别增加72.55%、10.39%和7.76%，其抗折强度相较于基准组分别增加47.62%、31.25%和10.81%；掺10%花岗岩石粉组的3 d、7 d、28 d抗压强度相较于基准组分别增加60.78%、3.26%和0.89%，其抗折强度相较于基准组分别增加33.33%、27.08%和5.41%。因此，在水工混凝土中掺入花岗岩石粉能够明显改善其力学性能，特别是对早期强度的促进作用更加显著，掺5%～10%花岗岩石粉时试块的抗折、抗压强度达到最高[12]。

2.3 耐久性分析

根据试验规程测定0%、5%、10%、15%、20%和25%花岗岩石粉掺量条件下混凝土的耐久性能，如图3。

图3 耐久性能变化特征

从图3(a)～图3(b)可以看出，不同花岗岩石粉掺量试块的质量损失与相对动弹模量变化趋势基本相同，冻融次数越大试块的动弹模量越小，质量损失则呈现出上升趋势；随花岗岩石粉掺量的提升相对动弹模量呈先上升后下降的变化特征，质量损失则表现出相反的变化特征。掺5%～10%花岗岩石粉组的相对动弹模量和质量损失率可能达到峰值，冻融循环300次时，掺5%、10%、15%、20%、25%花岗岩石粉组相较于基准对照组质量损失分别增加为-14.44%、-9.78%、4.89%、21.78%、36.00%，相对动弹模量相较于基准组分别增加10.24%、7.56%、-4.25%、-9.29%、-17.80%，说明在水工混凝土中掺入适量石粉能够提升其抗冻性[13-14]。

从图3(c)可以看出，扩散系数随花岗岩石粉掺量的提升呈现出先下降后上升的变化特征，掺5%～10%花岗岩石粉石时出现峰值，掺5%、10%、15%、20%、25%花岗岩石粉组相较于基准对照组的氯离子扩散系数分别增大-6.06%、-4.55%、1.52%、13.64%和22.73%。一般试块的抗侵蚀能力越强其扩散系数就越小，结果试验数据可知抗氯离子侵蚀性随花岗岩石粉掺量的提升表现出先上升后下降的趋势，且掺5%～10%花岗岩石粉时的抗氯离子侵蚀能力最高，说明在水工混凝土中掺入适量花岗岩石粉有利于提高其抗离子侵蚀能力。

从图3(d)可以看出，碳化时间相同情况下，混凝土碳化深度随花岗岩石粉掺量的增加呈现出先下降后上升的变化特征，掺5%～10%花岗岩石粉时出现峰值，掺5%、10%、15%、20%、25%花岗岩石粉组相较于基准对照组的28 d龄期的碳化深度分别增大-34.31%、-27.82%、0.31%、11.44%、13.29%。碳化深度越小代表混凝土抗碳化能力越强，随花岗岩石粉掺量的增加混凝土抗碳化性能表现出先增强后减弱的变化特征，并且掺5%～10%花岗岩石粉时的抗碳化能力最高，说明在水工混凝土中掺入适量的花岗岩石粉有利于提高其抗碳化能力。

3 结 论

(1)在水工混凝土中加入一定的花岗岩石粉能够有效改善其耐久性、力学和工作性能，并且掺5%～10%时的综合性能最优。

(2)水工混凝土的各项性能受花岗岩石粉掺量的影响存在一定差异，拌合物坍落度随花岗岩石粉掺量的增加逐渐增大，而保水性和黏聚性随其掺量的增加逐渐减弱；混凝土抗碳化能力、抗氯离子渗透性、抗冻性、抗折及抗压强度均花岗岩石粉掺量的增加表现出先上升后下降的变化特征。