王 蓝

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 昌吉 831100)

随着我国基础建设的不断发展，对于建筑材料的要求也越来越高，如何在保障工程安全稳定的前提下，提高资源的综合利用效率，对于工程而言具有重要意义。由于在生产建设过程中会产生大量的废弃矿物，不仅占用很多土地资源，还在一定程度上对环境产生影响，因此，研究废弃矿物的合理处置和利用非常有必要[1- 4]。

水利工程建设需要用到大量的混凝土，这对于废弃矿物的回收利用而言具有巨大的发展潜力，一些工程建设者、技术研究者已经开展了相关研究。林育强等研究了磷渣粉和粉煤灰对于胶凝材料以及水工混凝土新能的影响，认为磷渣粉对于水工混凝土而言能极大提高抗渗、抗冻性能，可替代粉煤灰在水利工程建设当中的作用[5]。饶美娟等开展了石灰石粉对水工混凝土宏观力学行为及微观物理性质的影响，并总结了合理的配合比设计[6]。张俊芝等对水工混凝土氯离子扩散系数的时变模型进行了探讨[7]。严捍东等对水胶比为0.50、粉煤灰掺量在0%～55%范围内的高掺量粉煤灰水工混凝土的气泡参数和抗冻性能进行了研究，认为高抗冻混凝土的气泡间距必须小于0.25mm这一规定是不适用的[8]。周立霞，张粉芹等对矿物掺合料对混凝土的孔隙结构和新能进行了分析，认为矿物掺料对混凝土孔隙结构的细化和优化即有明显的提高作用[9- 10]。

本文基于研究经验，开展了岩石粉、粉煤灰、煤矸石等多种矿物掺料在单掺或者双掺情况下的宏观及微观物理力学性质进行研究，丰富了前人研究成果，为废弃矿物在水利工程当中的利用提供了试验及理论支撑。

1 抗侵蚀试验结果分析

1.1 配合比设计

为了对比分析废弃矿物含量对水工混凝土抗氯离子侵蚀的影响规律，需要保证除矿物含量变化外，其余参数尽量保持一致。本试验共设计基准配合比及试验配合比情况，具体的配合比情况见表1。

表1 配合比设计 单位:kg

1.2 抗侵蚀结果分析

采用RCM测试方法，对标准养护了28d后的各试验配合比下的混凝土试件进行氯离子扩散系数的测定，测试结果如图1所示。从图1可以看出，当用废弃矿物代替水泥胶凝材料时，随着掺量的增加，氯离子扩散系数均呈先减后增，这是因为当矿物掺加量较小时，矿物可以对在混凝土内部起到填充和密实的作用，降低了混凝土结构的孔隙率，进而提高混凝土的抗渗性能；但是，当掺加量超过某一含量时，氯离子扩散系数又开始增加，这主要是由于水泥被矿物替代后，产生的水化产物已不能够保证内部具有足够的物理固化作用对混凝土试件的氯离子进行固化(即固化作用明显降低)，因而氯离子扩散系数随着矿物含量的增加而增加；从图中还可以看出，在相同掺量下，矿物对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响能力为：煤矸石>花岗岩>双掺材料>粉煤灰，即在同一含量下，煤矸石的氯离子扩散系数最小，粉煤灰的氯离子扩散系数最大。

图1 氯离子扩散系数与矿物掺量关系

2 抗碳化试验结果分析

2.1 配合比设计及试验方法

抗碳化试验所用的配合比与抗侵蚀时一致。抗碳化试验主要通过快速碳化试验方法，即利用CO2环境下混凝土在特定养护龄期下的碳化程度，主要用到的实验仪器有:碳化箱、CO2供气设施、1%的乙醇溶液、钢尺、劈裂装置等。可用幂函数关系来表示碳化程度与养护龄期之间的关系：

d=α·xβ

(1)

式中，d—碳化深度，mm;α—碳化性能影响系数；x—养护龄期；β—碳化速率影响因子。

2.2 抗碳化结果分析

废弃矿物(以花岗岩为例)粉各掺量下在不同养护龄期后的碳化深度如图2所示。从图2可以看出，添加废弃矿物后的碳化深度明显地要大于基准试验组，表明添加矿物会在一定程度上降低混凝土的抗碳化性能，在相同养护龄期下，矿物添加量越多，混凝土的碳化深度越大；在同一掺量下，随着养护龄期的增加，碳化深度很好地符合了幂函数型的变化关系。

不同矿物组别在28d养护龄期下的碳化深度对比如图3所示。图3表明：四种矿物组合下的碳化深度均是随添加量的增加而增大，这是因为水泥被矿物代替后，一方面会使试件内部保留更多的自由水，给CO2的侵蚀提供了便捷通道，同时也会使试件内的碱储备量降低，由于在二氧化碳含量一定时，混凝土的碳化深度因碱含量的增加而降低，因此与添加量呈正相关关系；在相同添加量下，矿物对混凝土抗碳化能力与抗氯离子侵蚀相反，即粉煤灰>双掺材料>花岗岩>煤矸石。

图2 碳化深度与养护龄期关系

图3 碳化深度与矿物组别关系

3 对微观孔隙结构的影响分析

采用压汞法对混凝土试件进行试验，即测试水银在一定压力下压入混凝土试件的体积量来判定混凝土的孔隙结构，试验废弃矿物掺合量为5%、10%、15%、20%、25%、30%六种。在同一压力下，不同矿物组合在不同掺合比下注汞量的对比曲线如图4所示。从图4曲线的变化趋势可以看到，四种矿物对于注汞量的影响距有先减小后增大的趋势，这与氯离子扩散系数表现一致，表明了混凝土试件内部经历了孔隙率从降低到增大，连通数和孔径从减少到增多的过程。对比四种矿物下的注浆量，花岗岩和煤矸石的平均注汞

量要明显小于其余两种组别，特别是当掺合比大于10%以后，更加明显，当掺和比达到20%时，花岗岩和煤矸石注汞量最小，表明在此配合比下，混凝土的抗渗性和耐久性更佳。

图4 注汞量与掺合比关系

4 结论

矿物种类和掺合量对于水工混凝土的物理力学性能具有重要的影响，通过研究花岗岩石粉、粉煤灰、煤矸石粉在单掺和双掺情况下的抗氯离子侵蚀、抗碳化能力以及微观孔隙结构特征认为：花岗岩和煤矸石对于水工混凝土抗渗及耐久性等方面的影响更为显著，可以像粉煤灰等一样，作为水工混凝土的掺合料，在合理配合比下，既能提高混凝土性能，又能解决废弃矿物的存储难题，可为工程建设领域提供新的发展思路。

[1] 戈雪良, 曾力, 方坤河, 等. 磷渣粉对水工混凝土性能的影响[J]. 水力发电学报, 2008, 27(02): 84- 88.

[2] 孔祥芝, 纪国晋, 刘艳霞, 等. 水工混凝土渗透溶蚀试验研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2012, 10(01): 63- 68.

[3] 王万生. 高性能抗磨蚀水工混凝土的试验研究及应用[J]. 水利技术监督, 2007, 15(02): 56- 59.

[4] 陈雯龙. 水工混凝土耐久性影响因素分析及防治措施[J]. 水利规划与设计, 2011(05): 35- 38.

[5] 林育强, 李家正, 杨华全. 磷渣粉替代粉煤灰在水工混凝土中的应用研究[J]. 长江科学院院报, 2009, 26(12): 93- 97.

[6] 饶美娟, 刘数华, 方坤河. 石灰石粉在水工混凝土中的应用研究综述[J]. 人民长江, 2009, 40(20): 41- 43.

[7] 张俊芝, 王建泽, 孔德玉, 等. 既有水工混凝土氯离子扩散系数的时变模型[J]. 水利水运工程学报, 2010(02): 14- 20.

[8] 严捍东, 孙伟, 李钢. 大掺量粉煤灰水工混凝土的气泡参数和抗冻性研究[J]. 工业建筑, 2001, 31(08): 46- 48.

[9] 张粉芹, 王海波, 王起才. 掺合料和引气剂对混凝土孔结构与性能影响的研究[J]. 水力发电学报, 2010, 29(01): 180- 185.