内掺玄武岩石粉对水工混凝土性能影响的试验研究

2022-03-02满奇斐

水利科学与寒区工程 2022年2期

满奇斐

(河北省子牙河河务中心，河北衡水 053000)

随着我国经济社会的不断发展，水利行业的投资力度和建设规模也不断增加，一大批重大的水源工程、农田水利工程以及引水调水工程陆续实施，并带来巨量的水工混凝土需求[1]。由于水工混凝土的使用条件复杂，容易受到各种不利环境因素的影响，要求水工混凝土具有较高的力学性能和耐久性。因此，高品质的绿色高性能混凝土就成为混凝土材料研究的重要方向[2]。玄武岩石粉是我国重要的廉价尾矿资源，对其进行资源化利用可以起到良好的生态环境保护作用。另一方面，在水工混凝土中添加一定数量的玄武岩石粉，可以起到一定的填充和密集效应，有利于提高混凝土的和易性和力学性能，而石粉对水泥的替代还有助于凝固过程中的绝热温升控制，提高混凝土抗裂性能[3]。但是玄武岩石粉的大量掺入也会降低混凝土的流动性和抗压强度[4]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探求玄武岩石粉掺量对水工混凝土力学性能的影响，为玄武岩石粉在水工混凝土领域的掺加应用提供支持。

1 试验设计

1.1 试验材料

此次试验所使用的水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥。经测定水泥样本的初凝时间在133 min，终凝时间为156 min，标准黏稠度为26.4%，比表面积为415 m2/kg，28 d抗压强度和抗折强度分别为52.6 MPa和9.4 MPa；试验用粉煤灰为电厂Ⅱ级粉煤灰，含水量为0.2%，烧失量为1.37%，活性指数为81%；试验用玄武岩石粉为制砂过程中的副产品，其粒径为75 μm，表观密度为3160 kg/m3，比表面积为328 m2/kg，烧失量为41%；试验用细集料为天然河沙，其含泥量小于5%，细度模数为2.7，表观密度为2550 kg/m3，堆积密度为1450 kg/m3；试验用粗集料为玄武岩碎石，具有形状均匀、硬度高的特点，其表观密度为2660 kg/m3，堆积密度为 1520 kg/m3，压碎指标为10.65%；试验用减水剂为SBTJM-Ⅱ型高效减水剂，减水率为21.6%；拌合用水为普通自来水。

1.2 试验方案

试验中按照水工混凝土的相关技术规范，将混凝土强度设计为C40，水胶比确定为0.35，砂率为0.39。玄武岩石粉采用内掺的方式代替部分水泥用量，设计了0、5%、10%、15%、20%、25%、30%等7种不同的掺加比例，设计出如表1所示的不同试验方案。

1.3 试验方法

试验中按照《混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)的相关要求，抗压试验采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，抗折强度试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件，抗渗性试验采用上口和下口直径分别为175 mm和 185 mm、高 150 mm 的圆台形试件[5]。在混凝土制作过程中，首先按照表1中的不同方案的配合比称量好相应的材料，然后将水泥、粉煤灰、玄武岩石粉、粗集料和细集料加入搅拌机干拌2 min，然后将减水剂加入水中搅拌均匀慢慢加入搅拌机，然后再继续搅拌3 min，再将混凝土装入试模并用振捣台振实[6]。在装模之前应该将试模内部清理干净，然后均匀涂刷一层有机脱模剂。将制作好的试件静置24 h后脱模，再在标准养护室分别养护至3 d、7 d和28 d龄期进行相应的试验。

表1 各试验方案配合比

1.4 试验方法

试件的抗压强度在万能试验机上进行，试验过程中以0.3 MPa/s的速率均匀施加荷载，当试件接近破坏状态并产生比较迅速的变形时，对施加的压力进行调节直至破坏，并记录下破坏荷载[7]。试件的抗折强度采用简支梁三分点加荷法进行测试，试验仪器为电脑恒应力试验机，加载的速率控制在100 N/s左右。试件的抗渗性能采取相对渗透性的试验方法，试验仪器为混凝土抗渗仪[8]。试验过程中，水压力设置为1.2 MPa，运行时间为24 h，试验结束之后将试件由压力机劈裂，在劈裂后试件的底边上画出水痕的位置，量出渗水的高度。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

抗压强度是水工混凝土力学性能评价中最重要的指标。对不同玄武岩石粉掺量方案下3 d、7 d和28 d龄期的抗压强度进行试验，根据试验结果，绘制出如图1所示的抗压强度变化曲线。由图1可知，随着玄武岩石粉掺量的增加，水工混凝土在3 d、7 d和28 d的抗压强度呈现出先增大后减小的变化特点。由此可见，在水工混凝土中掺加适量的玄武岩石粉，对抗压强度的提升具有较好的作用。但是，掺入量过大时抗压强度反而会降低。究其原因，主要是玄武岩石粉具有较大的比表面积，可以吸附大量的水分子。如果掺入量过多，一方面会导致混凝土参加水化反应的自由水量减少，使水化生成物的数量不足，难以充分包裹混凝土中的集料，从而形成诸多稀疏结构。另一方面，如果石粉的掺入量过多，就会降低混凝土的流动性，从而影响混凝土成型后的内部均质性。从具体的试验结果来看，当玄武岩石粉的掺量为20%时，3 d、7 d和28 d龄期的抗压强度值均达到最大，分别为 35.1 MPa、46.4 MPa和61.6 MPa，与没有掺加玄武岩石粉时的25.5 MPa、35.4 MPa和45.6 MPa的抗压强度值相比，分别增加了约37.6%、31.1%和35.1%。因此，从抗压强度的视角来看，玄武岩石粉的最佳掺量应该以20%左右为宜。

图1 抗压强度变化曲线

2.2 抗折强度

抗折强度也是水工混凝土力学性能评价中最重要的指标。对不同玄武岩石粉掺量方案下3 d、7 d 和28 d龄期的抗折强度进行试验，根据试验结果，绘制出如图2所示的抗折强度变化曲线。由图2可知，随着玄武岩石粉掺量的增加，水工混凝土在3 d、7 d和28 d的抗折强度变化特征与抗压强度类似，也是先增大后减小。由此可见，在水工混凝土中掺加适量的玄武岩石粉，对抗折强度的提升具有较好的作用。但是，玄武岩石粉掺入量过大时抗折强度反而会降低，其原因与抗压强度类似。从具体的试验结果来看，当玄武岩石粉的掺量为20%时，3 d、7 d和28 d龄期的抗折强度值均达到最大，分别为5.72 MPa、7.42 MPa和9.26 MPa，与没有掺加玄武岩石粉时的4.08 MPa、5.66 MPa和7.30 MPa的抗折强度值相比，分别增加了约40.2%、31.1%和26.8%。因此，从抗折强度的视角来看，玄武岩石粉的最佳掺量应该以20%左右为宜。

图2 抗折强度变化曲线

2.3 抗渗性

抗渗性是水工混凝土耐久性的最重要评价指标，对不同玄武岩石粉掺量方案下3 d、7 d和28 d 龄期的抗渗性进行试验，根据试验结果，绘制出如图3所示的相对渗透系数变化曲线。由图3可知，随着玄武岩石粉掺量的增加，试件的相对渗透系数均呈现出先减小后增大的变化特征。究其原因，主要是掺加玄武岩石粉，可以起到一定的填充和密集效应，增加混凝土的密实度，从而提高了混凝土抗渗性，而过量掺入反而会导致混凝土内部形成更多的稀疏结构，反而不利于抗渗性的提升。从具体的数值来看，除了3 d龄期掺入量为15%时抗渗性最佳外，其余龄期均为掺入量为20%时抗渗性能最佳。