复掺硅灰和片麻岩石粉对水工...凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响_黄婷.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督检验检测DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.009复掺硅灰和片麻岩石粉对水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响黄婷(广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523716)摘要:抗硫酸盐侵蚀性能是沿海和内陆盐渍区水利工程建设对混凝土提出的重要要求。该研究利用室内试验的方式，探讨了复掺硅灰和片麻岩石粉对提高水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。试验结果显示，单掺硅灰在提升水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能方面作用优于单掺片麻岩石粉，而复掺方案与单掺方案相比更具优势，且复掺率为40%时，可以获得与单掺最佳方案类似的效果，具有良好的工程应用价值。关键词:水工混凝土;硅灰;片麻岩石粉;硫酸盐侵蚀中图分类号:TV431文献标识码:A文章编号:1008-1305(2023)02-0026-04收稿日期:2022-10-18作者简介:黄婷(1994 年)，女，助理工程师。E-mail:1研究背景混凝土凭借其施工方便、性价比高等诸多优势，在水利工程建设中得到了广泛应用。水泥是混凝土的主要胶凝材料，但是其生产过程会产生比较严 重 的 环 境 污 染，造 成 比 较 大 的 环 境 压力1。因此，如何降低水工混凝土的水泥用量，同时又能满足质量要求，就成为工程界关注的重要问题。在长期实践中，人们发现许多种具有潜在化学活性的矿物掺合料，在水工混凝土制作中不仅可以替代部分水泥作为胶凝材料，甚至还可以制备出性能更为优异的混凝土2。目前，在水工混凝土领域应用最为广泛的矿物掺合料有粉煤灰、硅灰和石粉等。我国作为石材生产和消费大国，在各种石材的开采和加工过程中会产生大量的废弃石粉，这些石粉一般都没有得到妥善处置，不仅占用大量的土地资源，同时还会破坏生态环境。相关研究显示，低掺量石粉可以有效填充混凝土内部的细小孔隙和裂缝，强化界面过渡区的黏结性能，在一定程度上改善和提升混凝土材料的力学和耐久性3。硅灰粒径较小，具有较高的活性，将其掺入混凝土不仅可以提升混凝土的强度和耐久性，其细微颗粒也可以产生良好的填充作用，使混凝土结构更为密实4。对水利工程而言，硫酸盐侵蚀是影响水工混凝土结构耐久性的重要环境因素，特别是我国的沿海和盐湖地区存在大量的含硫酸盐水体，对上述地区的水利工程结构造成明显的侵蚀破坏，从而影响其安全性和耐久性5。目前，国内外的研究中对石灰石粉和花岗岩石粉在混凝土中的应用研究较多，但是针对片麻岩石粉和硅灰联合使用的研究不多，尚没有关于复掺片麻岩石粉和硅灰对水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究。2试验材料与方法2.1试验材料试验中水泥为 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，样本的测定结果显示其密度为 3.01g/cm3，比表面积为 387m2/kg，28g 抗压强度为 46MPa，抗折强度为7.8MPa，各项技术指标均满足相关规范要求，可以用于此次试验研究。试验用硅灰容重为 1650kg/m3，平均粒径为0.1m，二氧化硅含量不低于 98%，堆积密度为0.67g/cm3，比表面积为 20000m2/kg;试验用片麻岩石粉为制砂过程中产生的粒径 0.0075mm 以下的石粉，其 表 观 密 度 为 2750kg/m3，比 表 面 积 为295m2/kg，亚甲蓝值为 1.5。62检验检测水利技术监督2023 年第 2 期试验中细骨料为天然河沙，其细度模数为2.7，为中砂，堆积密度为 1450kg/m3，含泥量小于 3.0%;试验用粗骨料为人工石灰岩碎石，其粒径范 围 为 5 20mm，级 配 良 好，压 碎 率 小 于5.0%，含泥量小于 2.0%。试验所采用的减水剂为 SBTJM 标准型高效减水剂，其固含量 18.2%，减水率 21.6%。试验用水为普通自来水，其氯离子含量为 0.02%，满足 JGJ632006混凝土用水标准 的要求。2.2试验方案试验以水工建设领域常用的 C30 混凝土为参照确定主要材料的配合比。其中，水泥用量为340kg/m3、细骨料用量为 810kg/m3、粗骨料用量为 1250kg/m3、水用量为 240kg/m3。此次研究的主要目的是探讨复掺硅灰和片麻岩石粉对水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。考虑到不同掺合料的掺量会对试验结果存在加大影响，直接进行复掺试验需要考虑较多的影响因素，试验工作量较大6。因此，试验中采用首先进行单掺试验，分别获得硅灰和片麻岩石的最佳掺量水平的基础上，再进行复掺试验。试验中的硅灰和片麻岩石粉均以内掺的方式等质量取代混凝土中的胶凝材料。结合片麻岩石粉和硅灰在混凝土领域的应用研究成果，以混凝土中的胶凝材料用量为标准，其质量比的形式确定 0%、2%、4%、6%、8%、10%等6 种不同的硅灰掺量水平;确定0%、4%、8%、12%、16%、20%等 6 种不同的片麻岩石粉掺量水平进行试验。通过对单掺试验结果的分析，获得最佳掺量水平7。在单掺试验结果的基础上，以硅灰和片麻岩石粉的最佳单掺比为基础进行复掺方案试验。试验过程中以硅灰和片麻岩石粉最佳掺量水平的 120%、100%、80%、60%、40%、20%确定复掺比。2.3试验方法在硫酸盐侵蚀试验中采用的是 150mm 150mm150mm 的立方体标准试件。根据上节的试验方案设计，称量好混凝土制作所需要的各种材料，然后制作好混凝土试件并在标准养护条件下养护至28d 龄期7。试件的硫酸盐侵蚀试验采取自然浸泡方式，试验仪器为 TVN350 型干湿循环硫酸盐侵蚀试验机8。在试验之前，首先将养护至 28d 龄期的试件取出，在擦拭干净表面水分之后放在阴凉通风处静置 48h，然后称量其质量以及初始弹性波的波速，测量完毕之后将其放入试验桶，然后倒入 5%的硫酸钠溶液，液面高度以高出试件上表面 5cm 为宜。试验中将温度稳定在约 25。为了保持硫酸钠溶液的浓度，每隔 25d 更换一次硫酸钠溶液，整个试验历时 150d。在浸泡试验结束之后，取出试件擦拭干净其表面的水分，然后在阴凉通风处风干48h，再测量试件的质量和弹性波波速，然后利用WHY-3000 型全自动压力试验机进行试件的单轴压缩试验，获取其极限抗压强度和抗折强度。3试验结果与分析3.1单掺试验结果与分析根据不同单掺方案的试验数据，计算获取掺加硅灰和片麻岩石粉方案的质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率以及相对动弹模量，试验结果见表 12。表 1单掺硅灰方案试验结果单位:%硅灰掺量质量损失率抗压强度损失率抗折强度损失率相对动弹模量02.7714.2215.2186.4122.2310.2311.2389.3441.878.269.4591.2161.537.848.2892.7581.397.778.0193.19101.568.038.5592.52表 2单掺片麻岩石粉方案试验结果单位:%石粉掺量质量损失率抗压强度损失率抗折强度损失率相对动弹模量02.7714.2215.2186.4142.6513.5614.8687.2282.4313.2414.5487.51122.3513.0114.2887.35162.8714.5115.9286.24203.2217.6918.2282.13由表 1 可知，单掺硅灰方案下水工混凝土的质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率均小于普通混凝土，相对动弹模量值均大于普通混凝土。随着硅灰掺量的增加，混凝土的质量损失率、抗压和抗折强度损失率均先减小后增大，当硅灰掺量为 8%时取得最小值;相对动弹模量则先增大后减小，当硅灰掺量为 8%时取得最大值。由此可722023 年第 2 期水利技术监督检验检测见，从改善水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的视角来看，硅灰的最佳掺量约为胶凝材料用量的 8%。由表 2 可知，掺入片麻岩石粉方案试件在硫酸盐侵蚀条件下的质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率以及相对动弹模量呈现出类似的变化规律:随着片麻岩石粉掺量的增加，质量损失率、抗压和抗折强度损失率先减小后增大，相对动弹模量先增大后减小。当片麻岩石粉掺量为 12%时水工混凝土的质量损失率、抗压强度损失率和抗折强度损失率最小，相对动弹模量值最大。总体来看，单掺硅灰和片麻岩石粉均可以改善水工混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，但是改善效果存在一定的差异:掺入硅灰与掺入片麻岩石粉相比，在提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性能方面的效果更为显著。以质量损失率为例。掺入 8%的硅灰可以将质量损失率由 2.77%降低到 1.39%;而掺入 12%的片麻岩石粉仅可以将质量损失率降低到 2.35%，随着进一步增加片麻岩石粉掺量，质量损失率会大幅上升，并显著超过普通混凝土。究其原因，主要是掺入片麻岩石粉仅可以实现对混凝土内部孔隙的填充，提高混凝土的密实度，而掺入硅灰不仅可以起到孔隙的填充作用，还可以依靠自身活性参与水化反应，产生水化硅酸产物，使混凝土内部界面过渡区的黏结性能进一步增强。3.2复掺试验结果与分析对不同复掺率方案进行硫酸盐侵蚀试验，根据试验获得的数据，计算获取不同复掺比方案的质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率以及相对动弹模量，结果见表 3。表 3单掺片麻岩石粉方案试验结果单位:%复掺率质量损失率抗压强度损失率抗折强度损失率相对动弹模量201.578.228.5791.35401.367.798.0893.32601.347.687.7894.36801.327.617.6995.211001.297.587.6195.351201.347.677.7295.01根据表中的试验数据，绘制出质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率以及相对动弹模量随复掺率的变化曲 线，结 果 如 图 14所示。图 1质量损失率随复掺比变化曲线图 2抗压强度损失率随复掺比变化曲线图 3抗折强度损失率随复掺比变化曲线图 4相对动弹模量随复掺比变化曲线由试验结果可以看出，随着复掺率的增大，质量损失率、抗压和抗折强度损失率先不断减小后小幅上升，相对动弹模量先不断增大后小幅减小。从变化规律本身来看，当复掺率大于 40%时，混凝82检验检测水利技术监督2023 年第 2 期土的质量损失率、抗压强度损失率、抗折强度损失率和相对动弹模量的变化不大，当复掺率小于40%时的变化相对较大。另一方面，当复掺率为 40%时，混凝土的质量损失率低于单掺最佳方案，相对动弹模量高于单掺最佳方案，抗压强度损失率和抗折强度损失率虽然略大于单掺最佳方案，但是差别较小。由此可见，采用复掺比为 40%的方案即可获得与单掺最佳方案相似的抗硫酸盐侵蚀性能提升效果。另一方面，采用较高的复掺比不仅有助于改善抗硫酸盐侵蚀性能，同时还可以通过矿物掺合料的用量的增加，进一步降低工程成本。由此可见，复掺方案与单掺方案相比具有一定的工程和经济性优势，原因是复掺方案可以充分发挥两种掺合料性能的互补性。当然，在具体的工程应用过程中，可以根据实际需求和工程的经济性要求，选择合适的复掺比。4结语掺入合适种类和比例的矿物掺合料可以有效提升水工混凝土的性能和耐久性，是制作高性能的水工混凝土的重要途径。此次研究利用室内试验的方式，探讨了复掺硅灰和片麻岩石粉对提高水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。试验结果显示，单掺硅灰在提升水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能方面作用优于单掺片麻岩石粉，而复掺方案与单掺方案相比更具优势，且复掺率为 40%时，可以获得与单掺最佳方案类似的效果。当然，影响工程质量的混凝土性能是多方面的，在今后的研究中需要就复掺片麻岩石粉和硅灰混凝土的抗冻性以及工作性能进行研究，通过综合考虑各方面的性能，获得最佳的掺加比例，为工程应用提供更有力的支撑。参考文献 1张文清 水工混凝土结构耐久性影响因素及控制措施J 水利技术监督，2017(6):129-131 2丁清杰，王亚飞 水工混凝土缺陷和破坏的成因分析与修复方法J 水利技术监督，2019(1):196-199 3李阳，王瑞骏，闫菲，等 粉煤灰对混凝土抗冻及抗硫酸盐性能的影响 J 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2017，45(2):219-226 4孙刚锋，缑彦强 冻融循环及硫酸盐侵蚀对混凝土耐久性的影响研究 J 水利与建筑工程学报，2018，16(6):140-144 5赵可昕，杨永民，刘晓飞 混凝土抗海水侵蚀性能试验装置的设计及应用效果分析 J 广东水利水电，2019(1):15-18 6张惠忠 夏特水电站水工混凝土抗硫酸盐侵蚀耐久性试验研究 J 西南民族大学学报(自然科学版)，2020，46(4):415-422 7孙坚，苗壮，吕亚军，等 利用模拟海砂制备超高性能混凝土的性能研究J 广东水利水电，2022(3):21-25 8潘自林，顾靖超，陆立国 高耐久性混凝土优化配比试验研究 J 中国农村水利水电，2021(7):215-221 9吴清华，陈思可，谢亮，等 BFP 筋增强无机聚合物海砂海水混凝土梁的承载性能分析J 广东水利水电，2022(10):13-18 10王凯，张述雄 废旧混凝土材料的建材资源化利用研究进展 J 交通节能与环保，2020(4):114-117 11陈思可，谢亮，张君禄，等 玄武岩纤维复合筋与混凝土的粘结性能试验J 广东水利水电，2022(5):25-29 12高勇 基于颗粒流分析的水利枢纽工程中沥青混凝土材料破坏试验研究J 海河水利，2021(4):78-82 13郭广明 水利工程塑性混凝土防渗墙无损检测技术研究J 海河水利，2021(4):83-85(上接第 6 页)(2)如何将本文中方法与其他已有方法对比验证，结合使用，需做进一步研究。参考文献 1盛金保，王昭升 社上水库一号坝坝顶裂缝成因分析 J 水利水运工程学报，2003(2):5 2卢廷浩，高贵全，陈剑 蓄水后土石坝应力变形有效应力算法J 岩土力学，2005，26(2):4 3赵寿刚，常向前，沈细中，等 黄河山东东明河段堤防工程裂缝成因及防治对策 J 地质灾害与环境保护，2007，18(1):5 4侯继祥 堤基渗透破坏机理及控制方法探讨 J 水利规划与设计，2015，07:53-55 5王震宇 生态堤防设计原则及问题分析J 水利规划与设计，2018(11):20-22 6邹雨良，肖梦芬 河道冲刷对堤防稳定性的影响 J 水利技术监督，2021(11):121-124 7邱任华 堤防工程边坡稳定性分析及应用 J 河南水利与南水北调，2020，49(1):54-56 8刘立娟，牟林 大清河河道堤防渗透稳定性研究 J 水利科技与经济，2016(2):12-14 9刘明寿 堤防工程地质评价刍议:以洞庭湖堤防勘察为例J 水利技术监督，2003(1):28-30 10焦江涛，赵瑞波 雅安市严桥河生态防洪堤设计J 水利规划与设计，2016(7):97-100 11钟志辉，张玉成，陈彩苑，姜燕 南沙某软土地基海堤堤顶裂缝成因分析及工程措施建议 J 广东水利水电，2021(6):6-11 12李西伟 某河道治理工程中岸坡土体渗透特性分析研究J 广东水利水电，2020(12):62-65 13张鹏 河道整治工程堤防加固设计探析:以滏阳新河为例J 海河水利，2021(2):36-38，4292