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17 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）不同掺量矿粉对水工混凝土影响分析缪 丹（辽宁省汤河水库管理局有限责任公司，辽宁 辽阳 111000）摘 要：针对水工结构抗冲磨、抗渗透、抗冻抗裂等性能指标，试验探讨了不同掺量矿粉水工混凝土工作性能、力学性能、干缩变形和耐久性能等，可为提高经济效益、减少矿渣排放、防止环境污染以及扩大矿粉在水利工程领域中的应用等提供一定支持。关键词：水工结构；矿粉掺量；耐久性能；试验研究中图分类号：TV431文献标识码：B矿粉是指铁矿石中的杂质、燃料中的灰粉和石灰石助熔剂，在高炉炼铁 14001500条件下熔融，用水快速冷却再经粉磨而形成的一种玻璃体散颗粒粉状物料1。由于矿粉结构潜在活性很大，一直处于不稳定高能状态，用于混凝土的活性掺合料或水泥的活性混合料具有比粉煤灰更高的活性。一般地，根据所炼生铁种类、焦炭质量、溶剂质量以及铁矿石成分不同，每生产 1t 生铁要排出 0.31.0t 废渣，这属于一种面广量大的工业废渣。因潜在活性较好，矿粉逐渐成为工业活性混合材的主要来源，可以用于改善水泥抗蚀性、水泥品种等。混凝土中的矿粉具有火山灰、微晶核和微集料效应，有利于增强混凝土抗渗性，减少水化热以及温升裂缝概率2。因此，掺矿粉掺合料可以改善混凝土整体性能。目前，关于矿粉的研究应用主要集中于桥梁工程和商品混凝土等领域，研究内容以矿粉混凝土凝结时间、拌合物和易性、抗裂性、干缩变形和抗压强度等为主，不同试验所选用的原材料性能和配合比参数具有较大差异，配制的拌合物性能也不尽相同，但掺入矿粉会延长凝结时间，增强后期强度3。针对水工混凝土中矿粉的研究较少，如杨华全等试验研究了三峡工程大体积混凝土的极限拉伸值、抗压强度、水化热和胶砂强度，揭示了不同矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响规律。本文结合水工结构抗冲磨、耐久性等技术指标，通过室内试验探讨了 28d 龄期不同矿粉掺量水工混凝土的工作性能、力学性能、抗冻抗渗、干缩变形以及抗冲磨性能，以期为水利工程中矿粉的应用提供一定支持。1 原材料性能1.1 水泥采用辽东水泥集团生产的 PO 42.5 级中热硅酸盐水泥，经抽样检测水泥物理性能指标见表 1。表 1 水泥物理性能指标水泥品种中热水泥规范要求标稠用水量/%24.0/筛余/(80m)3.1/比表面积/(m3/kg)305 250密度/(g/cm3)3.20/安定性合格合格凝结时间/(h：min)初凝2：45 1h终凝3：30 12h抗折强度/MPa3d18.6 12.07d27.6 22.028d49.8 42.5抗压强度/MPa3d4.0 3.07d5.7 4.528d8.5 6.5水化热/(kJ/kg)3d220 2517d250 293收稿日期 2022-12-11作者简介缪丹（1989-），女，辽宁辽阳人，工程师，研究方向为水利工程、水土保持相关工程设计及施工、管理等。文章编号:1007-7596（2023）01-0017-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.003 18 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）1.2 矿渣微粉采用辽宁矿渣微粉有限责任公司生产 S95 级矿粉，按照粒化高炉矿渣粉有关要求抽样检测矿粉品质，如表 2 所示。表 2 矿渣品质抽样检测品质等级S95规范要求比表面积/(m2/kg)380 350密度/(g/cm3)2.95 2.8流动度比/%110 90三氧化硫/%0.41 1.0含水量/%0.52 1.0烧失量/%1.2 5安定性(掺 50%)合格/活性指数/%7d 抗折72/7d 抗压68 7528d 抗折105/28d 抗压108 95质量系数 K1.75/碱性系数 M1.12/碱度 B1.80/依据检测结果，矿粉的含水量、烧失量、流动度比、密度和比表面积等性能指标均符合现行规范要求，7d 活性指数偏低小于 75%，但 28d 活性指数较高达到 108%。早期活性指数偏低的原因是矿粉比表面积只有 380m2/kg，虽然符合规范要求但处于下限范围，无法充分释放其早期活性，矿粉比表面积达到400m2/kg以上才能充分发挥其早期活性。另外，活性指数、碱度系数、质量系数、碱度等参数主要从化学组成上分析矿粉活性，但矿粉活性既与化学组成有关，还与粉磨细度、冷却速度等因素有关，若将矿粉的工艺条件、微观结构、力学和其它物理参数结合起来分析，将会更加全面深入地认识矿粉的性能。1.3 粗细骨料采用小石中石=0.40.6 混合而成的花岗岩碎石，表观密度 2810kg/m3，空隙率 40%，含泥量0.1%，压碎指标 5.0%，针片状含量 6.4%，堆积密度1560kg/m3；采用天然河砂，表观密度 2670kg/m3，细度模数 2.7，空隙率 32%，含泥量 1.5%，堆积密度 1600kg/m3。1.4 外加剂试验选用苏博特 PCA-聚羧酸高效减水剂和北京西奥兴业生产的 BK-16 高效引气剂，减水剂固含量 45%，减水率 28%。2 试验方法与结果2.1 新拌混凝土性能试验方案：配制二级配混凝土，按小石中石=0.40.6配备粗骨料级配，砂率32%，水胶比0.38，各组 PCA-减水剂掺量均取 0.7%，设计 0%、10%、20%、30%、40%五种矿粉掺量，与掺 20%粉煤灰对比，控制 15min 含气量 4%6%，15min坍落度 79cm，试验结果见表 3。表 3 不同矿粉掺量配合比及拌合物性能编号K-0K-10K-20K-30K-40F-20水胶比0.380.380.380.380.380.38用水量/%140135132132132132矿渣微粉/%01020304020(F)减水剂/%0.70.70.70.70.70.7引气剂/%0.0050.0050.0060.0060.0070.006砂率/%323232323232坍落度/cm出机12.112.412.513.412.813.715min8.88.57.88.18.68.5损失/%37.531.537.639.632.838.0含气量/%出机5.15.25.55.65.55.315min4.44.54.44.74.44.3损失/%15.913.520.016.120.018.9凝结时间/h初凝10.514.215.517.620.116.0终凝15.218.520.522.825.720.6容重/(kg/m3)252025202530253025302530通 过 控 制 新 拌 混 凝 土 15min 含 气 量 处 于4%6%，坍落度处于 79cm 之间，结果显示随着矿粉掺量的增加混凝土单位用水量逐渐减小，未掺矿分组的单位用水量 140kg/m3，而掺矿分组单位用水量处于 132135kg/m3范围，这表明矿粉发挥着一定的减水效应；随矿粉掺量的增加 BK-16高效引气剂用量逐渐增大，从 0.005%逐渐提高到0.007%；未掺粉煤灰组的初凝、终凝时间最短，粉煤灰掺量越高混凝土的初凝、终凝时间越长，掺量从 0%增加到 40%时，混凝土初凝时间从 10.5%延长到 20.1h，终凝时间从 15.2 延长到 25.7h。2.2 力学性能为了探讨水工混凝土力学性能受不同掺量矿粉的影响，按表 3 中的配合比配制混凝土，试验检测各组试样力学性能，检测数据见表 4。19 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）表 4 不同矿粉掺量的混凝土力学性能编号K-0K-10K-20K-30K-40F-20矿渣微粉/%01020304020(F)抗压强度/MPa3d17.513.010.811.29.711.17d36.820.519.619.818.722.428d37.937.238.141.540.636.6轴压强度/MPa7d/17.216.815.715.8/28d/31.229.632.530.4/劈拉强度/MPa7d2.161.851.661.701.511.5428d2.652.912.663.052.782.54弹性模量/MPa7d/23.123.421.920.9/28d/30.228.731.129.4/轴拉弹模/MPa7d/28.226.525.124.4/28d/2.953.142.332.94/轴拉强度/MPa7d/2.081.951.881.87/28d/2.963.143.352.93/极限拉伸值/MPa7d/0.920.940.890.87/28d/1.101.131.181.08/1）纯水泥拌制组的早期强度均高于掺矿粉混凝土，并且矿粉掺量越高则试样强度越低；28d 龄期时，混凝土强度对比关系出现转变，纯水泥拌制组强度均低于掺 20%40%矿粉组，整体上掺 30%矿粉组的强度最高；随着矿粉掺量的逐渐增大，30%矿粉组 28d 龄期极限拉伸值和弹性模量最大。2）掺 20%粉煤灰组与掺 10%矿粉组相比，掺粉煤灰组早期强度明显低于掺矿粉组，但 28d 龄期相差不大；掺 30%或 40%矿粉组强度明显大于掺 20%粉煤灰组，提高率达到 10%以上。3）通过对比分析，混凝土各项性能指标随着矿粉掺量的增加不具备单调特征，掺 30%矿粉时出现极值，这是矿粉火山灰、微晶核和微集料效应共同作用的结果，掺 30%矿粉时综合效应得到充分发挥，三大效应的叠加作用达到最优。2.3 抗渗与抗冻性能试验方案：配制二级配混凝土，按小石中石=0.40.6配备粗骨料级配，砂率33%，水胶比0.42，各组 PCA-减水剂掺量均取 0.7%，设计 10%、20%、30%、40%四种矿粉掺量，引气剂掺量和单位用水量按 15min 含气量 4%6%、15min 坍落度79cm 确定。水工混凝土抗渗、抗冻试件的配制成型严格执行水工混凝土试验规程流程，测试各组试样的抗渗和抗冻性能。试验采用一次加压法测试水工混凝土抗渗性能，该方法是维持恒定压力24h，通过计算相对渗透系数判定混凝土的抗渗性能，试验数据见表 5。表 5 混凝土抗渗性能(一次加压法)和抗冻性能编号KSD-10KSD-20KSD-30KSD-40水胶比0.420.420.420.42用水量/%135132132132矿渣微粉/%10203040减水剂/%0.70.70.70.7引气剂/%0.0050.0060.0060.007砂率/%33333333加水压力/MPa0.80.80.80.8加压历时/h24242424相对渗透系数/(cm/h)4.6110-74.3010-73.5610-74.7210-7相对动弹模量/%50 次98.298.899.497.1100 次96.598.098.296.6150 次94.095.786.095.1200 次91.892.593.593.4重量损失/%50 次0.850.380.270.10100 次1.480.740.450.75150 次2.101.121.001.28200 次2.962.241.872.58从表 5 可以看出，在相同水胶比条件下，矿粉掺量从 10%逐渐提高到 30%则相对渗透系数表现出逐渐减小趋势，矿粉掺量从 30%提高到 40%时相对渗透系数又快速增大，表明掺 30%矿粉时混凝土抗渗性达到最优。以质量损失率超过 5%或相对动弹模量减小到原来的 60%作为混凝土抗冻试件被破坏的判定标准。结果表明，相同冻融循环次数下，矿粉掺量从10%提高到 30%，随矿粉掺量的增加混凝土质量损失表现出不断减小趋势，相对动弹模量表现出增大